焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析及軌跡優(yōu)化

張茜 黃文靜 高南

摘 要：本項(xiàng)目的主要任務(wù)是提高焊接機(jī)器人的焊接品質(zhì)。在分析國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)上， 首先建立六自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，接著對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人的平滑軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行研究，找到一種適用于各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的調(diào)速曲線。利用此文的優(yōu)化方案，使六自由度焊接機(jī)器人的焊接軌跡更加平滑，提高了焊接質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人；六自由度；機(jī)器人運(yùn)動(dòng)分析

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型建立

1.1 六自由度焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

六自由度焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)與機(jī)器人各關(guān)節(jié)角度之間的關(guān)系是非線性的，基于此，Denavit和Hartenberg提出了一種表示機(jī)器人坐標(biāo)系的通用約定，稱為D-H運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。該約定采用四參數(shù)確定一個(gè)坐標(biāo)系相對(duì)于另一坐標(biāo)系的位姿。這4 個(gè)參數(shù)分別是：連桿長(zhǎng)度ai，桿扭轉(zhuǎn)角αi，關(guān)節(jié)偏移量di，關(guān)節(jié)角θi

1.2 正向運(yùn)動(dòng)學(xué)

機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)是在給定關(guān)節(jié)位置和桿件幾何參數(shù)的情況下，求解末端執(zhí)行器相對(duì)固定參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，按照D-H桿件坐標(biāo)系規(guī)則建立如圖2六自由度機(jī)器人連桿坐標(biāo)系模型。

設(shè)i-1Tii-1Ti表示i坐標(biāo)系相對(duì)于i-1坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)，對(duì)于六自由度機(jī)器人，可以得到機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿相對(duì)于固定參考坐標(biāo)系的變換矩陣：

已知機(jī)器人的六個(gè)關(guān)節(jié)角矢量，代入式2，可以求出末端執(zhí)行器相對(duì)參考坐標(biāo)系或者任意其他變化得來的坐標(biāo)系的位置姿態(tài)。

1.3 逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)

在求解逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)時(shí)一般采用封閉解法，效率和可靠性較高。六自由度機(jī)器人具有逆運(yùn)動(dòng)學(xué)閉式解的充分條件為：①三個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)的軸線相交于一點(diǎn)，如球面式腕部。②三個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)式關(guān)節(jié)的軸線平行。 本文采用代數(shù)法來進(jìn)行求解：一種常用的策略是簡(jiǎn)化為單變量的超越方程，如

2 基于目標(biāo)距離的六自由度機(jī)器人軌跡算法研究

2.1 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，需要研究機(jī)器人在關(guān)節(jié)空間和任務(wù)空間中的插補(bǔ)以及軌跡生成方法，找到既不能對(duì)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)有所損耗、又要能保證高效的完成規(guī)劃路徑的軌跡規(guī)劃算法。

本課題采用了以目標(biāo)距離為原則的調(diào)速方式。目標(biāo)距離值的確定：當(dāng)焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)末端與焊點(diǎn)之間的距離大于機(jī)器人主控器所能傳遞的最大距離值時(shí)，則目標(biāo)距離值等于最大距離值。當(dāng)焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)關(guān)節(jié)末端與焊點(diǎn)之間的距離小于機(jī)器人主控器所能傳遞的最大距離值時(shí)，則目標(biāo)距離值等于此距離值。

2.2 機(jī)械臂調(diào)速曲線的3種形式

焊接機(jī)器人工作時(shí)，根據(jù)機(jī)械臂末端與焊點(diǎn)的距離遠(yuǎn)近，可以劃分為三種不同的機(jī)械臂調(diào)速曲線，分別是下圖的Curve-0、Curve-1、Curve-2。三種曲線均為理想速度曲線。

當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行焊接任務(wù)時(shí)，首先計(jì)算機(jī)械臂末端到目標(biāo)距離（焊點(diǎn)）的距離。機(jī)械臂啟動(dòng)、停止所運(yùn)行的最短距離記為L(zhǎng)0，最大速度記為V0，則當(dāng)需要移動(dòng)的距離L

參考文獻(xiàn)：

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[2]高亞軍.六自由度機(jī)器人平滑軌跡規(guī)劃與控仿一體化系統(tǒng)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué)，2014.