智能移動焊接機器人設計案例及分析

智能移動焊接機器人設計案例及分析一、焊接機器人知識簡介二、機械臂設計的相關知識三、課題研制的機器人結構及功能介紹四、五自由度機械手的結構設計五、機械手數(shù)學建模六、機械手運動學分析七、雅可比矩陣的計算一、焊接機器人知識簡介

目前的工業(yè)機器人主要是焊接焊接機器人的，器其占機器人總數(shù)的70%以上。焊接機器人視頻1、焊接機器人在工業(yè)中應用1焊接機器人知識簡介焊接的重要性：焊接是制造業(yè)中最重要的工藝技術之一。它在機械制造、核工業(yè)、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和電子等行業(yè)中的應用越來越廣泛。傳統(tǒng)的手工焊接的缺點：傳統(tǒng)手工焊接為人工作業(yè)，雖然具有人智能性高、靈活性和適應好的優(yōu)點；但也同時具有工人培訓和人工費用高昂、焊接質量不穩(wěn)定、重復性差的缺點。已不適應現(xiàn)代工業(yè)大規(guī)模生產的要求，也不能滿足現(xiàn)代高技術產品制造的質量、數(shù)量要求。

機器人焊接的必然：隨著電子技術、計算機技術的發(fā)展為機器人焊提供了十分有利的技術基礎，并已滲透到焊接各領域中，近30年來，在機器人自動焊接技術方面已取得了許多研究和應用成果，從21世紀先進制造技術的發(fā)展要求看，機器人焊接自動化生產已是必然趨勢。2、機器人焊接發(fā)展概況自1962年型和年美國unimate推出世界上第一臺versata型工業(yè)機器人，到前年底已有全世界已有大約100萬臺工業(yè)機器人投入生產應用。

焊接機器人可大致分為三代：第一代：是指基于示教再現(xiàn)工作方式的焊接機器人，由于其具有操作簡便、不需要環(huán)境模型、示教時可修正機械結構帶來的誤差等特點，在焊接生產中得到大量使用；第二代：是指基于一定傳感器信息的離線編程焊接機器人，得益于焊接傳感器技術和離線編程技術的不斷改進，這類機器人現(xiàn)已進入應用研究的階段；第三代：是指裝有多種傳感器的智能焊接機器人，能根據(jù)客觀環(huán)境自行編程的高度適應性智能焊接機器人。隨著計算機控制技術的不斷進步，使焊接機器人由單一的示教再現(xiàn)型向多傳感、智能化方向發(fā)展將成為科研人員追求的目標。3、焊接機器人分類按是否可移動分為固定式和移動式1、固定式2、移動式類人移動焊接機器人軌道式移動焊接機器人輪式移動焊接機器人3、焊接機器人分類按機械手結構坐標系特點來分，焊接機器人可分為以下幾類1、直角坐標系型2、圓柱坐標系型3、球坐標系型4、全關節(jié)型二、機械臂設計的相關知識機械手的設計是否合理直接關系到其負載能力、速度、工作空間的大小，也直接影響到對其運動學和動力學的分析。（一）機械手設計的依據(jù)及方法主要以任務需求為設計依據(jù)，重點考慮以下幾個因素1、自由度數(shù)目的多少機械手的自由度數(shù)目應該與所要完成的任務相匹配，對于一般的空間焊接，5自由度機械手可滿足要求。

方法：其自由度數(shù)目應≥末端工具需控制的自由度數(shù)。

2、工作空間的大小工作空間是指機械手可達到的一個空間包絡區(qū)域，但也要考慮在作業(yè)運動時的干涉和避障情況。3、負載能力和速度要求機械手的負載能力與其結構尺寸、驅動器的大小和動力傳遞系統(tǒng)直接相關。在許多應用場合，對機械手的速度和加速度提出了較高的要求。

方法：①設計合適的結構尺寸，使機械臂剛性滿足要求。②選擇合適的驅動器和傳動部分

4、重復精度和定位精度在一定程度上，精度主要與制造過程的加工精度和檢測的傳感器精度直接相關。

方法：保證制造過程的加工精度，選擇合適精度的傳感器。（二）機械臂的主要類型和驅動方式（1）一般串聯(lián)型機械臂的設計特點大多數(shù)串聯(lián)型機械臂由定位結構（臂）和定向結構（手腕）組成。

定位機構主要包括肩、肘關節(jié)相應連桿，主要用來確定腕關節(jié)原點在空間的位置。

定向結構又叫腕部機構，一般由2到3個軸線相交的旋轉關節(jié)組成，用來確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。定位機構定向機構（2）機械臂的主要結構類型（指定位結構）1、笛卡爾操作臂（直角坐標操作臂）

特點：關節(jié)1到關節(jié)3都是移動副，且相互垂直，分別對應坐標的X,Y,Z軸。優(yōu)點：因三個關節(jié)是解耦的，從而設計簡單、逆運動學求解容易，避免了前3關節(jié)出現(xiàn)運動學奇異點。缺點：在應用中所有電纜和固定裝置均需“內置”于機器人中。相對與其他類型，工作空間較小。XZY2、柱面坐標型操作臂由一個上下豎直移動、一個前后水平移動和一個饒豎直軸轉動的3個關節(jié)組成。其關節(jié)分布如下圖所示3、SCARA操作臂

特點：有3個平行的旋轉關節(jié)，第4個移動關節(jié)可以使末端執(zhí)行器垂直于工作平面

優(yōu)點：前3個關節(jié)不必支承操作臂或負載的重量、另外在連桿0（座）中便于固定前兩個關節(jié)的驅動器，因此驅動器可做的很大，從而可使機器人快速移動。這類機械臂適合于執(zhí)行平面內的任務。4、鉸鏈（關節(jié)）型機械臂這種類型的機械臂減小了機械手在工作空間的干涉，使整體結構較小，應用最為廣泛。關節(jié)分布：2個“肩”關節(jié)+1個“肘”關節(jié)+2（或3）個腕關節(jié)肩關節(jié)肘關節(jié)腕關節(jié)（3）腕關節(jié)的設計最常見的腕關節(jié)由2或3個正交的旋轉關節(jié)組成，第一個腕關節(jié)通常是操作臂的第四個關節(jié)。

此結構的特點：1、三個正交軸的構形可以確保操作臂到達任意方位（假設沒有關節(jié)角度限制）；2、因三關節(jié)軸相交，具有一個封閉的運動學解。

其結構原理如下：A6A5A4θ4θ5θ6（4）驅動方式的選擇驅動器、減速器和傳動裝置是密切相關的，在設計中必須綜合考慮1、驅動器的選擇用于機械臂的驅動器有液壓缸、氣動驅動器和電動機。液壓和氣動驅動器具有結構緊湊，輸出扭矩大等優(yōu)點，但也存在介質易泄露和不易進行精確控制。一般用于工程機械等中大型機械臂中。電機可控性好，接口簡單。在中小型機械臂上作為驅動器得到廣泛應用。直流電機行星減速器液壓馬達2、減速及傳動系統(tǒng)的選擇齒輪是最常用的減速元件，其結構緊湊、傳動比大。常用的有多級齒輪減速器、行星齒輪減速器和諧波減速器，RV擺線減速器。其中諧波減速器具有減速比大，體積小，無背隙等特點在機器人中得到廣泛應用（5）驅動器的布置

1直接驅動：最直接的辦法是把驅動器布置在所驅動的關節(jié)上。具有設計簡單、控制方便等優(yōu)點。

2間接驅動：大多數(shù)驅動器為高轉速、低扭矩，需安裝減速系統(tǒng)。驅動器和減速器一般都較重，在設計中都會盡量將驅動器和減速器安裝在遠離關節(jié)或靠近基座的地方電機和驅動器盡量安裝在靠近基座的地方通過帶實現(xiàn)傳動使驅動器遠離關節(jié)帶傳動三、課題研制的機器人結構及功能介紹1、課題介紹課題來源：863研究計劃課題研究目標：研制一套具有自主知識產權的面向大范圍作業(yè)的非接觸磁吸附、輪足組合式行走越障自主焊接機器人系統(tǒng)。已有移動焊接機器人存在的問題：

①已有爬行式焊接機器人的行走機構多是磁吸附的輪式或履帶式（或輪履式），不具備越障移動焊接功能；②焊槍運動機構一般設計為十字滑塊結構，沒有柔性位置運動空間，作業(yè)運動中的焊槍姿態(tài)和運動協(xié)調性差，不能滿足角焊縫以及復雜軌跡連續(xù)運動平穩(wěn)性和焊槍姿態(tài)要求。2、機器人結構及功能介紹本機器人主要組成結構1、六輪移動行走機構2、非接觸永磁吸附升降機構及車架3、五自由度機械手4、視覺及多傳感系統(tǒng)5、焊接輔具部分6、控制系統(tǒng)移動機構：6輪組合式行走焊接機械手：5自由度關節(jié)機械手，末端持重3.0kg；吸附方式：非接觸永磁吸附；雙目視覺傳感器：（云臺未畫出）用于焊接環(huán)境或過程信息獲取車架2、機器人結構及功能介紹其他主要技術指標：移動速度：0～2000mm/min；焊接速度：200~800mm/min爬壁負重能力：不小于300N；越障能力：60mm×60mm；外形尺寸：約長680mm寬450mm高400mm；機械手工作空間：左右×上下×前后=1000×600×300mm。動力系統(tǒng)：采用直流伺服驅動主要傳感器：CCD視覺傳感器：用于作業(yè)環(huán)境、障礙物等圖像信息獲取超聲波傳感器：用于障礙物檢測紅外測距傳感器：用于障礙物距離檢測編碼器：用于電機轉速及測量3、本機器人的主要特點1、采用非接觸磁吸附，可在鋼、鐵質材料上水平、垂直壁面上運動，實現(xiàn)焊接作業(yè)。2、因采用輪足組合機構，具有較好的越障能力。3、設計了5自由度機械手，柔性把持焊槍，能夠適應和完成更為復雜的焊接任務。4、運用視覺驅動和智能控制等方法，機器人具有環(huán)境識別、焊接任務規(guī)劃、焊縫跟蹤等功能。可實現(xiàn)遙操作和自主焊接等功能。四、五自由度機械臂設計案例分析（一）機械臂結構的選擇根據(jù)機器人主要是用于空間焊接，擬選用鉸鏈（關節(jié)）型機械臂。（二）自由度數(shù)目在焊接作業(yè)時，饒焊絲軸線的旋轉是不要求控制，因此5自由度機械手可滿足焊接作業(yè)要求。關節(jié)具體分布為：2個肩部關節(jié)+1個肘關節(jié)+2個腕關節(jié)（三）驅動器、減速器類型選擇

此項目中設計的為小型機械臂，而且對位置、速度控制要求較高，因此驅動器選用直流伺服電機，減速器選用諧波減速器，這樣可滿足精確位置控制的要求。150mm180mm250mm80mm（四）各臂連桿的長度機械手要求工作空間：

左右×上下×前后=1000mm×600mm×300mm因實際的工作空間指的是工具（焊槍）的工作空間，因此初步計劃：臂一長150mm,臂二長180mm，臂三長250mm,焊槍夾具中心到腕部中心的距離80mm（五）各關節(jié)扭矩的計算其中:末端持重G=30N,臂一g1=10N，臂二g2=10N，臂三g3=15NGg3g2g1肩關節(jié)A1肩關節(jié)A2肘關節(jié)A3腕關節(jié)A4,A5序號關節(jié)A1關節(jié)A2關節(jié)A3關節(jié)A4關節(jié)A5所需扭矩T（Nm）302111.52.52.5（六）驅動器及減速器選型驅動器、減速和傳動系統(tǒng)必須綜合考慮選擇驅動器和減速器的計算公式如下：T×s≥T電機×n×η其中T----所需扭矩，s----安全系數(shù)，η----傳動系統(tǒng)效率T電機-----電機輸出扭矩，n-----減速傳動比當然還需考慮電機轉速是否滿足關節(jié)轉速需求。根據(jù)計算，驅動器、減速器型號選擇如下：關節(jié)序號電機型號第一級行星減速器第二級諧波減速器型號要求轉矩輸出轉矩安全系數(shù)關節(jié)轉速136SYK62-48VP36HA減速比：1：6XB1-50-12530Nm42.5Nm1.4240.7°/s236SYK62-48VP36HA減速比：1：6XB1-50-10021Nm33.6Nm1.651°/s336SYK62-48VP36HA減速比：1：4XB1-40-10011.5Nm17Nm1.4763.75°/s428SYK43-24VP28HA減速比：1：16XB3-32-802.5Nm3.5Nm1.434°/s528SYK43-24VP28HA減速比：1：5.5XB3-32-642.5Nm4.5Nm1.836°/s（七）驅動器布置及傳動為了減小關節(jié)所需力矩和臂的體積，在設計中盡量將驅動器和減速器安裝在遠離關節(jié)或靠近基座的地方。本機械臂的驅動器布置及傳動方案如下圖：（八）其他計算和需考慮的因素1、臂的強度和剛度計算在方案設計和工程圖設計過程中，需對臂的強度和剛度進行計算和校核，在滿足要求的情況下，盡量使機械臂結構小巧、重量輕量。2、齒輪和減速器的潤滑問題因為齒輪和減速器大多是高速輸入、低速輸出，因此在設計中需考慮減速系統(tǒng)的潤滑問題。3、機械臂的外觀設計機械設計不但是一個工程問題，同時也是一個藝術設計問題，一個好設計既是一個滿足功能要求產品，也是一個藝術品。設計效果圖工業(yè)機械臂內部圖片五、機械手數(shù)學建模下面對在我們項目中設計的機械臂進行數(shù)學建模步驟一、分析機械臂的結構，找出各關節(jié)軸，并標出這些軸線軸1軸2軸3軸4軸5五、機械手數(shù)學建模步驟二、找出各關節(jié)軸i和i+1之間的公垂線或交點，確定個連桿坐標系（i）的原點步驟三、確定各坐標系Z軸及指向Z1Z2Z3Z4Z5步驟四、確定各坐標系X軸及指向步驟五、按右手定則確定各坐標系的Y軸步驟六、確定首末連接坐標系各連桿坐標系建立如下Z0，Z1X1Z2X2Z3X3Z5X5Z4X4六、機械手運動學分析運動學分析的目的是通過建立機械臂的數(shù)學模型，建立末關節(jié)機械臂座或目標坐標系的數(shù)學關系。通過前面對機械臂的分析建立了臂各連桿的坐標系，下面通過D-H參數(shù)法建立整個機械臂的運動學求解和分析方程。1、機械臂連桿D-H參數(shù)表連桿i連桿長度ai-1連桿轉角αi-1連桿偏距di連桿夾角θi1000θ12150mm-90度0θ23180mm00θ34250mm00θ450-90度0θ52、求出各連桿變換矩陣根據(jù)連桿變換矩陣公式：可得各連桿變換矩陣公式如下：3、求出機械臂運動學基本方程根據(jù)前面得到的各連桿變換矩陣，可得5個連桿坐標系的變換矩陣乘積可以建立對應的如下12個方程：符號說明:s1表示，c1表示其他依次類推驅動器和減速器參考選擇公司1、直流伺服驅動maxon電機及行星減速器：(國外）saeg電機及行星減速器：(國產）2、交流伺服驅動交流伺服電機，減速器、電機驅動器等可選安川電機3、諧波減速器

諧波減速器最好選“三組件”形式的，這樣設計的機械臂相對較小。七、雅可比矩陣的計算機器人學中雅可比矩陣的一般形式：其中表示雅可比矩陣，表示操作臂的末端速度，表示關節(jié)速度。因此雅可比矩陣是關節(jié)速度和末端執(zhí)行器速度之間的變換關系。作用：1、根