移动焊接机器人的轨迹规划与跟踪控制

摘要

随着工业4.0的提出和《中国制造2025》的颁布，我国工业生产朝着自动化，智能化、信息化方向发展已经成为必然的趋势。焊接机器人融合了识别、焊接、控制等众多技术，反应了一个国家的科技水平。
　　本文以移动焊接机器人为研究对象，主要研究了焊缝识别算法、移动焊接机器人运动学与动力学模型、轨迹规划和跟踪控制的方法。
　　1焊缝识别算法采用中值滤波和均值滤波算法对焊缝及周边的图像进行处理，削弱干扰，并采用Sobel边缘检测算法提取焊缝的边缘曲线，从而达到焊缝识别的目的。
　　2运动学与动力学模型首先分析了移动平台的非完整性，并采用奇次变换的方法建立移动平台的运动模型。然后采用Denavit-Hartenberg建模方法建立了机械臂的运动学模型。然后结合移动平台和机械臂的运动模型建立了焊接机器人的运动学模型，最后采用拉格朗日力学法建立了移动焊接机器人的动力学方程。
　　3轨迹规划首先假设移动平台做直线运动，研究了机械臂的轨迹规划问题。采用梯度下降法与二分法结合的算法对机械臂的关节轨迹进行优化，并通过仿真验证了算法的有效性。然后针对大曲度焊缝，研究了移动平台和机械臂的同步规划问题。针对同步规划问题，首先研究了机械臂末端位置点到点的规划问题，通过分析机械臂末端点到点的运动特点总结出规划任务的实质是选择移动平台运动所围绕圆心的位置，并采用基于梯度下降法与二分法结合的优化算法对移动平台轮子和机械臂的关节运动进行了规划，仿真结果显示机械臂的末端较好的跟踪离散化后焊缝轨迹上的点。然后研究了机械臂末端的速度规划问题，采用遗传算法规划移动平台左右轮的角速度和机械臂的关节速度曲线，使得机械臂的末端速度方向与焊缝的切线方向保持一致，从而实现机械臂末端跟踪焊缝轨迹。通过仿真验证规划方法的有效性。
　　4基于滑模变结构控制的移动焊接机器人控制器研究首先设计了移动焊接机器人的线性滑模切换面。然后在移动焊接机器人的动力学方程的基础上设计了基于指数趋近律的控制律，并采用饱和函数削弱滑模变结构控制的抖振。最后采用S函数在Simulink中搭建了滑模控制器和移动焊接机器人的动力学模型。通过仿真验证了滑模控制器的有效性，不仅削弱了抖振现象，而且提高了系统的鲁棒性和轨迹跟踪的效果。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 焊接机器人国内外发展现状

1．2．1 工业机器人发展现状

1．2．2 国外移动焊接机器人的研究现状

1．2．3 国内移动焊接机器人的研究现状

1．3 移动机械臂控制研究现状

1．3．1 移动机械臂的轨迹规划

1．3．2 移动机械臂的跟踪控制

1．3．3 移动机械臂的力控制

1．4 移动焊接机器人的总体结构

1．5 本课题的主要研究内容

2 焊缝识别算法

2．1 引言

2．2 焊缝图像预处理

2．2．1 均值滤波

2．2．2 中值滤波

2．3 基于边缘检测的焊缝识别

2．4 本章小结

3 移动焊接机器人模型构建及分析

3．1 引言

3．2 移动焊接机器人简化结构

3．3 机器人运动学模型

3．3．1 刚体的空间位姿表示

3．3．2 奇次变换

3．3．3 非完整性分析

3．3．4 移动机械臂运动学分析

3．4 移动焊接机器人的动力学模型

3．5 本章小结

4 移动焊接机器人的轨迹规划

4．1 轨迹规划方法

4．1．1 关节空间的轨迹规划方法

4．1．2 直角坐标空间的轨迹规划方法

4．2 基于梯度下降法和二分法的直线运动型焊接机器人轨迹规划

4．2．1 直线运动型焊接机器人模型分析

4．2．2 轨迹规划算法

4．2．3 仿真验证

4．3 移动焊接机器人末端点到点的规划算法

4．3．1 移动焊接机器人在相邻焊接点之间的运动分析

4．3．2 移动焊接机器人的轨迹规划算法

4．3．3 仿真分析

4．4 移动焊接机器人任务空间的速度规划

4．4．1 焊接机器人的逆运动学分析

4．4．2 基于遗传算法的焊接机器人速度优化

4．4．3 仿真验证

4．5 本章小结

5 移动焊接机器人的滑模变结构跟踪控制

5．1 引言

5．2 滑模变结构的基本原理

5．2．1 滑动模态的定义

5．2．2 滑模变结构控制设计

5．3 移动焊接机器人滑模控制器设计

5．3．1 移动焊接机器人的动力学模型分析

5．3．2 滑模控制的线性切换面设计

5．3．3 基于趋近律的控制律设计

5．4 仿真结果及分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况