3P3R型弧焊机器人轨迹规划及其轮廓运动控制

摘要

为满足空间复杂焊缝弧焊作业需求，同时降低专用焊接设备的成本，本课题自主设计、研制了一台3P3R型弧焊机器人。该机器人采用线性移动关节定位置，转动关节定姿态，具有经济、实用的特点，同时具有一定的通用性，更换末端执行器后能用于喷涂、去毛刺等应用领域。本文在完成机器人参数设计、驱动系统选型及整机制造、集成等工作内容的基础上，应用D-H坐标变换法求解了机器人的运动学正解和逆解，为其实时控制奠定基础。此外，基于MATLAB/Simulink平台应用Sim Mechanics建立了机器人的动力学仿真控制模型，并进行关节空间和直角坐标空间的轨迹规划方法研究。为解决3P3R型机器人轮廓运动控制各轴间参数不匹配、无耦合控制的不足，提高机器人对期望轨迹的轮廓跟踪精度，本文建立了空间轮廓误差的估计模型，并以其为直接控制目标设计了变增益交叉耦合控制器，结果表明轮廓误差减小了38.8％。论文基于MATLAB/xPC实时控制系统完成了轨迹规划和轮廓运动控制的实验研究。
　　论文第一章在焊接自动化技术和焊接机器人的发展与应用背景下，指出设计能保证精度又实现经济性弧焊机器人的必要性。接着介绍了3P3R型机器人的研究与应用现状，以及国内外在机器人轨迹规划、轨迹跟踪控制和空间轮廓误差等方面的研究现状，明确了本课题的主要研究内容及目标。
　　论文第二章首先针对3P3R型机器人的结构特点，制定了机器人的技术指标，据此完成伺服驱动系统的计算、选型和调试，并从理论上解释了该类型机器人驱动电机功率小、降低成本的原因。在此基础上，完成机器人整机装配和系统集成，并应用D-H坐标变换法求解了机器人的运动学正解和逆解，为机器人的动力学仿真研究和实时控制奠定基础。
　　论文第三章重点研究了弧焊机器人在关节空间和直角坐标空间的轨迹规划方法。采用五次多项式函数插值方法进行关节空间的轨迹规划，满足加速度、加加速度连续的要求，避免机器人驱动关节的振动和中击。当机器人快速运动时，受驱动机构性能的制约，课题考虑了加速度和速度约束条件下的关节空间轨迹规划处理方法。从实际弧焊作业需求出发，研究了直角坐标空间内空间圆弧、圆柱体相贯线和圆弧过渡的空间连续直线轨迹规划算法，推导了空间圆弧和相贯线的参数方程。为解决等圆周角进行圆柱体相贯线轨迹规划时，存在运动速度不均匀的问题，推导了相贯线运动速度的表达式，在插补时间间隔足够小的前提下，提出了相贯线匀速运动的轨迹规划方法。本章最后基于MATLAB/Simulink平台建立了3P3R型弧焊机器人的动力学仿真模型，应用S函数编写运动学逆解、轨迹规划等算法模块，完成算法的仿真验证。
　　论文第四章为解决3P3R型机器人轮廓运动控制各轴间无协调控制的问题，提高末端执行器对期望轮廓的跟踪精度，引入了多轴交叉耦合控制的策略，基于Frenet标架建立了空间轮廓误差的估计模型，并设计了变增益交叉耦合控制器，在Simulink中建立仿真模型，仿真结果表明变增益交叉祸合控制器对于提高机器人轮廓跟踪精度具有显著作用。
　　论文第五章采用MATLAB-xPC实时控制系统对自主设计、研制的3P3R型弧焊机器人系统进行实验研究，在Simulink中设计控制系统，完成了机器人的性能测试，轨迹规划和轮廓跟踪控制的实验设计和研究。
　　论文第六章对本课题的研究工作进行了总结，同时指出了其中的不足和存在的问题，并给出今后研究的重点及方向。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 焊接自动化技术发展概要

1．1．2 焊接机器人发展及其应用

1．2 国内外研究现状

1．2．1 3P3R型机器人的研究与应用现状

1．2．2 机器人轨迹规划的研究现状

1．2．3 机器人轨迹跟踪控制与空阀轮廓误差研究现状

1．3 课题研究内容及意义

1．3．1 课题的研究意义

1．3．2 课题的研究内容

1．4 本章小结

第2章 机器人参数设计与运动学分析

2．1 3P3R型机器人参数设计

2．1．1 机器人技术指标制定

2．1．2 伺服驱动系统选型

2．2 3P3R型机器人运动学分析

2．2．1 机器人运动学正解

2．2．2 机器人运动学逆解

2．3 本章小结

第3章 机器人轨迹规划及其仿真研究

3．1 关节空间轨迹规划

3．1．1 五次多项式函数插值方法

3．1．2 约束条件下的轨迹规划处理

3．2直角坐标空间轨迹规划

3．2．1 空间圆弧轨迹规划

3．2．2 圆柱体相贯线轨迹规划

3．2．3 空间连续直线轨迹规划

3．3 3P3R型机器人轨迹规划仿真

3．3．1 SimMechanics动力学建摸

3．3．2 机器人仿真控制GUI设计

3．3．3 轨迹规划算法仿真研究

3．4 本章小结

第4章 3P3R型机器人轮廓运动控制

4．1 空闻轮廓误差建模

4．2 交叉耦合控制器设计

4．3 本章小结

第5章 3P3R型弧焊机器入实验研究

5．1 实验测试系统及实验方法

5．2 实验研究及实验结果

5．2．1 机器人单轴跟踪控制实验

5．2．2 机器人关节空间轨迹规划实验

5．2．3 机器人直角坐标空间轨迹规划实验

5．3 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 工作展望

参考文献

作者简介