基于UR3机器人的焊接轨迹规划与控制研究

摘要

焊接是工业制造中一种常用的加工手段。传统的焊接一般由工人作业，自动化程度低，工人劳动强度大，焊接质量的好坏往往受的工人熟练度等人为因素的影响。工业机器人技术的快速发展，使得机器人焊接得到越来越广泛的应用。在机器人焊接作业中，焊道顺序规划、焊接的控制与焊接参数等是影响焊接质量的关键问题。本文针对基于UR3机器人的焊接问题，就UR3机器人运动学、仿真、焊接参数、控制等这几个方面进行研究。主要研究内容及结果如下:
　　(1)研究了UR3机器人的运动学模型。基于D-H法建立了UR3机器人的正运动学和逆运动学模型;基于逆运动学模型，进一步对UR3机器人的奇异形位进行了分析，并建立了UR3机器人的雅可比矩阵;最后，基于焊接规划和工艺的要求，对工件焊缝坐标系和机器人工作坐标系的转换进行了分析研究，建立了相应的转换矩阵。
　　(2)利用SolidWorks建立UR3机器人的三维模型;在MATLAB机器人工具箱建立了UR3机器人运动学模型，进行了运动学仿真，验证了D-H参数运动学模型的正确性;在ADAMS中建立了UR3机器人的虚拟样机模型，对焊接中的平面“8”字形摆焊、马鞍形焊缝焊接进行了仿真分析和规划研究。
　　(3)在ROS(Robot Operating System)机器人软件框架中建立了UR3机器人模型，应用ROS中的传感器和执行器，对UR3机器人进行了运动规划，对焊接过程中的可能遇到的避障问题进行了分析，先使用OBB包围盒法研究了UR3机器人的碰撞检测，然后使用RRT快速搜索随机树算法进行了UR3机器人仿真避障。使用ROS中的模块对UR3机器人实现了实时控制和避障实验。
　　(4)基于MATLAB+ADAMS联合仿真技术，采用PID和Fuzzy PID控制算法，以UR3机器人的关节力矩为输入变量，输出变量为UR3机器人的关节角度，中间通过反馈控制来达到期望的控制效果，对UR3机器人关节位置进行了控制仿真;最后选取实验设备和材料进行了工件试焊验证了仿真规划的有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外焊接机器人研究及发展现状

1．2．1 焊接机器人虚拟样机技术的研究发展现状

1．2．2 焊接机器人轨迹规划

1．2．3 机器人控制的研究发展现状

1．3 课题来源及研究内容

第2章 UR3机器人运动学建模与分析

2．1 UR3机器人运动学

2．1．1 建立机器人连杆坐标系

2．1．2 UR3机器人正运动学

2．1．3 UR3机器人逆运动学

2．2 UR3机器人奇异形位

2．3 UR3机器人的雅可b匕矩阵

2．4 机器人王作坐标系的建立

2．4．1 工件坐标系和机器人坐标系的转换

2．4．2 UR3机器人焊丝端头坐标系及转换关系

2．5 本章小结

第3章 UR3机器人焊接轨迹规划

3．1 UR3机器人三维建模

3．2 MATLAB建模

3．3 ADAMS虚拟样机建模

3．4 UR3机器人平面摆焊仿真

3．4．1 摆焊的类型与参数

3．4．2 平面摆焊仿真

3．5 UR3机器人马鞍形焊缝焊接仿真

3．5．1 马鞍形焊缝分析

3．5．2 马鞍形焊缝坐标系和工件坐标系的建立

3．5．3 ADAMS中马鞍形焊缝焊接仿真

3．6 本章小结

第4章 UR3机器人避障研究

4．1 UR3机器人在ROS中的建模

4．2 UR3机器人模型可视化

4．3 UR3机器人的碰撞检测算法

4．3．1 机器人的碰撞检测

4．3．2 OBB包围盒法

4．4 UR3机器人避障运动规划

4．5 ROS避障实验

4．6 本章小结

第5章 UR3机器人控制仿真

5．1 基于ADAMS+MATLAB的UR3机器人联合仿真

5．1．1 基于UR3机器人机械模型子系统

5．1．2 UR3机器人PID控制系统建模

5．2 自适应模糊PID控制系统建模

5．3 焊接实验

5．3．1 实验设备

5．3．2 实验材料

5．3．3 焊接实验

5．4 本章小结

6．1 总结

6．2 前景展望

致谢

参考文献

附录