CN103692433B - 可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人及其解耦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人及其解耦方法，该焊接机器人包括平移行走机构以及可在平移行走机构上按一定轨迹行走的机械手臂，该机械手臂为三臂杆五自由度机构。大范围的平移机构可以满足焊接大尺度工件的需要；而三臂杆五自由度机构手臂可以进一步解耦成“两臂杆的三角运动”模型以及“一臂杆球状运动”模型的叠加，从而可以简化运动学求逆的方法，可以避免多解性，提高了计算速度，消灭了焊接机器人焊枪运动姿态盲点，可以使焊接机器人在完全开发的情况进行工作。

Description

可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人及其解耦方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机器人，尤指一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人及其解耦方法。

背景技术

焊接机器人技术是集机械与装备技术、电子与通讯技术、计算机科学、控制工程、传感器技术、人工智能、仿生学等学科为一体的综合技术，代表国家的综合科技实力。每一台焊接机器人，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产尖端品。

汽车、造船、工程机械以及五金加工等行业是焊接机器人应用较为集中的市场，其它行业也有迅速扩散的趋势。

早期研制的机器人大多采用遥控式，移动平台和机械手臂都是由操作员来进行操作和控制的，上世纪80年代后期，由于新的控制方法、控制结构和控制思想的出现，研究人员开始研究具有一定自主能力的移动机器人，它可在操作人员的监视下自主运动，能进行有限的导航功能。到了90年代，一些机器人逐渐向自主移动型发展，即依靠自身的智能自主导航，独立完成各种轨迹规划任务。但都不具备象人一样，在完全开放的环境下，观察环境状况、观测目标位置坐标，分析判断、智能自主完成任务的功能。究其原因:主要是以前的焊接机器人，不能实时反馈现场的变化，只能沿着规划的固定轨迹移动，按照预先给定的金属填充量进行焊接作业，而绝大部分的加工企业都不能保证工件尺寸、卡具是精准的。

因此在开放环境下，依据被焊接工件的现场位置、尺寸、立体形状的施焊目标，成为焊接机器人必须解决的问题。而解决这个问题的关键技术在于：①在开放环境下，能够观测到被焊接工件焊缝的实时空间位置，现在每个单一传感器都不能完全胜任这项工作，必须采用多传感器数据融合技术完成，此方面另行论述。②焊接机器人在开放工况下，能够到达工件焊缝的实时空间位置，也就是说：焊接机器人在焊缝三维（X，Y，Z）内处处可控，且速度要快。

目前国内外市场均沿用六自由度焊接机器人结构，该种机器人的致命缺点是运动学的逆问题必需通过求逆运动学齐次矩阵获得，运算速度慢、且多解，特别是当齐次转移矩阵奇异时，运动学的逆问题无解，也就是说，六自由度焊接机器人结构，在开放环境下使用，是存在盲点的，且在盲点附近运动学的逆问题求解精度也会大为降低。因此目前市场上的三臂杆六自由度焊接机器人只能采用机器人示教盒模式工作，示教是指由人工导引机器人末端执行器（如焊枪等），来使机器人完成预期的动作，获得示教程序，机器人再现示教程序，按照之前示教的轨迹运动。所以，以示教模式工作的机器人，只能在预定的轨迹内运动，而不能在开放环境下工作。所以焊接机器人在中厚板焊接过程中，由于强弧光、高温、烟尘以及工件误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等因素的影响下，经常出现焊偏及误动作等现象。这也是目前三臂杆六自由度焊接机器人不能广泛应用于工业的瓶颈所在。

本案发明人通过长期观察焊接机器人的工作模式，焊接机器人在轨迹规划时，焊枪总是要求垂直对准焊接表面，并且焊接过程要求不抖动，通常焊枪只是沿着焊缝一个方向大范围移动，在焊缝上、下、左、右、拉、伸方向移动较小。因此本发明人想到，能否将机器人的各自由度进行分解，简化运算程序，这样即可解决现有运动学求逆方法带来的多解或无解问题，本案由此而产生。

发明内容

本发明所要解决的是现有焊接机器人运动学求逆方法带来的多解或无解的技术问题，从而提供一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人及其解耦方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是：

一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人，包括平移行走机构以及可在平移行走机构上按一定轨迹行走的机械手臂，该机械手臂为三臂杆五自由度机构。

所述机械手臂包括基座以及五个旋转装置，其中第一旋转装置直接安装在所述基座上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置为转动自由度、第二、三旋转装置为俯仰自由度、第四旋转装置为转动自由度、第五旋转装置为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆，第三、五自由度之间构成第二臂杆，第五自由度到末端构成第三臂杆，从而构成三臂杆五自由度机构。

所述的五个旋转装置的具体结构均相同，其包括伺服电机、电机自带的增量编码器、用于固定电机的固定板、与电机输出轴联接的转接轴以及安装在该转接轴末端的绝对编码器，该绝对编码器通过L形安装板进行固定，而该L形安装板则固定在所述固定板上，所述的转接轴上还安装有活动板；各旋转装置通过共用固定板或者活动板、或者相邻装置的固定板与活动板连接，以实现各连接装置的连接。

所述平移行走机构的行走轨迹与焊缝的轨迹保持平行。

所述的平移行走机构包括底座、安装在底座上的导轨组件、可以在导轨组件上移动的底板，分别安装在底座上及底板上的相互啮合的齿条及齿轮以及可带动齿轮旋转的电机。

所述的平移行走机构还包括用以限定底板平移量的限位装置。

所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人的解耦方法，包括如下步骤：

（1）首先将焊接机器人解耦成一个可沿轨迹平移的“大范围平移”模型以及一个“三臂五自由度机械手臂”模型；

（2）对于三臂杆五自由度机械手臂，假设焊接表面与第一自由度的坐标系｛1｝下的x₁y₁平面平行，也就是说，第三臂杆与第一自由度的始终平行，这样第四自由度的关节角θ₄即为0；同时限位第三自由度的关节角θ₃大于0；

（3）通过步骤（2）的处理，即可通过三角几何运算，通过焊接末端位置坐标以及三个臂杆的杆长计算出第一、第二及第三自由度的关节角θ₁、θ₂、θ₃，并由θ₂和θ₃计算得出第五自由度的关节角θ₅；

（4）当焊接表面不与第一自由度的坐标系｛1｝下的x₁y₁平面平行时，改变，并使 ，使焊接末端对准焊接表面，将步骤（3）计算而得的减去一个Δ，Δ，这样第三臂杆相当于在半球的下方运动，称之为一臂杆球状运动；这样，所述的三臂杆五自由度机构手臂就被解耦为“两臂杆的三角运动”模型以及“一臂杆球状运动”模型的叠加；

（5）通过上述步骤（2）至步骤（4）求得末端姿态对应的关节角变量，再由5个伺服电机联动控制到位就可以实现焊接工作。

所述步骤（4）中，在一次焊接过程中，与Δ一直保持不变，也就是保持焊枪始终垂直对准焊接表面。

采用上述方案后，本发明所述的焊接机器人首先通过机构设置而解耦成可沿轨迹平移的“大范围平移”模型以及“三臂五自由度机械手臂”模型；而“三臂杆五自由度机械手臂”又解耦成“两臂杆的三角运动”模型和“一臂杆球状运动”模型的叠加。其中：“两臂杆的三角运动”模型可以采用几何计算求解运动学的逆问题，避免了多解性，提高了计算速度，消灭了焊接机器人焊枪运动姿态盲点，简化了机器人在焊接行走过程中，圆弧填充策略运动机构的运动副。而“一臂杆球状运动”模型与“大范围平移行走”模型相对于“两臂杆的三角运动”模型只是简单的平移关系。且“一臂杆球状运动”可以使得焊枪尽量保持一个姿态，并垂直对准焊接表面。这样就能够实现符合人类焊接习惯的“联动操作”模式，即在欧式三维空间（x，y，z）内，实现焊枪的上、下、左、右、拉、伸操作，无需示教，可在完全开放的环境下，智能、类人、实时地纠正焊枪偏离焊缝微小的轨迹偏差。而焊接机器人大范围平移机构，用以满足焊接大尺度工件的需要。从而根本上解决了焊接机器人在焊缝三维（X，Y，Z）空间内处处可控的问题，且实时速度大大加快。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的左视图；

图5是本发明所述平移行走机构的主视图；

图6是本发明所述平移行走机构的俯视图；

图7是本发明所述平移行走机构的左视图；

图8是本发明所述机械手臂的主视图；

图9是本发明所述机械手臂的俯视图；

图10是本发明所述机械手臂的左视图；

图10A是图10的局部放大图；

图11是本发明所述机构示意图以及各自由度笛卡尔坐标系；

图12是本发明所述机构焊接末端位置姿态对应坐标示意图；

图13是本发明所述一臂杆球状运动的模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

本发明所揭示的是一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人，如图1至图10所示，为本发明的较佳实施例。所述的焊接机器人包括平移行走机构1以及可在平移行走机构1上按一定轨迹行走的机械手臂2，该机械手臂2为三臂杆五自由度机构。其中：

所述的平移行走机构1是一个可以沿一定轨迹大范围平移的机构，其可以采用多种结构形式，例如电机带动滚珠丝杠的结构。本实施例中，该平移行走机构1主要包括底座11、安装在底座11上的导轨组件12、可以在导轨组件12上移动的底板13，分别安装在底座11上及底板13上的相互啮合的齿条14及齿轮15以及可带动齿轮15旋转的电机17。其还可以进一步包括用以限定底板13平移量的限位装置18。

所述机械手臂2的具体结构可以为：其包括固定在所述底板13上的基座21以及五个旋转装置，其中第一旋转装置22直接安装在所述基座21上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置22为转动自由度、第二、三旋转装置23、24为俯仰自由度、第四旋转装置25为转动自由度、第五旋转装置26为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆L₁，第三、五自由度之间构成第二臂杆L₂，第五自由度到末端构成第三臂杆L₃，从而构成三臂杆五轴自由度机构。

所述的五个旋转装置的具体结构可以都相同，以下以第二旋转装置23为例进行说明，如图10A所示，所述的第二旋转装置23包括伺服电机231、电机自带的增量编码器232、用于固定电机的固定板233、与电机输出轴联接的转接轴234以及安装在该转接轴末端的绝对编码器235，该绝对编码器235通过L形安装板236进行固定，而该L形安装板236则固定在所述固定板233上，所述的转接轴234上还安装有活动板237。各旋转装置通过共用固定板或者活动板、或者相邻装置的固定板与活动板连接，实现各自由度的连接。这种内置增量编码器与外置绝对编码器的双编码器设计方式，可以实现真正的电流环、速度环与位置环的三闭环控制，定位更为精准，可以有效克服电机传动机构间隙的干扰。

如图11所示：把本发明所述三臂杆五自由度平移焊接机器人分别按6个笛卡尔坐标系定义｛i｝，，显然平移即｛0｝坐标系只有一个方向大范围平移，因此只要在｛1｝坐标系中，让反方向平移焊接机器人即可。这样，三臂杆五自由度平移焊接机器人的运动学正问题，只考虑三臂杆五自由度机械手臂映射变换就行，也就是说其被解耦为一个可大范围平移的行走机构及一个三臂杆五自由度机械手臂。

而三臂杆五自由度机械手臂末端位置姿态可由5个独立变量来描述，其中θ₁至θ₅是相应自由度的关节角，如果该三臂杆五自由度焊接机器人采用传统方法运算，则其运动学正问题可由Denavit-Hartenberg方法描述的机械臂运动学正问题方程公式（即式1）变换。

（1）

假设焊接机器人三臂杆五自由度机械手臂各臂杆参数如表1所示：

表1 焊接机器人三臂杆五自由度机械手臂臂杆参数

连杆序号	(mm)		(mm)		关节变量
						1	0	0	0
2	0	-90	0
						3	480	0	0
4	0	0	480
						5	0	-90	280

利用表1焊接机器人三臂杆五自由度机械手臂臂杆参数，可算出各连杆变换矩阵如下：

若对五自由度焊接机器人的运动学正问题方程（式1）反向求解，即可以求得给定某一焊接机器人末端位置姿态对应的关节变量，这种运动学逆问题求解必需通过对各臂杆变换矩阵求逆获得，不但运算速度慢、且多解，特别是当齐次转移矩阵奇异时，运动学的逆问题无解，也就是说，直接对五自由度焊接机器人的运动学正问题方程（式1）求逆，获得关节变量的方法依然不行。如何解决这一难题成为本发明的关键技术。

以下具体进行说明：

如图12所示，同样的，本发明所述的焊接机器人平移行走机构｛0｝坐标系只有一个方向大范围平移，因此只要在｛1｝坐标系中让反方向平移焊接机器人相应的平移长度即可。也就是被解耦为一个可大范围平移的行走机构及一个三臂杆五自由度机械手臂。

对于三臂杆五自由度机械手臂，在笛卡尔坐标系｛1｝下，看给定焊接机器人末端位置姿态对应坐标{x_p，y_p，z_p}，焊接机器人的运动轨迹在焊接过程要求不抖动，且始终保持焊枪垂直对准焊接表面的，则可以假设，第五自由度的坐标{x_B，y_B，z_B}与焊接点对应坐标{x_p，y_p，z_p}只是在笛卡尔坐标系｛1｝下的方向平移一个第三臂杆的杆长，也就是说，与始终平行，这样θ₄即为0。

同时，所述三臂杆五自由度平移焊接机器人在设计时，通过限位机构使关节角大于0，也就是说，本发明焊接机器人三臂杆五自由度机械手臂不可能出现如图12所示虚线对应的焊接末端位置姿态。

通过上述两条处理，就把期望的焊点P对应的焊接机器人三臂杆姿态固定下来，其一一对应的三角几何关系如图12所示。

由三角几何运算，则有：=；

=--

-

0；

-- （2）

其中：、、、、分别是的五自由度机械臂关节角，=480mm、=480mm、=280mm分别是三臂杆的连杆长度。

应用（2）式的几何计算，解决了三臂杆五自由度平移焊接机器人的逆运动学求解的难题。假设给定焊接机器人末端位置（x；y；z），由（2）式的几何计算，即可以快速求得姿态对应的关节角变量，且一一对应。只要把5个位置伺服电机控制到该关节变量，焊接机器人焊枪就到达预期末端位置点。

假使让焊接机器人像人一样工作，既是控制焊枪在欧式三维（x，y，z）空间内上、下、左、右、拉、伸操作，也只是让焊接机器人在笛卡尔坐标系｛1｝下，按某一焊接机器人末端位置，由（2）式的几何计算，求得姿态对应的关节角变量，再由5个位置伺服电机联动控制到位就可以实现。该种“联动操作”模式符合人类焊接习惯。

参见图12所示，由于0，虽然是关节变量，但是始终保持臂杆与平行，这样的焊枪姿态在焊接过程中，一直保持不变，相当于焊枪始终垂直对准焊接表面。但是，对于实际的焊接工况并不是焊接表面总是与坐标系｛1｝下的平面平行，这时可以改变 ，使焊枪垂直对准焊接表面。特别是在角焊时，焊枪还要在俯仰方向抬头一定角度，这时可以在计算好的关节变量下，减少一个Δ。显然为保证焊枪不抖动，要求在一次焊接过程中，与Δ一直保持不变。

在图12所示，0，关节变量的基础条件下， ；附加关节变量上，减少一个Δ的空间示意图如图13所示，因为与Δ在对应取值范围内，正好像臂杆在半球的下方运动，因此称之为“一臂杆球状运动的模型”。这样，所述的三臂杆五自由度机构手臂就被解耦为两臂杆的三角运动以及一臂杆球状运动。

而“一臂杆球状运动的模型”的几何对应关系为：

=x-

=y-

=z-

其中：、、表示；“两臂杆的三角运动”模型的末端终点坐标；x、y、z表示：“一臂杆球状运动”模型的末端终点坐标。

焊接机器人在中、厚板焊接过程中，为了增加焊缝填充量要让焊枪摆动前行，采用“可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人”的机构，在焊枪摆动前行时，可以让大范围平移机构完成前行，让关节变量做圆弧摆动，简化了机器人在焊接机器人行走过程中，圆弧填充策略运动机构的运动副。

通过上述分析，可得本发明所述的三臂杆五自由度平移焊接机器人的解耦方法如下：

（1）首先将焊接机器人解耦成一个可沿轨迹平移的“大范围平移”模型以及一个“三臂五自由度机械手臂”模型；而该平移行走机构1的坐标系｛0｝由于只有一个方向大范围平移，因此其在三臂五自由度机构手臂的第一自由度坐标系｛1｝中让反方向平移即可；

需要说明的是，如果焊接的焊缝并不是一条直线，而是弧线或者是圆，则所述的平移行走机构1的行走轨迹也可设置成弧形或者环形，也就是说，该平移行走机构1的行走轨迹与焊缝的轨迹保持平行；此种结构，虽然坐标系｛1｝与坐标系｛0｝并不是反方向平移那么简单，但是也只是简单的平移关系，计算方便快速。

（2）对于三臂杆五自由度机械手臂，假设焊接表面与第一自由度的坐标系｛1｝下的x₁y₁平面平行，也就是说，第三臂杆与第一自由度的始终平行，这样第四自由度的关节角θ₄即为0；同时限位第三自由度的关节角θ₃大于0。

（3）通过步骤（2）的处理，即可通过三角几何运算，通过焊接末端位置坐标以及三个臂杆的杆长计算出第一、第二及第三自由度的关节角θ₁、θ₂、θ₃，并由θ₂和θ₃计算得出第五自由度的关节角θ₅。

（4）当焊接表面不与第一自由度的坐标系｛1｝下的x₁y₁平面平行时，改变，并使 ，使焊接末端对准焊接表面，将步骤（3）计算而得的减去一个Δ，Δ，且为保证焊枪不抖动，在一次焊接过程中，与Δ一直保持不变，这样第三臂杆相当于在半球的下方运动，称之为一臂杆球状运动；这样，所述的三臂杆五自由度机构手臂就被解耦为“两臂杆的三角运动”模型以及“一臂杆球状运动”模型的叠加。

（5）通过上述步骤（2）至步骤（4）求得末端姿态对应的关节角变量，再由5个伺服电机联动控制到位就可以实现焊接工作。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故但凡依本发明的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本发明专利涵盖的范围之内。

Claims (2)

1.一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人的解耦方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)首先将焊接机器人解耦成一个可沿轨迹平移的“大范围平移”模型以及一个“三臂杆五自由度机械手臂”模型；

(2)对于三臂杆五自由度机械手臂，其包括基座以及五个旋转装置，五个旋转装置分别为第一至第五自由度，其中第一旋转装置直接安装在所述基座上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置为转动自由度、第二、三旋转装置为俯仰自由度、第四旋转装置为转动自由度、第五旋转装置为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆，第三、五自由度之间构成第二臂杆，第五自由度到末端构成第三臂杆；假设焊接表面与第一自由度的坐标系{1}下的x₁y₁平面平行，也就是说，第三臂杆L₃与第一自由度的z₁始终平行，这样第四自由度的关节角θ₄即为0；同时限位第三自由度的关节角θ₃大于0；

(3)通过步骤(2)的处理，即可通过三角几何运算，通过焊接末端位置坐标以及三个臂杆的杆长计算出第一、第二及第三自由度的关节角θ₁、θ₂、θ₃，并由θ₂和θ₃计算得出第五自由度的关节角θ₅；

(4)当焊接表面不与第一自由度的坐标系{1}下的x₁y₁平面平行时，改变θ₄，并使θ₄∈-90°→+90°，使焊接末端对准焊接表面，将步骤(3)计算而得的θ₅减去一个Δ，Δ∈0→+90°，这样第三臂杆L₃相当于在半球的下方运动，称之为一臂杆球状运动；这样，所述的三臂杆五自由度机构手臂就被解耦为“两臂杆的三角运动”模型以及“一臂杆球状运动”模型的叠加；

(5)通过上述步骤(2)至步骤(4)求得末端姿态对应的关节角变量，再由5个伺服电机联动控制到位就可以实现焊接工作。

2.根据权利要求1所述的可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人的解耦方法，其特征在于：所述步骤(4)中，在一次焊接过程中，θ₄与Δ一直保持不变，也就是保持焊枪始终垂直对准焊接表面。