机器人集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构设计

密级：NANCHANGUNIVERSITY学士学位论文THESISOFBACHELOR（2002—2006年）题目集装箱波纹板焊接机器人机构运动学分析及车体结构设计学院：机电学院系机制专业：机械设计制造及其自动化班级：机制023班学号：02122078学生姓名：陈愈馨指导教师：张华教授起讫日期：2006.2.13~2006.6.2学士学位论文要求装订成册并应包含以下主要内容一、毕业设计（论文）任务书二、开题报告三、南昌大学学士学位论文原创性申明四、毕业设计（论文）1、中文摘要2、外文摘要3、毕业设计（论文）全文五、外文资料原文六、外文资料译文第一章绪论1.1选题的依据及意义这里介绍该课题的选题背景，以及完成该课题的意义。1.1.1选题的依据图1-1集装箱波纹板示意图针对集装箱波纹板焊接自动化水平低的现状：目前用于焊接集装箱侧板与顶侧梁、底侧梁的自动焊专机，由于在焊接过程中，焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角（焊接工艺参数也未有变化），如图1-1所示，在直线段与在波内斜边段，焊接速度方向恒为水平向右，而焊枪与焊缝保持垂直，故焊枪与焊接速度的夹角不能保持恒定，直接导致在直线段的焊缝成形与在波内斜边段的焊缝成形不能保持一致，进而导致在直线段焊接与在波内斜边段焊接的焊缝的质量不一样，进而制约集装箱的生产质量。1.1.2选题的意义通过完成该课题，即设计出集装箱波纹板三自由度焊接机器人及对其进行运动学分析，能够解决在焊接过程中焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高集装箱的生产质量。1.2研究现状及发展趋势这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的集装箱波纹板三自由度焊接机器人（为移动焊接机器人）是为提高焊接自动化水平的，故这里为移动焊接机器人的研究现状及发展趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法。1.2.1移动焊接机器人的研究现状及发展趋势这里所设计的移动机器人为有轨移动焊接机器人，只是现有的移动焊接机器人技术在集装箱波纹板焊接中的应用，是该领域的焊接自动化水平低的缘故，而当前的移动焊接机器人技术有相当的发展。随着工业水平的发展,重要的大型焊接结构件的应用越来越多,其中大量的焊接工作必须在现场作业,如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。而这些焊接场合下，焊接机器人要适应焊缝的变化，才能做到提高焊接自动化的水平。无疑,将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题。当前国内外在移动焊接机器人方向研制的几个典型移动焊接机器人如下：1、韩国Pukyong国立大学的KamBO等研制的舱体格子形构件焊接移动机器人这种机器人能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程,能够自动寻找焊缝的起始点。在遇到格子框架的拐角焊缝时,在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下,能够自动调整机器人本体和十字滑块的位置。2、南昌大学研制的履带式爬壁弧焊机器人该机器人适应于垂直壁面、球面、管道等多种表面上爬行,自动跟踪焊接。3、日本庆应大学学者Suga等为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人该机器人能够直线前进,还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯,它装焊枪的臂可以伸缩，可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状,如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等。4、日本庆应大学学者Suga等研制了管道焊接自主移动机器人该机器人可以沿着管道移动,根据CCD摄取的图象信息,在焊前可以自动寻找并识别焊缝,然后使机器人本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置。5、清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式移动焊接机器人该机器人的焊炬跟踪精度可达±0.5mm,能够满足实际工程应用。6、上海交通大学研制的具有自寻迹功能的焊接移动机器人该机器人在焊前,小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态;在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪。当前绝大多数移动焊接机器人还能焊缝跟踪,焊前必须通过人为的方式,把机器人放到坡口附近合适的位置,并且通过手动将机器人本体、十字滑块等调整到合适的待焊状态,也就是说机器人的自主性还很低,基本上还不具有自主的运动规划能力。未来的发展趋势为三个方面：选择视觉传感器来进行传感跟踪，因为与图象处理方面相关的技术得到发展；采用多传感信息融合技术以面对更为复杂的焊接任务；由于控制技术由经典控制到向智能控制技术的发展，这也将是移动焊接机器人的控制所采用。1.2.2焊接机器人机构设计的研究现状及发展趋势在当前，机器人的机构设计绝大部分还是采用依据具体的情况来设计专用焊接机器人，称之为固定结构的传统机器人，其运动特性使特定机器人仅能适应一定的范围,不利于机器人的发展。解决这一问题的方法就是利用关节模块和连杆模块,根据具体的要求开发可重构机器人系统。下面为当前一些人所做的研究：1、Benhabib等人建立的机器人库,将模块分成模块单元连接器、连杆模块、主关节模块和末端关节模块四类；2、1999年DanielaRus等提出了一种由晶体结构“分子”组成的可自重构机器人系统;3、上海交通大学的费燕琼和沈阳航空工业学院的张艳丽等对模块化机器人的构形设计进行了研究。1.2.3运动学分析的常用方法机器人逆运动学问题在机器人运动学、动力学及控制中占有非常重要的地位，直接影响着控制的快速性与准确性。逆运动学问题就是根据已知的末端执行器的位姿(位置和姿态)，求解相应的关节变量。目前机器人运动学逆解方法有三种：1、以手臂的精确的几何模型为前提研究求解运动学方程的方法（几何法）。该法只能用于特定结构的机器人。2、通常在假设机器人的雅可比矩阵已知的前提下，利用其逆矩阵来求解逆运动学（齐次变换法）。3、智能求解方法该方法典型的有：基于学习的算法和神经网络算法；基于扩散方程的学习算法。1.3本课题的研究设计内容及方法本科题所涉及的内容主要是两块，分别为关于集装箱波纹板三自由度焊接机器人机构的运动学分析，该机器人车体结构的设计。1.3.1三自由度焊接机器人机构运动学分析1、机构方案根据实际的集装箱波纹板的焊接条件，我们采用三个运动关节的机器人：左右平移的焊接机器人本体1、上下平移的十字滑块2和做摆动运动的末端效应器3。图1-2三自由度焊接机器人关节模型（俯视图）2、证明该方案能够求出三个关节的运动学逆解，并且该解满足一定的约束，能够有效的解决在集装箱波纹板在直线段中焊接的焊缝成形与在波内斜边段中焊接的焊缝成形不一致。3、所要解决的问题熟悉运动学逆解的方法、建立运动学模型、找出变换关系、逆解。4、方法齐次坐标变换方法。1.3.2焊接机器人结构设计由于在这里借用了一个现成的运动关节上下平移的十字滑块，故这里所做的设计主要为小车行走机构（即左右平移的焊接机器人本体1）。所要解决的问题及任务：小车行走机构：车体结构方案的确定，驱动电机功率的估计，驱动电机的选择传动的校核。其它：摆动关节电机的选择等。1.4课题的完成情况1、确定集装箱波纹板焊接机器人总体机构方案，并对该机构存在运动学逆解，并求出，该解满足集装箱波纹板的焊接要求。2、做出了车体结构设计与校核。第二章焊接机器人机构运动学分析概述：机器人是空间开环机构，通过各连杆的相对位置变化、速度变化和加速度变化，使末端执行部件（手爪）达到不同的空间位姿，得到不同的速度和加速度，从而完成期望的工作要求。机器人运动学分析指的是机器人末端执行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根据机器人各个关节变量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可计算出机器人末端的位姿方程，称为机器人的运动学分析（正向运动学）：反之，为了使机器人所握工具相对参考系的位置满足给定的要求，计算相应的关节变量，这一过程称为运动学逆解。从工程应用的角度来看，运动学逆解往往更加重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。在该课题里，很显然这里是已知末端执行器端点（焊枪）的位移，速度及焊枪与焊缝间的夹角关系，来求三个关节的协调运动，即三个关节的运动规律，故为运动学逆解。3．1运动学分析数学基础-其次变换（D-H变换）1、齐次坐标将直角坐标系中坐标轴上的单元格的量值w作为第四个元素，用有四个数所组成的列向量U=wzyx来表示前述三维空间的直角坐标的点（a,b,c）T,它们的关系为a=wx,b=wy,c=wc则（x,y,z,w）T称为三维空间点（a,b,c）T的齐次坐标。这里所建立的直角坐标系的坐标轴上的单元格的量值w=1，故（a,b,c,1）T为三维空间点（a,b,c）T。2、齐次变换对于任意齐次变换T，可以将其分解为T=1000333231232221131211zyxpaaapaaapaaa=101211AA（3-1）A11=333231232221131211aaaaaaaaa（3-2）A12=（px,py,pz）T（3-3）式（3-2）表示活动坐标系在参考系中的方向余旋阵，即坐标变换中的旋转量；而式（3-3）表示活动坐标系原点在参考系中的位置，即坐标变换中的平移量。特殊情况有平移变换和旋转变换：平移变换：H=Trans(a,b,c)=1000100010001cba(3-4)旋转变换：Rot(z,)=1000010000cossin00sincos(3-5)3.2变换方程的建立1、机构运动原理图3-1三自由度焊接机器人运动简图（俯视图）如图3-1所示，机器人采用三个运动关节：左右平移的焊接机器人本体1，前后平移的十字滑块和做旋转运动的末端效应器3。通过三个关节之间的协调运动，来保证末端效应器的姿态发生变化时，焊接速度保持不变，焊枪与焊缝间的夹角保持垂直关系，来做到直线段与波内斜边段焊缝成形的一致。2、运动学模型○1运动学模型简化由于该机器人是为了实现这样一种运动：焊枪末端运动轨迹一定，焊接速度恒定，故可以在运动学逆解时，对实际的关节结构进行简化，这里将对其采取等效处理：a将关节1（左右平移的焊接机器人本体1）与关节2（前后平移的十字滑块2）之间沿Z轴的距离和关节2与关节3（做旋转运动的末端效应器3）的旋转中心点的距离视为零，这对分析结果是等效的。b对旋转关节焊枪投影在X-Y平面上进行等效。○2设定机器人各关节坐标系据简化后的模型与图3-1可获得各个坐标系及其之间的关系，各个坐标系的X，Y方向如图3-1所示，Z方向都垂直该俯视图，且由前面的简化等效思想可知各个关节的运动都处在Z○4=0平面上。○3求其次变换通过齐次变换矩阵Tmn可以转求{m}中的某点在{n}中的坐标值。根据公式（3-4）、（3-5）及图3-1可得T10=10000100001000110Sl，T21=10000100010000121SL，T32=100001000cossin00sincos2L其中l0,L1,L2分别表示初始时刻（t0），三个坐标系原点OO1，O1O2，O2O3的距离长度。S1为坐标系{1}原点在一定时间t-t0内沿X方向的位移，且d11（S）=v,1v为关节1的移动速度。S2为坐标系{2}点在一定时间t-t0内沿Y向的位移，且22()dSv,2v为关节2相对关节1的移动速度。○4求T30由变换方程公式可知T30=T32T21T10，带入T32，T21，T10可得：T30=100001000cossin0sincos22110SLLSl（3-6）其几何意义为空间某一点相对于坐标系{0}及{3}的坐标值之间的变换矩阵。即：1000zyx=100001000cos