可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法
2023-04-30 12:44:46 2
可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法
【專利摘要】本發明公開了一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法，該焊接機器人包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂杆五自由度機構。大範圍的平移機構可以滿足焊接大尺度工件的需要；而三臂杆五自由度機構手臂可以進一步解耦成「兩臂杆的三角運動」模型以及「一臂杆球狀運動」模型的疊加，從而可以簡化運動學求逆的方法，可以避免多解性，提高了計算速度，消滅了焊接機器人焊槍運動姿態盲點，可以使焊接機器人在完全開發的情況進行工作。
【專利說明】可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種焊接機器人，尤指一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法。
【背景技術】
[0002]焊接機器人技術是集機械與裝備技術、電子與通訊技術、計算機科學、控制工程、傳感器技術、人工智慧、仿生學等學科為一體的綜合技術，代表國家的綜合科技實力。每一臺焊接機器人，都是一個知識密集和技術密集的高科技機電一體化產尖端品。
[0003]汽車、造船、工程機械以及五金加工等行業是焊接機器人應用較為集中的市場，其它行業也有迅速擴散的趨勢。
[0004]早期研製的機器人大多採用遙控式，移動平臺和機械手臂都是由操作員來進行操作和控制的，上世紀80年代後期，由於新的控制方法、控制結構和控制思想的出現，研究人員開始研究具有一定自主能力的移動機器人，它可在操作人員的監視下自主運動，能進行有限的導航功能。到了 90年代，一些機器人逐漸向自主移動型發展，即依靠自身的智能自主導航，獨立完成各種軌跡規劃任務。但都不具備象人一樣，在完全開放的環境下，觀察環境狀況、觀測目標位置坐標，分析判斷、智能自主完成任務的功能。究其原因:主要是以前的焊接機器人，不能實時反饋現場的變化，只能沿著規劃的固定軌跡移動，按照預先給定的金屬填充量進行焊接作業，而絕大部分的加工企業都不能保證工件尺寸、卡具是精準的。
[0005]因此在開放環境下，依據被焊接工件的現場位置、尺寸、立體形狀的施焊目標，成為焊接機器人必須解決的問題。而解決這個問題的關鍵技術在於:①在開放環境下，能夠觀測到被焊接工件焊縫的實時空間位置，現在每個單一傳感器都不能完全勝任這項工作，必須採用多傳感器數據融合技術完成，此方面另行論述。②焊接機器人在開放工況下，能夠到達工件焊縫的實時空間位置，也就是說:焊接機器人在焊縫三維(X，Y，Z)內處處可控，且速度要快。
[0006]目前國內外市場均沿用六自由度焊接機器人結構，該種機器人的致命缺點是運動學的逆問題必需通過求逆運動學齊次矩陣獲得，運算速度慢、且多解，特別是當齊次轉移矩陣奇異時，運動學的逆問題無解，也就是說，六自由度焊接機器人結構，在開放環境下使用，是存在盲點的，且在盲點附近運動學的逆問題求解精度也會大為降低。因此目前市場上的三臂杆六自由度焊接機器人只能採用機器人示教盒模式工作，示教是指由人工導引機器人末端執行器(如焊槍等)，來使機器人完成預期的動作，獲得示教程序，機器人再現示教程序，按照之前示教的軌跡運動。所以，以示教模式工作的機器人，只能在預定的軌跡內運動，而不能在開放環境下工作。所以焊接機器人在中厚板焊接過程中，由於強弧光、高溫、煙塵以及工件誤差、裝夾精度、表面狀態和工件熱變形等因素的影響下，經常出現焊偏及誤動作等現象。這也是目前三臂杆六自由度焊接機器人不能廣泛應用於工業的瓶頸所在。
[0007]本案發明人通過長期觀察焊接機器人的工作模式，焊接機器人在軌跡規劃時，焊槍總是要求垂直對準焊接表面，並且焊接過程要求不抖動，通常焊槍只是沿著焊縫一個方向大範圍移動，在焊縫上、下、左、右、拉、伸方向移動較小。因此本發明人想到，能否將機器人的各自由度進行分解，簡化運算程序，這樣即可解決現有運動學求逆方法帶來的多解或無解問題，本案由此而產生。
【發明內容】
[0008]本發明所要解決的是現有焊接機器人運動學求逆方法帶來的多解或無解的技術問題，從而提供一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法。
[0009]為解決上述技術問題，本發明的技術解決方案是:
一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂杆五自由度機構。 [0010]所述機械手臂包括基座以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置直接安裝在所述基座上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置為轉動自由度、第二、三旋轉裝置為俯仰自由度、第四旋轉裝置為轉動自由度、第五旋轉裝置為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂杆，第三、五自由度之間構成第二臂杆，第五自由度到末端構成第三臂杆，從而構成三臂杆五自由度機構。
[0011]所述的五個旋轉裝置的具體結構均相同，其包括伺服電機、電機自帶的增量編碼器、用於固定電機的固定板、與電機輸出軸聯接的轉接軸以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器，該絕對編碼器通過L形安裝板進行固定，而該L形安裝板則固定在所述固定板上，所述的轉接軸上還安裝有活動板；各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，以實現各連接裝置的連接。
[0012]所述平移行走機構的行走軌跡與焊縫的軌跡保持平行。
[0013]所述的平移行走機構包括底座、安裝在底座上的導軌組件、可以在導軌組件上移動的底板，分別安裝在底座上及底板上的相互嚙合的齒條及齒輪以及可帶動齒輪旋轉的電機。
[0014]所述的平移行走機構還包括用以限定底板平移量的限位裝置。
[0015]所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人的解耦方法，包括如下步驟:
(1)首先將焊接機器人解耦成一個可沿軌跡平移的「大範圍平移」模型以及一個「三臂五自由度機械手臂」模型；
(2)對於三臂杆五自由度機械手臂，假設焊接表面與第一自由度的坐標系{I }下的X1Y1平面平行，也就是說，第三臂杆 h與第一自由度的^始終平行，這樣第四自由度的關節角Θ 4即為O ;同時限位第三自由度的關節角Θ 3大於O ;
(3)通過步驟(2)的處理，即可通過三角幾何運算，通過焊接末端位置坐標以及三個臂杆的杆長計算出第一、第二及第三自由度的關節角QpQye3，並由02和θ3計算得出第五自由度的關節角θ5;
(4)當焊接表面不與第一自由度的坐標系{1}下的Xl7l平面平行時，改變《*，並使巧e-9(f ->+9(/J，使焊接末端對準焊接表面，將步驟(3)計算而得的4減去一個Δ，Δ e0 4+9tf,這樣第三臂杆4相當於在半球的下方運動，稱之為一臂杆球狀運動；這樣，所述的三臂杆五自由度機構手臂就被解耦為「兩臂杆的三角運動」模型以及「一臂杆球狀運動」模型的疊加；
(5)通過上述步驟(2)至步驟(4)求得末端姿態對應的關節角變量，再由5個伺服電機聯動控制到位就可以實現焊接工作。
[0016]所述步驟(4)中，在一次焊接過程中，&與Λ —直保持不變，也就是保持焊槍始終垂直對準焊接表面。
[0017]採用上述方案後，本發明所述的焊接機器人首先通過機構設置而解耦成可沿軌跡平移的「大範圍平移」模型以及「三臂五自由度機械手臂」模型；而「三臂杆五自由度機械手臂」又解耦成「兩臂杆的三角運動」模型和「一臂杆球狀運動」模型的疊加。其中:「兩臂杆的三角運動」模型可以採用幾何計算求解運動學的逆問題，避免了多解性，提高了計算速度，消滅了焊接機器人焊槍運動姿態盲點，簡化了機器人在焊接行走過程中，圓弧填充策略運動機構的運動副。而「一臂杆球狀運動」模型與「大範圍平移行走」模型相對於「兩臂杆的三角運動」模型只是簡單的平移關係。且「一臂杆球狀運動」可以使得焊槍儘量保持一個姿態，並垂直對準焊接表面。這樣就能夠實現符合人類焊接習慣的「聯動操作」模式，即在歐式三維空間(x，y，z)內，實現焊槍的上、下、左、右、拉、伸操作，無需示教，可在完全開放的環境下，智能、類人、實時地糾正焊槍偏離焊縫微小的軌跡偏差。而焊接機器人大範圍平移機構，用以滿足焊接大尺度工件的需要。從而根本上解決了焊接機器人在焊縫三維(X，Y，Z)空間內處處可控的問題,且實時速度大大加快。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1是本發明的立體結構示意圖；
圖2是本發明的主視圖；
圖3是本發明的俯視圖；
圖4是本發明的左視圖；
圖5是本發明所述平移行走機構的主視圖；
圖6是本發明所述平移行走機構的俯視圖；
圖7是本發明所述平移行走機構的左視圖；
圖8是本發明所述機械手臂的主視圖；
圖9是本發明所述機械手臂的俯視圖；
圖10是本發明所述機械手臂的左視圖；
圖1OA是圖10的局部放大圖；
圖11是本發明所述機構示意圖以及各自由度笛卡爾坐標系；
圖12是本發明所述機構焊接末端位置姿態對應坐標示意圖；
圖13是本發明所述一臂杆球狀運動的模型示意圖。
【具體實施方式】[0019]下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步詳述。
[0020]本發明所揭示的是一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，如圖1至圖10所示，為本發明的較佳實施例。所述的焊接機器人包括平移行走機構I以及可在平移行走機構I上按一定軌跡行走的機械手臂2，該機械手臂2為三臂杆五自由度機構。其中:
所述的平移行走機構I是一個可以沿一定軌跡大範圍平移的機構，其可以採用多種結構形式，例如電機帶動滾珠絲槓的結構。本實施例中，該平移行走機構I主要包括底座11、安裝在底座11上的導軌組件12、可以在導軌組件12上移動的底板13，分別安裝在底座11上及底板13上的相互嚙合的齒條14及齒輪15以及可帶動齒輪15旋轉的電機17。其還可以進一步包括用以限定底板13平移量的限位裝置18。
[0021]所述機械手臂2的具體結構可以為:其包括固定在所述底板13上的基座21以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置22直接安裝在所述基座21上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置22為轉動自由度、第二、三旋轉裝置23、24為俯仰自由度、第四旋轉裝置25為轉動自由度、第五旋轉裝置26為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂杆L1，第三、五自由度之間構成第二臂杆L2,第五自由度到末端構成第三臂杆L3,從而構成三臂杆五軸自由度機構。
[0022]所述的五個旋轉裝置的具體結構可以都相同，以下以第二旋轉裝置23為例進行說明，如圖1OA所示，所述的第二旋轉裝置23包括伺服電機231、電機自帶的增量編碼器232、用於固定電機的固定板233、與電機輸出軸聯接的轉接軸234以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器235，該絕對編碼器235通過L形安裝板236進行固定，而該L形安裝板236則固定在所述固定板233上，所述的轉接軸234上還安裝有活動板237。各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，實現各自由度的連接。這種內置增量編碼器與外置絕對編碼器的雙編碼器設計方式，可以實現真正的電流環、速度環與位置環的三閉環控制，定位更`為精準，可以有效克服電機傳動機構間隙的幹擾。
[0023]如圖11所示:把本發明所述三臂杆五自由度平移焊接機器人分別按6個笛卡爾坐標系定義{ i }，i e O — 5 ,顯然平移即{0}坐標系只有~一個方向大範圍平移，因此只要在{ I }坐標系中，讓Λ反方向平移焊接機器人即可。這樣，三臂杆五自由度平移焊接機器人的運動學正問題，只考慮三臂杆五自由度機械手臂映射變換就行，也就是說其被解耦為一個可大範圍平移的行走機構及一個三臂杆五自由度機械手臂。
[0024]而三臂杆五自由度機械手臂末端位置姿態可由5個獨立變量來描述
M Θ, θ4 其中91至05是相應自由度的關節角，如果該三臂杆五自由度焊接
機器人採用傳統方法運算，則其運動學正問題可由Denavit-Hartenberg方法描述的機械臂運動學正問題方程公式(即式I)變換。
[0025]Ir= ) lm) lm)ln0j]n&5)(ι)
假設焊接機器人三臂杆五自由度機械手臂各臂杆參數如表1所示:
表1焊接機器人三臂杆五自由度機械手臂臂杆參數_
連杆序5ail (mm) Q.., d、(mm) Bi關 T 變裡
1οο oS1
2O-90 O$
【權利要求】
1.一種可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，其特徵在於:包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂杆五自由度機構。
2.根據權利要求1所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，其特徵在於:所述機械手臂包括基座以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置直接安裝在所述基座上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置為轉動自由度、第二、三旋轉裝置為俯仰自由度、第四旋轉裝置為轉動自由度、第五旋轉裝置為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂杆，第三、五自由度之間構成第二臂杆，第五自由度到末端構成第三臂杆，從而構成三臂杆五自由度機構。
3.根據權利要求2所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人及其解耦方法，其特徵在於:所述的五個旋轉裝置的具體結構均相同，其包括伺服電機、電機自帶的增量編碼器、用於固定電機的固定板、與電機輸出軸聯接的轉接軸以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器，該絕對編碼器通過L形安裝板進行固定，而該L形安裝板則固定在所述固定板上，所述的轉接軸上還安裝有活動板；各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，以實現各連接裝置的連接。
4.根據權利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，其特徵在於:所述平移行走機構的行走軌跡與焊縫的軌跡保持平行。
5.根據權利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，其特徵在於:所述的平移行走機構包括底座、安裝在底座上的導軌組件、可以在導軌組件上移動的底板，分別安裝在底 座上及底板上的相互嚙合的齒條及齒輪以及可帶動齒輪旋轉的電機。
6.根據權利要求5所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人，其特徵在於:所述的平移行走機構還包括用以限定底板平移量的限位裝置。
7.根據權利要求1-6之一所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人的解耦方法，其特徵在於包括如下步驟: (1)首先將焊接機器人解耦成一個可沿軌跡平移的「大範圍平移」模型以及一個「三臂趕五自由度機械手臂」模型； (2)對於三臂杆五自由度機械手臂，假設焊接表面與第一自由度的坐標系{I}下的Xiyi平面平行，也就是說，第三臂杆 4與第一自由度的&始終平行，這樣第四自由度的關節角Θ 4即為O ;同時限位第三自由度的關節角Θ 3大於O ; (3)通過步驟(2)的處理，即可通過三角幾何運算，通過焊接末端位置坐標以及三個臂杆的杆長計算出第一、第二及第三自由度的關節角QpQye3，並由02和θ3計算得出第五自由度的關節角θ5; (4)當焊接表面不與第一自由度的坐標系{1}下的Xl7l平面平行時，改變各，並使氏e-SMf，使焊接末端對準焊接表面，將步驟(3)計算而得的各減去一個Λ，Δ e0^+9(?,這樣第三臂杆4相當於在半球的下方運動，稱之為一臂杆球狀運動；這樣，所述的三臂杆五自由度機構手臂就被解耦為「兩臂杆的三角運動」模型以及「一臂杆球狀運動」模型的疊加； (5)通過上述步驟(2)至步驟(4)求得末端姿態對應的關節角變量，再由5個伺服電機聯動控制到位就可以實現焊接工作。
8.根據權利要求7所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接機器人的解耦方法，其特徵在於:所述步驟(4)中，在一次焊接過程中，氏與Λ —直保持不變，也就是保持焊槍始終垂直對準焊接表面。`
【文檔編號】B23K37/00GK103692433SQ201310715531
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】富巍, 周承仙, 陳彥 申請人:廈門理工學院