（机械设计及理论专业论文）移动焊接机器人系统研究.pdf

移动焊接机器人系统研究 摘要 石化工业中的大型储油罐、球罐、管道的焊接，多在现场作业，焊接位置手 工作业难以达到，恶劣的工作环境不仅增大了工人的劳动强度，而且影响焊接质 量。工程应用中亟待开发出能够取代工人手工操作的低成本自动化的焊接设备， 以减少生产过程中环境因素的影响，提高焊接质量。本文提出了相应的解决方案。 1 设计了一种磁吸附履带式全位置移动机构。对移动机构的各项核心功能进 行分析，比较各种现行方案的优缺点并加以选择，完成了移动机构设计。设计中 采用了抗倾覆装置，确保机构能在油罐上爬行而且无需铺设轨道。 2 应用稳定平面概念，将履带式移动焊接机器人的稳定性研究转化为对稳定 平面的失稳研究，得出机器人稳定性条件和判定主导失稳形式的原则，从而建立 机器人稳定性与磁吸附力之间的定量关系。 3 在此移动机构上装置了一个结构紧凑、运动灵活的机械臂，能够实现焊枪 多位姿焊接。利用运动旋量的指数变换与机械臂位形矩阵的关系，推导机械臂统 一的运动学正解指数积公式，应用子问题求逆运动学方程的解，根据运动约束条 件选择最优解。 4 根据移动焊接机器人的作业任务对机械臂进行基于关节空间法和笛卡儿 空间法的轨迹规划，并进行m a t l a b 仿真实验验证。 根据可重构的思路，按照本方案设计的机器人可以应用于大型圆柱形、球形 储油罐的焊接、检测、喷漆等方面的工作，极大的推进了焊接自动化的实现。 关键词：移动焊接机器人；稳定平面；螺旋理论；运动学；轨迹规划 硕+ 学位论文 a b s t r a c t w e l d i n go fl a r g e s c a l es t o r a g et a n k s ， s p h e r i c a lt a n k s ，a n dp i p e l i n ei nt h e p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y ，m o s t l yo p e r a t i o n sa tt h es c e n e t h el o c a t i o no fm a n u a l w e l d i n gc a nn o tb er e a c h e d ，p o o rw o r k i n gc o n d i t i o n so fw o r k e r sn o to n l yj n c r e a s e s t h el a b o ri n t e n s i t y ，b u ta l s oa f 佗c t e dt h eq u a l i t yo f w e l d i n g i tn e e dt ob ed e v e l o p e d l o w 。c o s ta u t o m a t e dw e l d i n ge q u i p m e n tt or e p l a c et h em a n u a lw o r k e r si ne n g i n e e r i n g ， i no r d e rt or e d u c et h ei n l p a c to fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s s ，a n d t o i m p r o v et h ew e l d i n gq u a l i t y i nt h i s p a p e r ， i th a v ep r o p o s e das o l u t i o n c o 盯e s p o n d i n g 1 d e s i g nam a g n e t i cc r a w l e r - t y p ea l l - p o s i t i o na u t o c r a w l i n gs t r u c t u r e a n a l y z e da l lt h ec o r ef h n c t i o no ft h ec r a w l i n gs t r u c t u r e ，c o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gp r o g r a ma n dt h e nc h o o s e ，a c h i e v e dt h ed e s i g no ft h e m o b i l es t r u c t u r e t h ed e s i g nu s i n gt h ea n t i c o l l a p s ed e v i c e se n s u r et h a tt h es t r u c t u r e c r a w l so nt h et a n kw i t h o u tt h el a y i n gt r a c k 2 u s i n gt h ec o n c e p to fp l a ts t a b i l i t y ，t h ep a p e rt r a n s f o r m st h er e s e a r c ho n t r a c k - t y p em o b i l ew e l d i n gr o b o ti n t ot h es t u d yi ns t a b i l i t yo ft w o d i m e n s i o n a l i n s t a b i l i t y ，a n do b t a i n st h er o b o ts t a b i l i t yc o n d i t i o n sa n dp r i n c i p l e sl e a d i n gf o r m so f i n s t a b i l i t yt od e t e r m i n e ，s oa st oe s t a b l i s ht h eq u a n t i t a t i v e r e l a t i o n s h i pb e t w e e n r o b o t ss t a b 订i t ya n da d s o r p t i o no fm a g n e t i cf 6 r c e 3 t h i sm o b 订ed e v i c em o u n t e dac o m p a c ts t r u c t u r e ，af l e x i b i e m a n i p u l a t o r ， e n s u r et h a ti tc a na c h i e v ea l l p o s i t i o nw e l d i n g t h eu s eo ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h ei n d e xs p i n o rt r a n s f o r mo fm o v e m e n ta n dm a n i p u l a t o r sc o n n g u r a t i o nm a t r i x ， d e r i v e di nau n i f i e d p r o d u c t s - o f 二e x p o n e n t i a lf o r m u l ao fm a n i p u l a t o r sf o r w a r d k i n e m a t i c sa n da p p l i c a t i o no fi n v e r s ek i n e m a t i c so fs u b p r o b l e m s a c c o r d i n gt ot h e m a n i p u l a t o r sc o n s t r a i n t st oc h o o s et h eo p t i m a ls 0 1 u t i o n 4 a c c o r d a n c ew i t ht h et a s k so fm o b i l ew e l d i n gr o b o t ，m a n i p u l a t o r st r a j e c t o r y h a sb e e np l a n n i n gb a s e do nj o i n ts p a c em e t h o da n dc a r t e s i a ns p a c em e t h o d ，a n d v e r i f yb ym a t l a b ss i m u l a t i o n b a s e do nt h ei d e ao fr e c o n s t r u c t i o n ，t h er o b o tb e e nd e s i g n e da l o n gw i t ht h i s s c h e m e ( p r o g r a m ) c a nb ea p p l i e dt oal a r g ec y l i n d r i c a l ，s p h e r i c a lt a n kw e l d i n g ， t e s t i n g ，p a i n t i n ge t c ，g r e a t l yp u s h i n gf b r w a r dt h er e a l i z a t i o no fa u t o m a t e dw e l d i n g v 移动焊接机器人系统研究 k e yw o r d s ：m o b i lw e l d i n gr o b o t ；s t a b i l i t yp l a n e ；s c r e wt h e o r y ；k i n e m a t i c s ； t r a je c t o r yp l a n n i n g v i 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：彰冈霞 日期：冲否月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 彭赧 笮忻 日期：洲件 日期：p 哆年 多月 日 f 月 日 硕十学何论文 1 1 论文的选题意义 第1 章绪论 自动化的焊接机器人能提供稳定地焊接质量，减轻人的劳动强度，提高工作 效率，降低生产成本，在工业领域得到了广泛的应用。但应用于工业生产中的焊 接机器人大多是固定的，主要通过机械臂的活动来工作，又由于空间的限制使得 机器人的工作范围、工作对象大大受到限制。在大型工件，如：石化工业中的大型 储油罐、球罐、管道的焊接，多在现场作业，焊接位置手工作业难以达到，恶劣 的工作环境不仅增大了工人的劳动强度，而且影响焊接质量。工程应用中亟待开 发出能够取代工人手工操作的低成本自动化的焊接设备，以减少生产过程中人为 因素的影响，提高焊接质量，这些情况都对移动焊接机器人的研究和应用提出了 迫切的要求。 现在，国外在这方面的技术基本成熟，但国内各单位对这些技术的了解有相 当部分还停留在文献上或局部上。所以应该从基本做起，开展一些基础技术研究 作为机器人课题的主要研究与开发内容之一。 1 2 焊接机器人的发展历程 自从世界上第一台工业机器人u m m a t e 于19 5 9 年在美国诞生以来，机器人的 应用和技术发展经历了三个阶段：第一代是示教再现型机器人。这类机器人操作 简单，不具备外界信息的反馈能力，难以适应工作环境的变化，在现代化工业生 产中的应用受到很大限制。第二代是具有感知能力的机器人。这类机器人对外界 环境有一定的感知能力，具备如听觉、视觉、触觉等功能，工作时借助传感器获 得的信息，灵活调整工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。第三代是智 能型机器人。这类机器人不但具有感觉能力，而且具有独立判断、行动、记忆、 推理和决策的能力，能适应外部对象、环境协调地工作，能完成更加复杂的动作， 还具备故障自我诊断及修复能力。焊接机器人就是在焊接生产领域代替焊工从事 焊接任务的工业机器人。早期的焊接机器人缺乏“柔性 ，焊接路径和焊接参数 须根据实际作业条件预先设置，工作时存在明显的缺点。随着计算机控制技术、 人工智能技术以及网络控制技术的发展，焊接机器人也由单一的单机示教再现型 向以智能化为核心的多传感、智能化的柔性加工单元( 系统) 方向发展。6 3 。 移动焊接机器人系统研究 1 3 焊接机器人国内外应用现状 焊接机器人具有焊接质量稳定、改善工人劳动条件、提高劳动生产率等特点， 广泛应用于汽车、工程机械、通用机械、金属结构和兵器工业等行业。据不完全 统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。截 止2 0 0 5 年，全世界在役工业机器人约为9 1 4 万台，其中日本装备的工业机器人总 量达到了5 0 万台以上，成为“机器人王国”，其次是美国和德国：在亚洲，日本、 韩国和新加坡的制造业中每万名雇员占有的工业机器人数量居世界前三位。近几 年，全球机器人的数量在迅速增加，仅2 0 0 5 年就达1 2 1 万台。我国自上世纪7 0 年 代末开始进行工业机器人的研究，经过二十多年的发展，在技术和应用方面均取 得了长足的发展，对国民经济尤其是制造业的发展起到了重要的推动作用。据不 完全统计，近几年我国工业机器人呈现出快速增长势头，平均年增长率都超过 4 0 ，焊接机器人的增长率超过了6 0 ；2 0 0 4 年国产工业机器人数量突破l4 0 0 台， 进口机器人数量超过9 0 0 0 台，其中绝大多数应用于焊接领域：2 0 0 5 年我国新增机 器人数量超过了5 0 0 0 台，但仅占亚洲新增数量的6 ，远小于韩国所占的15 ，更 远小于日本所占的6 9 钔。这对于我国的经济发展速度以及经济总量来说显然是 不匹配的，这说明我国制造业的自动化程度有待进一步提高，另一方面也反映了 我国劳动力成本的低廉，制造业自动化水平以及工业机器人应用程度的提高受到 限制。当前，焊接机器人的应用迎来了难得的发展机遇。一方面，随着技术的发 展，焊接机器人的价格不断下降，性能不断提升；另一方面，劳动力成本不断上 升，我国由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量和增强 企业竞争力，这一切预示着机器人应用及发展前景空间巨大呻1 。 1 4 移动焊接机器人的关键技术 为了适应野外自动化作业的需要，要求移动焊接机器人能够在平面、球面或 是弧面上，都能有较大的动作范围，或者说只受电缆限制不受机构限制；在全位 置焊接时，还要求能够吸附在工件上爬行。研究这样的智能系统，必须解决以下 几个方面的问题：机构方面，必须具有最为合理的自由度配置形式，同时要尽量 使机构轻便、运动灵活；自动跟踪传感与闭环控制方面，研究最佳的信息传感方 式，使系统具有最强的实时性；控制器方面，研究最合理有效的协调各自由度运 动控制的原理与方法。所以，移动焊接机器人的关键技术是传感技术、行走机构、 控制技术、磁吸附技术及控制器架构等。 2 硕十学何论文 1 4 1 信息传感技术 在焊缝跟踪系统中，传感器是关键，它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度 n 叫n 。在焊接过程中，传感器必须精确检测焊缝( 坡口) 的位置及形状，在电弧焊 接过程中，存在强烈的弧光、烟尘、飞溅、高温辐射及强烈的电磁场干扰等。因 此，用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能力。目前在移动焊接机器人 上采用的传感器主要是电弧传感器、机械传感器及视觉传感器等。电弧传感器是 从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，不需要在焊枪上附加任何装置，因 此其实时性好，可达性及焊枪运动的灵活性都非常好，尤其符合焊接过程低成本 自动化的要求。它是利用电弧自身电参数的动静态变化作为特征信号，通过一定 的控制策略实现高低及水平两个方向的跟踪控制。但它主要适用于具有对称形状 的坡口焊缝跟踪，并且对定位焊点等特殊情况难于识别。典型的机械接触式传感 器是依靠导轮或者导杆在焊炬前方检测焊缝位置，通过焊缝形状对导杆或者导轮 的强制力来导向，将焊缝偏差信息反映到检测器内，从而实现焊缝跟踪。接触传 感器结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，但由于它信 息量少，在移动焊接机器人中，主要是与其它传感器配合来完成焊缝跟踪任务， 一般不独立使用。采用视觉传感器是焊缝跟踪传感器发展的必然趋势。面阵c c d 成像提供的信息量丰富，适应能力强，通过计算机处理，可以充分发挥它的智能， 但造价昂贵，信息处理时间长，实时性差，其应用受到一定的限制。线阵c c d 传 感器虽然只能获得一维图象，所提供的信息量少，但这些信息都十分关键，能满 足智能控制的需要。此外，其价格相对低廉，信号处理过程简单，响应速度快， 实时性强，更宜于在生产中推广应用。面基于三角测量法原理的激光视觉扫描传 感器，通过实时扫描焊接坡口横截面，不但可以获得焊炬与坡口之间的二维偏差 信息，还可以检测坡口的形状，因此它既可以用于焊缝的二维跟踪，又可以用于 焊接参数的控制。多传感器信息融合技术。移动焊接机器人与一般的焊缝跟踪系 统不同，它现场作业时，空间约束小，自由度大，在焊接过程中具有一定的自主 性。现代焊接技术的发展，使焊接系统更加趋于网络化、柔性化和集成化。在焊 接过程中，不但要求系统能够进行焊缝跟踪，可能还要求进行焊接参数的自动控 制，或者需要在非常复杂的焊接空间完成焊接任务。因此，多传感信息融和技术 是移动焊接机器人传感器技术发展的必然趋势。 1 4 2 行走机构 移动机器人的行走机构一般有履带式、轮式、步行式和爬行式等n0 1 ，目前移 动焊接机器人的行走机构主要是履带式和轮式两类。履带式移动机器人优点是着 地面积大，壁面适应能力强，通过电磁铁吸附控制吸附壁面力的大小，缺点是结 构复杂，转向性差，所以这种结构适用于壁面、球面、管道等曲面上的爬行焊接。 移动焊接机器人系统研究 轮式移动机器人优点是移动速度快，转向性好，但着地面积小，壁面适应性差， 所以这种结构适应平面横向大范围变化焊缝的焊接和坡度不是很大的斜面爬坡 焊接，由于这种移动机器人结构相对简单，所以目前在焊接及其它行业中用得都 比较多。 1 4 3 智能控制技术 移动焊接机器人是一个具有空间多自由度的智能焊缝跟踪系统，它本身具有 一定的自主性、对外的感知能力和局部的对跟踪路径的自主规划能力等。在焊缝 跟踪的过程中，不但要实时调整焊炬与焊缝之间的偏差，还需要实时调整机器人 本体在焊接空间的位姿。显然，要用精确的数学模型来描述这样复杂的系统是比 较困难的，这种情况下，经典控制理论就难以获得满意的效果，采用先进的信息 传感技术并在跟踪系统中引入模糊控制、神经网络等智能控制技术就是一个必然 趋势。 1 4 4 控制器架构 采用何种控制器架构，与传感器的选择、处理信息量的大小和系统的复杂程 度等有关。综合国内外的研究来看，目前主要有以下几种控制器架构：( 1 ) p c 机+ 运动控制器架构：这是基于w i n d o w s 的移动焊缝跟踪系统，这种架构一般是采用 了摄像式视觉传感器，需要处理的信息量大，如c c d 结构光式传感器来获取焊缝 偏差信息。传感器将采集到的电弧区图象信息送到工控机，工控机对图象信息进 行处理后，获得焊缝偏差量，将这个偏差量送到专门的运动控制器，从而调节焊 炬或者机器人本体的位姿。这种架构的优点是对信息的处理能力极强，操作直观， 不但可以进行焊缝跟踪，同时还可以对焊接参数进行自动控制，也可以方便地与 焊接周边设备进行柔性化集成。缺点是控制系统庞大，移动不方便。对有些野外 作业场合不太合适。( 2 ) p l c + m c u 架构：p l c ( 可编程控制器) 编程简单、稳定、 可靠、抗干扰能力强，而m c u ( 微控制器) 剥信号的处理能力强。将二者结合起 求可以充分发挥二者的优势现在很多p l c 可编程控制器都内嵌m c u ，所以以 此为核心构建的控制系统。体积小，功能强，比较适合移动焊接机器人这种场合。 ( 3 ) d s p + f p g a + m c u 架构：d s p ( 数字信号处理器) 和f p g a 可编程逻辑阵列的 出现是现代电于技术发展的一个里程碑。利用功能强大的d s p 怍为整个控制系统 的核心，m c u 作为专门的运动控制器，而f p g a 综合控制系统外围所有的数字逻 辑，这样的控制系统结构简洁、体积小巧、移动方便、功能强大。且利用其c a n 总线，很容易与焊接电源、翻转机构等焊接周边外围设备柔性化集成。这样的控 制器体系架构，是移动焊接饥器人比较理想的体系架构。 4 硕十学何论文 1 4 5 磁吸附技术 移动焊接机器人可能要求在球面、弧面、甚至壁面能够行走。即使在平面， 也要求行走时不要打滑。因此，磁吸附技术也是移动焊接机器人的一项关键技术。 磁吸附方式分为电磁体式和永磁体式，电磁体式维持电磁吸附需要电力，但控制 较方便；永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，目前研究比较多的还是永 磁体式。磁吸附又有多种形式，如轮式、步行式、履带式及吸盘式等，它们各有 优缺点。车轮式磁吸附式方式行走速度快，转弯容易，但吸附力较小；履带式磁 吸附爬壁机器人产生的吸附力大，然而履带式磁吸附方式也有转弯难的缺点。比 较各种磁吸附方式，可以看出，履带式吸附方式既可以产生很大的吸附力，又具 有较大的行走速度，并且越过障碍物的能力强，因此具有广阔的发展前景引。目 前在焊接领域中，用的比较多的是轮式磁吸附方式和履带式磁吸附方式。 1 5 移动焊接机器人研究现状 移动焊接机器人，日本、韩国等围研究的相对较早，已有产品应用于实际工 程，而国内这几年也逐渐开始这方面的研究工作。 1 舱体格子形构件焊接移动机器人 在造船工业的焊接工艺中，为了加强船体的牢固和强度，通常在船的底部要 焊接几个蛋形的框架体。这种格子型框架体由于工作空间很狭窄，具有六个自由 度的常规性机器人是很难胜任这个工作的，因此为了克服这种情况，韩国 p u k y o n g 国立大学的k a m b o 等研制了一种体积小巧，重量轻的的用于这种复杂 焊接环境的轮式智能移动焊接机器人n 引。它能够在比较难以达到的狭窄空间自 主地实现焊接过程，能够自动寻找焊缝的起始点。在遇到格子框架的拐角焊缝时， 在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下，能够自动调整机器人的本体 和十字滑块的位置。机器人本体采用四轮行走机构，侧面两个驱动轮，前后各有 一个自位轮，以稳定车体和使焊接小车能够转动。在小车的本体上和焊炬上各有 一个机械式的接触传感器，在焊炬上的传感器用来检测焊炬的位置，而小车本体 上的传感器对焊炬传感器的位置检测起补偿作用。在机器人的侧面还装有一个接 近传感器，用来检测焊接起始点；控制策略采用模糊控制与p i d 联合控制；跟踪 精度可达士o 5 m m ，满足实际焊接的需要。 2 无导轨全位置爬行弧焊机器人 爬壁机器人是能够在垂直陡壁上进行作业的移动机器人，应用领域主要是用 来在壁面、球面、及管道等曲面上爬行焊接，随着大型结构件的应用越来越多， 这种机器人有着广泛的应用前景。这种机器人机械系统的任务是将携带的焊接装 置移动到壁面上所需到达的任意位置，移动机构主要采用履带式移动机构，在壁 移动焊接机器人系统研究 面上的吸附方式主要采用电磁吸附的方式。 南昌大学研制成功了履带式爬壁机器人n 引。整个系统由爬行机构、图像传 感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。爬行机构是机器人的运动动 力系统，图像传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝， 控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪，通过控制电磁 铁吸附可以达到对磁吸力的控制，使得履带块运动时能自由脱离壁面，静止时又 能够提供足够大的电磁吸附力。 3 平板对接自主移动机器人 日本庆应大学学者s u g a 等为平面薄板焊研制了自主性移动焊接机器人n 6 1 。 它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮， 起稳定作用，机器人能够直线前进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯。 它装焊枪的臂可以伸缩，在臂的末端装有一个c c d 摄像视觉传感器，通过这个 c c d 可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝形状，如是直线焊缝、曲线焊缝、还 是折线焊缝等，它甚至可以跟踪9 0 0 的折线焊缝，焊缝跟踪精度可达士0 3 m m 。它能 够在人难以到达的狭窄空间实施自动焊接，能够自动寻找焊缝的起始点。 4 管道焊接机器人 日本应庆大学学者s u g a 等人还研制了管道焊接自主移动机器人n7 1 ，它可以 沿着管道移动，根据c c d 摄取的图象信息，在焊前可以自动寻找并识别焊缝，然后 使机器人本体沿管道方向移动到达正确的焊接位置。焊炬可以沿管道3 6 0 0 旋转进 行管道的全位置焊接，还能进行管与管的t 形接头焊接。机器人本体具有沿管道z 向( 纵向) 和0 向( 环向) 两个自由度，焊炬也具有r 向和a 向两个自由度。由四 个直流伺服电机驱动移动机构动作，c c d 摄像传感器摄取焊缝位置信息。在焊接 过程中，c c d 摄像传感器现检测出管与管对接处t 形接头待焊处两基体金属的夹 角，然后相应调整焊炬和小车本体的位姿，实现t 形接头的全位置焊接。据相关 文献报道，焊缝跟踪精度可达士o 3 m m 。 5 自寻轨迹甲板焊接移动机器人 由于大型舰船甲板的焊缝一般情况下很长，而且有些焊缝焊接时横向大范围 移动，甚至是曲线、折线。要完全依靠手工焊接，工人的劳动强度相当大，为了 实现甲板的高效高质自动化焊接，上海交通大学研制了具有自寻迹功能的焊接机 器人心0 1 。在焊接前，小车能够自动寻找焊缝并经过轨迹计算后自动调整小车本 体和焊炬的位姿到待焊接状态；焊炬位于焊缝的坡口中心，而小车本体和焊缝坡 口平行；在焊接过程中能够横向大范围的实时焊缝跟踪。采用柔性磁轮并在车体 前部安装强磁，使它有足够的磁力能够在有一定坡度的斜面上进行爬坡焊接。传 感器系统采用激光位移传感器外加扫描的方式来获取焊接过程的二维偏差信息， 控制器采用基于d s p + f p g a + m c u 的架构。 6 硕十学何论文 从目前国内外对焊接机器人技术研究来看，焊接机器人技术研究主要集中 在焊缝跟踪技术、多台焊接机器人及外围设备的协调控制技术、机器人专用弧焊 电源技术、焊接机器人系统仿真技术与机器人用焊接工艺方法5 个方面乜。尤其 是对焊缝跟踪的研究n 们，各国都很重视焊接机器人焊缝跟踪技术的研究又以传 感器技术与控制理论方法为主。 1 6 焊接机器人的发展趋势 目前国际机器人界都在加大科研力度，进行机器人共性技术的研究。从机器 人技术发展趋势看，焊接机器人和其他工业机器人一样，在不断向智能化和多样 化方向发展。具体而言，表现在以下几方面。 1 6 1 机器人操作机构 通过有限元分析、模态分析和仿真设计等现代设计方法的运用，实现机器人 操作机构的优化设计。探索新的高强度轻质材料，进一步提高负载自重比。例 如，以德国f g f i 公司为代表的机器人公司，已将机器人并联平行四边形结构改 为开链结构，拓展了机器人的工作范围，加之轻质铝合金材料的应用，大大提高 了机器人的性能。此外采用先进的r v 减速器和交流伺服电机，使机器人操作机几 乎成为免维护系统。机构向着模块化、可重构方向发展。例如，关节模块中的伺 服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造 机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。机器人的结构更加灵巧，控 制系统愈来愈小，两者正朝着一体化方向发展。采用并联机构，利用机器人技术， 实现高精度测量及加工，这是机器人技术向数控技术的拓展，为将来实现机器人 和数控技术一体化奠定了基础。意大利c o m a u 公司、日本f a n u c 公司等已开发 出了此类产品乜剀。 1 6 2 机器人控制系统 重点研究开放式、模块化控制系统。向基于p c 机的开放型控制器方向发展， 便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构； 大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。控制系统的性能进一步提高， 已由过去控制标准的6 轴机器人发展到现在能够控制2 1 轴甚至2 7 轴，并且实现了 软件伺服和全数字控制。人机界面更加友好，语言、图形编程界面正在研制之中。 机器人控制器的标准化和网络化，以及基于p c 机网络式控制器已成为研究热点 心劓。编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外，离线编程的实用化将成 为研究重点，在某些领域的离线编程已实现实用化。 7 移动焊接机器人系统研究 1 6 3 机器人传感技术 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机器人还应用了激光传感器、视觉传感器和力传感器，并实现 了焊缝自动跟踪和自动化生产线上物体的自动定位以及精密装配作业等，大大提 高了机器人的作业性能和对环境的适应性。遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、 触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模和决策控制。为进一步提高机器人的 智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键。其研究热点在于有效可 行的多传感器融合算法，特别是在非线性、非平稳和非正态分布的情形下的多传 感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化心4 1 。 1 6 4 网络通信功能 日本y a s k a w a 和德国k u k a 公司的最新机器人控制器已实现了c a n b u s 、 p r o n b u s 总线及一些网络的联接，使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进 了一大步，也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展心5 1 。 1 6 5 机器人遥控和监控技术 在一些诸如核辐射、深水、有毒等高危险环境中进行焊接或其他作业，需要 有遥控的机器人代替人去工作。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治 系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成 完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射 到火星上的“索杰纳机器人就是这种系统成功应用的最著名实例陋引。多机器 人和操作者之间的协调控制，可通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有 时延的情况下，建立预先显示进行遥控等。 1 6 6 虚拟机器人技术 虚拟现实技术在机器人中的作用己从仿真、预演发展到用于过程控制，如使 遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。基于多传感 器、多媒体和虚拟现实以及临场感技术，实现机器人的虚拟遥操作和人机交互。 1 6 7 机器人性能价格比 机器人性能不断提高：高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，而单 机价格不断下降。由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路的应用，使机器 人系统的可靠性有了很大提高。过去机器人系统的可靠性一般为几千小时，而现 在已达到5 万小时，可以满足任何场合的需求。 8 硕十学何论文 1 6 8 多智能体调控技术 这是目前机器人研究的一个新领域。主要对多智能体的群体体系结构、相互 间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建模和规划、群体行为控制等方面进行 研究。人类的活动领域不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展。 像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务、娱乐等行业都提出 了自动化和机器人化的要求。这些行业与制造业相比，其主要特点是工作环境的 非结构化和不确定性，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能、对 外感知能力以及局部的自主规划能力等，是机器人技术的一个重要发展方向。可 以预见，在2 1 世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人 类的助手和伙伴。 1 7 本课题的主要研究内容 目前焊接机器人在使用时活动范围较小，局限于它的工作空间，然而许多大 型工件体积非常庞大，而且必须在工地和现场进行焊接。例如：石化工业中的大 型储油罐、球罐，焊接有时需要在罐壁上进行，焊接位置人工焊接比较难，焊接 条件较差，对这类产品焊接就很难实现自动化。为解决以上问题课题的研究目标 定为： ( 1 ) 设计一种全位置自动爬行机构，使机器人能在全位置上爬行而且无需 铺设轨道，满足石化工业中的大型储油罐、球罐等产品的焊接。 ( 2 ) 根据机器人稳定性条件和判定主导失稳形式的原则，建立机器人稳定 性与磁吸附力之间的定量关系。 ( 3 ) 设计一个结构紧凑、运动灵活的机械臂，能够实现焊枪多位姿焊接， 并进行运动学分析。 ( 4 ) 根据移动焊接机器人的作业任务对机械臂轨迹进行规划，并进行仿真 实验验证。 9 移动焊接机器人系统研究 第2 章移动机构设计 本论文研制用于大型圆柱形、球形油罐壁面复杂曲线焊接的弧焊移动机器人 系统，除焊接机器人本体基本的吸附及运动功能和焊接功能以外，系统还应装备 焊缝跟踪系统。本章提出移动机构的解决方案。 2 1 基本功能方案 圆柱形、球形油罐多为钢质，因此移动焊接机器人本体首先必须具备在钢质 壁面可靠吸附的能力；其次，对油罐壁面的焊接要求机器人能够携带焊接装置和 焊缝跟踪设备到达壁面的指定部位，且要求具有一定的运动精度和稳定性；最后， 要实现对焊缝的焊接且保证焊缝的质量。下面将基于大型油罐焊接的实际特点对 上述各项功能选择最优的解决方案。 2 1 1 吸附方式选择 应用在移动机器人领域比较成熟的吸附方式主要有2 种，即真空吸附和磁吸 附。真空吸附是依靠真空吸盘将机器人本体吸附于壁面，其特点是不受壁面材料 的限制，但当壁面有凹凸、裂缝或者为异形壁面时，容易造成吸盘漏气、吸附力 降低，严重的会使机器人从壁面剥落，因此为了保证吸盘内可靠的真空度，要求 真空吸盘与壁面之间紧密贴合，实现难度较高；同时，对壁面光洁度的要求也明 显高于其它吸附方式；另外，为了保持吸盘内的真空度，要求附加真空泵等设备， 在工作过程中若出现系统突然掉电或输送气体的管道缠绕等故障，均可能造成吸 盘真空度丧失而使机器人从壁面剥落。磁吸附包括永磁吸附和电磁吸附两种，依 靠磁力吸附于壁面。磁吸附方式的爬壁机器人要求壁面必须是铁磁性金属，但它 结构简单，吸附力远大于真空吸附方式，且对壁面的凹凸适应性强。更进一步， 如果采用永磁吸附式，即使机器人发生供电中断等故障，其吸附力也没有任何损 失，因而不会从壁面剥落，这种可靠性是其它方式无法企及的。 除上述2 种主要吸附方式以外，还有一种依靠气流负压力将机器人压附于壁 面的方法，产生气流的多为螺旋桨、喷气管等。气流负压力除了产生将机器人压 附于壁面的作用以外( 实际上是靠其壁面法向分量) ，还同时靠其壁面切向分量 使机器人克服自身重力和壁面摩擦力而前进。采用这种吸附方式的移动机器人可 上升高度大，动作迅速，越障能力强；但运动控制困难，承载能力差，定位精度 低。 常见的圆柱形、球形油罐都是由钢板焊接而成，壁面有很多焊缝，因此，对 于油罐焊接移动机器人来说，选择永磁吸附方式优势比较明显。 l o 硕十学位论文 2 1 2 运动方式选择 焊接机器人的移动方式主要有车轮式、履带式、多足步行式和框架式等4 种，它们各有优缺点。车轮式移动速度快、控制灵活，尤其转向比较容易实现， 但车轮与壁面接触面积小，因而维持一定的吸附力较困难；履带式对壁面的适应 性强，接触面积大，吸附力强，运动速度较快，但不易转向和壁面过渡；多足步 行式吸附力较强，易于跨越障碍，可灵活实现壁面过渡和转向等功能，但移动速 度慢，各足的运动协调性要求较高，控制难度高；框架式利用多层框架的交替运 动来实现机器人本体的整体移动，虽然控制比较简单、吸附力强，但运动速度较 慢，转向和壁面过渡能力有限。 综合考虑各方面的特性，履带式既可以产生较大的吸附力，又具有较快的运 动速度，且越障能力和负载能力较强、控制相对简单，因此具有较突出的优点， 是适合于油罐焊接要求的运动方式。 2 2 本体结构设计 对于磁吸附履带式焊接机器人，下面首先给出一套最简单的解决方案；然后， 针对其壁面过渡能力的不足，提出另外两个改进方案；最后，从实际应用条件出 发对几种方案的优缺点进行比较并作出选择。 1 单车双履带结构 u 甘 盆 m 图2 1 单车双履带方案示意图 图2 1 是单车双履带结构的示意图。车体两侧各有一条履带，履带外表面均 匀安装若干永磁体吸盘，以提供使车体吸附于钢质壁面所需要的吸附力。每条履 带与安装于车体前后的两个链轮啮合，并由其中一个链轮驱动，两侧的驱动轮分 别由一套直流伺服电机驱动，通过调节两电机的转速可以控制车体的运动方向和 移动焊接机器人系统研究 速度。 这套方案的优点是结构简单、控制方便、成本较低、开发周期短；而其 缺点也是显而易见的，即难于实现壁面过渡、越障能力有限。 2 履带一小车结构 图2 2 是履带一小车结构及其壁面过渡运动示意图。机器人由双履带结构和 轮式小车两部分构成，二者之间由铰链连接，可以在伸缩杆的作用下相对旋转。 小车车轮没有磁性，而履带外表面均匀安装若干永磁吸盘。在水平面运动时，以 小车为移动机构，背负履带结构运动；换面时，小车和履带结构之间的伸缩杆伸 长，将履带结构部分推至竖直状态，并吸附于竖直壁面；最后，伸缩杆缩短，将 小车拉上，并以履带结构为移动机构，背负小车在竖直壁上运动。 这种方案实现了自主壁面过渡，且过程比较简单，但是它仅能完成一次过渡， 从水平面过渡到竖直壁以后，如果还需要进行壁顶过渡或从竖直壁返回水平面， 机器人将无法自主完成。因此，这种方案仍有较大的局限性，只适合在壁面环境 较简单的场合应用。 图2 2 履带一小车结构示意图 3 可变四边形结构 图2 3 为可变四边形结构移动机器人的侧视图。该结构也以对称布置的两条 履带为运动机构，单侧履带与四个链轮啮合，其中链轮1 和链轮3 分别与支撑杆 1 的两端铰链连接，链轮2 和链轮4 分别与支撑杆2 和支撑杆3 的一端铰链连接， 3 根支撑杆可绕同一个铰链5 旋转。支撑杆l 较长而其余两杆较短，且支撑杆2 是可伸缩的。 四边形结构的特点是可以通过各支撑杆的相对旋转改变履带外轮廓形状，但 当改变构型时，若各段杆的长度均固定，则包络各个链轮的总长度是变化的，会 造成履带过紧或过松，从而导致履带拉断或松脱。为了克服这个缺点，支撑杆2 设计成可伸缩的，内部安装一个弹簧，可以在弹力作用下自动调节杆的长度，从 而保证履带始终处于适当的张紧状态。 1 2 硕十学位论文 45 6 图2 3 可变四边形结构示意图 1 链轮l2 支撑杆13 支撑杆24 链轮2 5 铰链6 链轮37 支撑杆3 8 链轮4 这种方案能够较好地实现自主的壁面过渡。但要实现完整的功能，需要多组 驱动机构的协调配合；另外，焊炬需要与运动壁面直接接触，因此过渡时还必须 解决姿态随动问题；最后，构型变化过程中，倾覆的可能性会增大。 4 结构方案的选择 通过以上分析可以看出，可变四边形方案比较全面地实现了移动焊接机器人 的各项功能，克服了履带式移动焊接机器人壁面过渡能力的不足，但其实现难度 最大。另一方面，单车双履带方案不具备自主壁面过渡能力，功能有限，但其可 实施性是最强的，其实现难度也是适应于课题的时间和人力等条件的，同时，该 方案壁面过渡能力的不足也可以通过附属装置来弥补。 基于以上分析，在本课题中，选择简单易行的单车双履带方案作为本体结构 形式。 2 3 抗倾覆机构设计 只要磁吸附单元的吸附力足够大，就可以保证移动焊接机器人在平直壁面上 的可靠吸附和稳定运动，但是实际的油罐壁面并非是平直的，焊缝、不规则凸起 等均可能造成机器人的倾覆。 为了解决类似情况造成的渐变倾覆问题，可以在出现倾覆趋势时为机器人提 供一个额外的抗倾覆力矩来抵消重力矩的作用。基于这个想法，清华大学田兰图 等人设计了一种抗倾覆机构。 移动焊接机器人系统研究 图2 4 抗倾覆机构结构图 在图2 4 中，可以看到移动机构两侧各有一条刚性折杆，其末端带有一个小 轮支撑在地面上，这就是抗倾覆机构瞳 。在侧壁行驶过程中，当机器人由于越 过焊缝等原因后仰剥离壁面时，支撑轮就会压紧在壁面上，而壁面将给支撑轮施 加反力，从而产生一个与倾覆力矩方向相反的抗倾覆力矩。在本课题中采取同样 的装置，达到抗倾覆的目的。 2 4 本章小结 本章对移动焊接机器人的各项功能进行分析，比较各种现行方案的优缺点并 加以选择：通过比较几种可行结构方案的优缺点完成了总体结构设计，并采用了 抗倾覆装置，确保机构的稳定运行。本章所设计的焊接机器人移动机构实现了在 竖直壁面的可靠吸附、稳定行走。 1 4 硕十学何论文 第3 章静力学与稳定性研究 采用磁吸附方式的移动焊接机器人，其磁吸附单元的吸附力越大，移动焊接 机器人运动稳定性越高，灵活性也随之降低。为了在保证稳定吸附和运动的基础 上尽可能提高运动灵活性，需要根据最小允许吸附力对磁吸附单元进行优化设 计，以达到在运动机构运行稳定的前提下，尽可能的提高机器人的运动灵活性。 本章将对机器人的稳定性进行研究。 3 1 移动焊接机器人空间位姿描述 为了系统地解决履带式移动焊接机器人的静力学稳定性问题，完善其分析模 型，本文拟对在任意倾角壁面处于任意姿态的履带式移动焊接机器人的静力学模 型进行深入研究，从而得到其静态平衡分析的一般方法。为了简化分析，将机器 人运动壁面假定为平直面。 显然，对履带式移动焊接机器人来说，本体保持静稳态的充分必要条件是履 带与壁面的接触面保持不变，这有两层含义：其一是面积不变；其二是位置不变。 因此，定义履带与壁面的接触面为履带式移动焊接机器人的稳定平面。只要稳定 平面保持不变，机器人就可以保持静稳态，因此就可以把履