面向焊接任务的轮足式非接触磁吸附爬壁机器人研究

摘要

船舶等大型设备主要由焊接加工而成，其工作量非常大，焊接的效率和质量直接关系到制造的成木和质量。这些大型设备的焊接主要通过搭建支架由工人手工作业完成，其工作环境恶劣，效率低。随着经济的发展，对船舶等大型设备的需求越来越多，目前的生产方式已不能满足发展的需要。因此开发一种能实现大范围爬壁作业的自主焊接机器人，代替人工完成焊接作业，具有重要意义和广阔的应用前景，将会极大地提高我国在大型设备制造上的装备水平。
　　本文在国家863计划项目(NO:2009AA04Z21)支持下，通过在爬壁机器人的新型机构设计、非接触变磁力吸附技术及永磁吸盘优化设计、机器人壁面运动控制和移动机械手的协调控制等方面进行系统的研究，研制了一套非接触磁吸附轮足式爬壁智能焊接机器人系统样机。主要研究内容如下:
　　1)具有灵活越障和大负载能力的新型爬壁焊接机器人机构研究与设计。以满足大型装备制造过程中全位置自主焊接需求为目标，在深入调研现有爬壁焊接机器人技术的基础上，提出了采用非接触变磁力吸附、轮足式越障、五自由度机械手把持焊枪和视觉传感驱动的爬壁焊接机器人设计方案，研制了具有轮式移动和足式升降越障功能的新型爬壁机器人运动机构;将磁吸附机构与越障升降机构相结合，设计了能主动调节吸附力的新型非接触变磁力吸附机构。实验证明，与现有爬壁机器人相比，新设计的运动机构和吸附机构大大提高了机器人的爬壁负载能力和主动适应环境变化的能力，为实现机器人大范围爬壁作业奠定了基础。
　　2)基于旋量理论的复杂机器人系统建模，移动机械手的可操作性研究。将机器人的移动小车等效成两轮差速移动平台，通过构造虚拟连杆的方法建立了小车的运动学模型，然后建立了5-DOF机械手的运动学模型，在此基础上推导出了机器人系统的整体运动学模型。以机器人雅克比矩阵J的行列式为度量指标，定义了移动机械手的可操作度，对机械手在工作空间中的可操作性和机器人移动对机械手可操作性的影响进行了研究。
　　3)机器人爬壁静力学和动力学建模与分析，壁面运动特性及控制研究。通过建立了壁面吸附的静力学模型，分析了保证爬壁可靠吸附的吸力条件;采用广义坐标表示法，建立了壁面运动的动力学方程，研究了吸附力、壁面倾斜角和机器人姿态等因素与运动阻力和驱动力矩的关系;然后定义了转向灵活性，以其作为机器人运动性能的度量指标，研究了吸附力和转向半径等因素对转向性能的影响，从仿真结果可发现，减小吸附力和增大转向半径能降低运动阻力和提高转向灵活性;最后对越障过程的步态规划和越障过程控制进行了研究，提出了一种通过调节各吸附机构吸附力，使各车轮负荷均衡的越障过程优化控制方法，从仿真算例可发现通过优化控制，通过合理分配吸附力，减小了总吸附力，达到了降低壁面运动阻力和提高运动灵活性的目的。
　　4)非接触永磁吸盘优化方法研究及设计。磁吸盘的性能与单元磁铁的排列形式、吸盘的结构参数直接相关。先应用电磁场理论建立了磁吸盘吸附力的计算模型，对磁吸盘的结构参数对磁铁性能的影响进行了定性分析。然后以吸附力与自重之比λ作为吸盘的性能的度量指标，通过应用有限元计算软件对吸盘的结构参数对磁铁性能的影响进行了研究，通过提高磁能密度，减少漏磁，达到提高磁吸盘性能的目的。根据参数优化结果，设计了永磁吸盘，经测试其性能与仿真计算相吻合，达到设计要求，满足机器人爬壁可靠吸附需要。
　　5)基于改进蚁群算法的移动机械手路径规划及任务轨迹跟踪研究。爬壁焊接机器人是一由移动小车和五自由度机械臂组成的移动机械手，其控制是机器人控制中的难点。以实现机械手工具末端对任务轨迹的跟踪为目标，提出了一种移动机械手协调控制策略。首先提出了一种改进的蚁群算法，将机器人转向阻力作为影响路径选择概率的因子，根据任务轨迹为移动小车规划一条转向次数少和距离短的路径。然后应用运动学模型的方法为机械手建立轨迹跟踪控制器，通过机械臂与移动小车之间的协调控制，实现机器人对任务轨迹的跟踪。通过仿真和实验证明该算法为机器人规划的路径具有转向次数少和距离短的特点，机械手能实现对焊缝轨迹的跟踪。
　　基于以上研究，本文主要创新和贡献为:(1)提出并设计了一种新型的轮足式爬壁机器人运动越障机构。该机构既具有轮式运动灵活和控制简单的优点，又具有足式机构越障性能好的特点，提高了机器人的越障能力和运动性能。该机构也可用于其他移动机器人上，丰富了移动机器人的设计。(2)提出并设计了一种新颖的非接触变磁力吸附机构，并研究了磁吸盘的优化设计方法。吸附机构与壁面之间为非接触，在运动过程中机器人能根据需要主动调节磁吸附力的大小，该设计大大提高了爬壁机器人主动适应壁面变化的能力。(3)提出了一种基于改进蚁群算法的移动机器人路径规划和实现任务轨迹跟踪的协调控制策略。将机器人转向阻力作为影响路径选择概率的因子，提出了一种改进的蚁群算法，用于实现对机器人移动平台进行路径规划，通过轨迹跟踪控制器实现了跟踪过程中机械手与移动平台的协调控制。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 爬壁机器人研究现状

1．2．1 爬壁机器人吸附机构研究现状

1．2．2 爬壁机器人移动机构研究现状

1．3 移动焊接机器人研究现状

1．3．1 普通移动焊接机器人研究

1．3．2 爬壁焊接机器人研究

1．4 变磁力研究现状

1．4．1 调整气隙大小

1．4．2 改变磁极方向

1．5 移动机械手及控制研究现状

1．5．1 移动机械手

1．5．2 移动机械手控制研究

1．6 本文的主要内容和组织结构

第二章 机器人设计及运动学建模

2．1 引言

2．2 研究目标和机器人设计要求

2．2．1 大型非结构设备制造对机器人焊接的需求

2．2．2 机器人设计要求

2．3 机器人本体结构设计

2．3．1 机器人总体结构

2．3．2 移动及越障单元

2．3．3 非接触变磁力吸附机构

2．3．4 五自由度关节机械臂设计

2．4 基于旋量理论的运动学建模

2．4．1 机器人建模旋量理论基础

2．4．2 六轮移动平台运动学建模

2．4．3 机械臂运动学建模

2．4．4 机器人运动学整体建模

2．5 机器人可操作性研究

2．5．1 机器人的广义可操作度

2．6 本章小结

第三章 壁面受力分析及运动特性研究

3．1 引言

3．2 壁面静力学分析

3．2．1 壁面可靠吸附条件

3．2．2 水平吸附受力分析

3．2．3 垂直吸附受力分析

3．3 壁面运动动力学研究

3．3．1 单轮壁面运动动力学

3．3．2 壁面直行动力学研究

3．3．3 壁面转向动力学研究

3．4 壁面转向灵活性研究

3．4．1 转向运动灵活性定义

3．4．2 壁面运动灵活性

3．4．3 影响转向灵活性的因素

3．5 越障过程动力学分析及越障运动规划

3．5．1 凸台形障碍越障

3．5．2 沟槽形障碍越障

3．5．3 连续越障运动规划

3．6 本章小结

第四章 非接触变磁力永磁吸附系统优化设计

4．1 引言

4．2 非接触变磁力吸附机构设计

4．2．1 变磁力机构原理介绍

4．2．2 壁面安全吸附所需吸附力总结

4．3 磁吸附力优化目标及计算数学模型

4．3．1 磁铁优化目标

4．3．2 磁吸附力计算的理论基础

4．3．3 磁铁单元吸附力计算数学模型

4．3．4 磁路中各结构参数对磁吸附力的影响及关系分析

4．4 永磁吸盘有限元分析及结构优化设计

4．4．1 磁吸附单元材料选择

4．4．2 磁铁单元结构形式分析

4．4．3 磁铁结构各参数优化

4．4．4 磁铁耦合分析

4．5 磁吸盘设计与实验

4．5．1 磁吸盘设计

4．5．2 吸附性能测试

4．6 本章小结

第五章 机器人轨迹跟踪协调控制研究

5．1 引言

5．2 移动机械手协调控制策略

5．3 基于改进蚁群算法的移动小车路径规划

5．3．1 蚁群算法介绍

5．3．2 基于改进蚁群算法的移动小车路径规期

5．3．3 仿真实验

5．4 机械手轨迹跟踪控制

5．4．1 轨迹跟踪运动学描述

5．4．2 控制器设计

5．5 实验研究

5．5．1 仿真实验

5．5．2 轨迹跟踪实验

5．6 本章小结

第六章 机器人控制系统及实验

6．1 引言

6．2 控制系统硬件和软件结构

6．2．1 控制系统硬件

6．2．2 控制系统软件

6．3 机器人爬壁及越障实验

6．3．1 平面越障实验

6．3．2 壁面越障实验

6．3．3 平面转向实验

6．3．4 壁面转向实验

6．4 机器人焊接实验

6．4．1 平面运动焊接实验

6．4．2 平面越障焊接实验

6．4．3 爬壁焊接实验

6．5 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 研究工作总结

7．2 本文主要创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文／申请专利

致谢