自主移动机器人空间曲面焊缝的识别与跟踪控制研究

摘要

在大型舰船的钢结构焊接件中，存在桁结构复杂且箱型体系多，焊缝的位置及形状多样，焊接工作区域狭小，焊接的效率低下等诸多问题。工业机械臂焊接机器人，由于作业底座不能移动且臂的伸长有限，导致焊接的操作区域及空间受限，难以适应大型钢结构件的自适应动态焊缝跟踪的要求。
　　本文通过对舰船的焊接工艺做深入分析，采用了将焊机、工控机、轮式移动智能焊接机器人和旋转电弧动态实时跟踪技术相结合的技术方案，以减少因加工或安装的误差和焊材热变形的不利影响，为有效的解决大型结构工件中长距离、大范围、具有复杂空间轨迹形式的空间焊缝实时动态跟踪难题提供了参考依据。
　　（1）基于Pioneer3的四轮差速移动平台和五自由度机械调节臂构成的三维空间焊缝的实时动态跟踪机器人：四轮差速移动平台负责转向和行走的粗调节；五自由度的机械调节臂负责焊枪空间姿态的垂直、水平和倾角的精确调节；末端调节滑块控制旋转电弧焊枪做线性的周期扫描运动，以实现对空间焊缝的偏差特征信号进行采集。
　　（2）建立轮式移动小车与机械调节臂的联合运动关系模型，推导焊枪空间姿态的动态调节矩阵，为焊接机器人的焊枪姿态协调控制提供数理依据。
　　（3）针对单一传感器的扫描信号缺点，优化了旋转电弧的线性周期扫描路径，优化了原始特征信号的提取区域，提出了一种基于限幅、多周期均值及动态贝叶斯变换和IVT组合的数据降维滤波处理方法，降低特征信号的维度，再经过仿射投影和马氏距离进行在线Adaboost分类，提高了在有限的焊接参数下焊枪空间姿态识别的效率和精度。
　　（4）通过对轮式移动小车和焊枪调节机构的动态特性进行分析，根据旋转扫描电弧传感器获得的焊缝左右、高低及倾角的偏差特征信号作为控制量，采取自调节动态模糊规则和分级阈值协调控制器，提高跟踪系统的协调性。
　　本文提出了新型的实时动态空间曲面焊缝跟踪技术，经过大量的试验表明：空间曲面焊缝的自动焊接误差在允许范围内，达到了预期的跟踪精度及效果。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 焊接机器人技术发展简述

1.3 电弧传感的研究现状及应用

1.4 空间曲面焊缝跟踪技术及现状

1.5 主要研究内容

第2章 焊枪姿态的动态调节的数理基础与矩阵模型

2.1 引言

2.2 多自由度轮式移动焊接小车的调节机构分析

2.3 多自由度轮式移动焊接小车的运动学分析

2.4 本章小结

第3章 复杂曲面空间焊缝的检测与识别

3.1 引言

3.2 复杂曲面空间焊缝检测方案的选择

3.3 旋转电弧直线型周期扫描弧长数学模型

3.4 旋转电弧线性周期扫描焊枪动态调整矩阵

3.5 线性周期扫描旋转电弧的仿真与分析

3.6 复杂曲面空间焊缝的电流样本数据的采集方案

3.7 复杂曲面空间焊缝轨迹的焊枪位姿偏差的识别

3.8 本章小结

第4章 复杂曲面空间焊缝的动态跟踪策略

4.1 引言

4.2 焊接小车的自调节模糊.规则的优化

4.3 偏差调节控制机构的分级阈值策略

4.4 轮式移动焊接应用机器人的协调控制仿真分析

4.5 本章小结

第5章 复杂曲面焊接机器人的系统搭建及跟踪试验分析

5.1 引言

5.2 基于轮式移动焊接小车的三维模型及实例

5.3 复杂曲面焊接应用机器人的系统搭建

5.4 跟踪试验及分析

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士学位期间的研究成果

附录B 参与研究项目