基于参考轮的轮式移动焊接机器人运动控制的研究

摘要

随着工业水平和经济的发展,重要大型焊接结构件的应用越来越多。焊接机器人能够稳定和提高焊接质量、提高劳动生产率、降低对工人的操作技术的要求、缩短产品改型换代的准备周期,减少相应的设备投资,市场对它的需求越来越大,在某些特殊的场合,如大型舰船舱体、甲板的焊接以及大型球罐(储罐)的焊接等,以往的机械手臂之类的焊接机器人无法胜任这些工作。将机器人技术与焊缝跟踪技术相结合的轮式移动焊接机器人是解决大型焊接结构件焊接作业的关键。现有的轮式移动焊接机器人大多采用双后轮独立驱动开环控制的方式,不利于驱动轮的协调控制;建立的数学模型需要大量的求逆过程,增加了实时控制的复杂性,影响系统的实时控制效果;在控制方法上,普遍采用PID或模糊控制方式,在生产实际中存在一定的局限性;在硬件电路方面,用于步进电机驱动的驱动电路、光码盘测速和鉴相电路、系统电源等在控制精度方面存在不足,需要进一步的优化设计。综上所述,论文展开以下研究:
　　首先,以整个轮式焊接机器人系统为纲,简要的论述了机器人机械机构、行走机构、十字滑块的设计,阐述了驱动电机和传感器选型以及控制系统等内容。
　　其次,利用Multi-Sim9软件对三种常见的矩形波脉冲发生电路进行了仿真分析,通过比较选择了一种波形稳定、结构简单、易调节的电路作为系统驱动器的脉冲信号电路,为轮式焊接机器人的驱动方法提供了理论和实验的依据;在阐述了光码盘测速的原理的基础上,设计光码盘的测速、鉴相和抗干扰电路;分析三端集成稳压电源结构及其拓补结构,设计了系统电源;提出微处理器系统可靠性设计的途径,优化系统的硬件电路。
　　最后,针对焊接小车传统数学模型存在的问题,文中提出基于参考轮的小车结构,有利于两驱动轮的协调控制,在位姿校正中无需求逆矩阵,缩短了传统模型轨迹的计算时间;利用MATLAB对现有的控制方法进行了仿真比较,指出存在的问题,提出采用Fussy-PID双模分段控制方法和把焊缝偏差分为大、中、小三个偏差区域,设计了双模分段控制器;采用离线计算模糊决策表的方式,简化了模糊控制计算过程。

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符号说明表

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 工业机器人

1.3 焊接机器人

1.4 轮式移动焊接机器人研究状况

1.5 论文研究的背景、内容及其创新点

第2章 系统设计

2.1引言

2.2 机器人本体的硬件结构

2.3 焊缝跟踪系统

2.4本章小结

第3章 硬件电路设计

3.1 引言

3.2 电路设计

3.3 硬件可靠性设计

3.4本章小结

第4章 控制策略与程序设计

4.1 机器人运动控制分类

4.2基于参考轮的机器人小车建模

4.3 机器人小车与十字滑块控制策略

4.4 Fussy-PID控制

4.5仿真分析

4.6 程序设计

4.7 本章小结

第5章 实验数据处理

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

附录(攻读硕士学位期间的论文、科研及获奖情况)