智能移动焊接机器人设计案例及分析

智能移动焊接机器人设计案例及分析一、焊接机器人知识简介二、机械臂设计的相关知识三、课题研制的机器人结构及功能介绍四、五自由度机械手的结构设计五、机械手数学建模六、机械手运动学分析七、雅可比矩阵的计算一、焊接机器人知识简介

目前的工业机器人主要是焊接焊接机器人的，器其占机器人总数的70%以上。焊接机器人视频1、焊接机器人在工业中应用1焊接机器人知识简介焊接的重要性：焊接是制造业中最重要的工艺技术之一。它在机械制造、核工业、航空航天、能源交通、石油化工及建筑和电子等行业中的应用越来越广泛。传统的手工焊接的缺点：传统手工焊接为人工作业，虽然具有人智能性高、灵活性和适应好的优点；但也同时具有工人培训和人工费用高昂、焊接质量不稳定、重复性差的缺点。已不适应现代工业大规模生产的要求，也不能满足现代高技术产品制造的质量、数量要求。

机器人焊接的必然：随着电子技术、计算机技术的发展为机器人焊提供了十分有利的技术基础，并已渗透到焊接各领域中，近30年来，在机器人自动焊接技术方面已取得了许多研究和应用成果，从21世纪先进制造技术的发展要求看，机器人焊接自动化生产已是必然趋势。2、机器人焊接发展概况自1962年型和年美国unimate推出世界上第一台versata型工业机器人，到前年底已有全世界已有大约100万台工业机器人投入生产应用。

焊接机器人可大致分为三代：第一代：是指基于示教再现工作方式的焊接机器人，由于其具有操作简便、不需要环境模型、示教时可修正机械结构带来的误差等特点，在焊接生产中得到大量使用；第二代：是指基于一定传感器信息的离线编程焊接机器人，得益于焊接传感器技术和离线编程技术的不断改进，这类机器人现已进入应用研究的阶段；第三代：是指装有多种传感器的智能焊接机器人，能根据客观环境自行编程的高度适应性智能焊接机器人。随着计算机控制技术的不断进步，使焊接机器人由单一的示教再现型向多传感、智能化方向发展将成为科研人员追求的目标。3、焊接机器人分类按是否可移动分为固定式和移动式1、固定式2、移动式类人移动焊接机器人轨道式移动焊接机器人轮式移动焊接机器人3、焊接机器人分类按机械手结构坐标系特点来分，焊接机器人可分为以下几类1、直角坐标系型2、圆柱坐标系型3、球坐标系型4、全关节型二、机械臂设计的相关知识机械手的设计是否合理直接关系到其负载能力、速度、工作空间的大小，也直接影响到对其运动学和动力学的分析。（一）机械手设计的依据及方法主要以任务需求为设计依据，重点考虑以下几个因素1、自由度数目的多少机械手的自由度数目应该与所要完成的任务相匹配，对于一般的空间焊接，5自由度机械手可满足要求。

方法：其自由度数目应≥末端工具需控制的自由度数。

2、工作空间的大小工作空间是指机械手可达到的一个空间包络区域，但也要考虑在作业运动时的干涉和避障情况。3、负载能力和速度要求机械手的负载能力与其结构尺寸、驱动器的大小和动力传递系统直接相关。在许多应用场合，对机械手的速度和加速度提出了较高的要求。

方法：①设计合适的结构尺寸，使机械臂刚性满足要求。②选择合适的驱动器和传动部分

4、重复精度和定位精度在一定程度上，精度主要与制造过程的加工精度和检测的传感器精度直接相关。

方法：保证制造过程的加工精度，选择合适精度的传感器。（二）机械臂的主要类型和驱动方式（1）一般串联型机械臂的设计特点大多数串联型机械臂由定位结构（臂）和定向结构（手腕）组成。

定位机构主要包括肩、肘关节相应连杆，主要用来确定腕关节原点在空间的位置。

定向结构又叫腕部机构，一般由2到3个轴线相交的旋转关节组成，用来确定末端执行器的姿态。定位机构定向机构（2）机械臂的主要结构类型（指定位结构）1、笛卡尔操作臂（直角坐标操作臂）

特点：关节1到关节3都是移动副，且相互垂直，分别对应坐标的X,Y,Z轴。优点：因三个关节是解耦的，从而设计简单、逆运动学求解容易，避免了前3关节出现运动学奇异点。缺点：在应用中所有电缆和固定装置均需“内置”于机器人中。相对与其他类型，工作空间较小。XZY2、柱面坐标型操作臂由一个上下竖直移动、一个前后水平移动和一个饶竖直轴转动的3个关节组成。其关节分布如下图所示3、SCARA操作臂

特点：有3个平行的旋转关节，第4个移动关节可以使末端执行器垂直于工作平面

优点：前3个关节不必支承操作臂或负载的重量、另外在连杆0（座）中便于固定前两个关节的驱动器，因此驱动器可做的很大，从而可使机器人快速移动。这类机械臂适合于执行平面内的任务。4、铰链（关节）型机械臂这种类型的机械臂减小了机械手在工作空间的干涉，使整体结构较小，应用最为广泛。关节分布：2个“肩”关节+1个“肘”关节+2（或3）个腕关节肩关节肘关节腕关节（3）腕关节的设计最常见的腕关节由2或3个正交的旋转关节组成，第一个腕关节通常是操作臂的第四个关节。

此结构的特点：1、三个正交轴的构形可以确保操作臂到达任意方位（假设没有关节角度限制）；2、因三关节轴相交，具有一个封闭的运动学解。

其结构原理如下：A6A5A4θ4θ5θ6（4）驱动方式的选择驱动器、减速器和传动装置是密切相关的，在设计中必须综合考虑1、驱动器的选择用于机械臂的驱动器有液压缸、气动驱动器和电动机。液压和气动驱动器具有结构紧凑，输出扭矩大等优点，但也存在介质易泄露和不易进行精确控制。一般用于工程机械等中大型机械臂中。电机可控性好，接口简单。在中小型机械臂上作为驱动器得到广泛应用。直流电机行星减速器液压马达2、减速及传动系统的选择齿轮是最常用的减速元件，其结构紧凑、传动比大。常用的有多级齿轮减速器、行星齿轮减速器和谐波减速器，RV摆线减速器。其中谐波减速器具有减速比大，体积小，无背隙等特点在机器人中得到广泛应用（5）驱动器的布置

1直接驱动：最直接的办法是把驱动器布置在所驱动的关节上。具有设计简单、控制方便等优点。

2间接驱动：大多数驱动器为高转速、低扭矩，需安装减速系统。驱动器和减速器一般都较重，在设计中都会尽量将驱动器和减速器安装在远离关节或靠近基座的地方电机和驱动器尽量安装在靠近基座的地方通过带实现传动使驱动器远离关节带传动三、课题研制的机器人结构及功能介绍1、课题介绍课题来源：863研究计划课题研究目标：研制一套具有自主知识产权的面向大范围作业的非接触磁吸附、轮足组合式行走越障自主焊接机器人系统。已有移动焊接机器人存在的问题：

①已有爬行式焊接机器人的行走机构多是磁吸附的轮式或履带式（或轮履式），不具备越障移动焊接功能；②焊枪运动机构一般设计为十字滑块结构，没有柔性位置运动空间，作业运动中的焊枪姿态和运动协调性差，不能满足角焊缝以及复杂轨迹连续运动平稳性和焊枪姿态要求。2、机器人结构及功能介绍本机器人主要组成结构1、六轮移动行走机构2、非接触永磁吸附升降机构及车架3、五自由度机械手4、视觉及多传感系统5、焊接辅具部分6、控制系统移动机构：6轮组合式行走焊接机械手：5自由度关节机械手，末端持重3.0kg；吸附方式：非接触永磁吸附；双目视觉传感器：（云台未画出）用于焊接环境或过程信息获取车架2、机器人结构及功能介绍其他主要技术指标：移动速度：0～2000mm/min；焊接速度：200~800mm/min爬壁负重能力：不小于300N；越障能力：60mm×60mm；外形尺寸：约长680mm宽450mm高400mm；机械手工作空间：左右×上下×前后=1000×600×300mm。动力系统：采用直流伺服驱动主要传感器：CCD视觉传感器：用于作业环境、障碍物等图像信息获取超声波传感器：用于障碍物检测红外测距传感器：用于障碍物距离检测编码器：用于电机转速及测量3、本机器人的主要特点1、采用非接触磁吸附，可在钢、铁质材料上水平、垂直壁面上运动，实现焊接作业。2、因采用轮足组合机构，具有较好的越障能力。3、设计了5自由度机械手，柔性把持焊枪，能够适应和完成更为复杂的焊接任务。4、运用视觉驱动和智能控制等方法，机器人具有环境识别、焊接任务规划、焊缝跟踪等功能。可实现遥操作和自主焊接等功能。四、五自由度机械臂设计案例分析（一）机械臂结构的选择根据机器人主要是用于空间焊接，拟选用铰链（关节）型机械臂。（二）自由度数目在焊接作业时，饶焊丝轴线的旋转是不要求控制，因此5自由度机械手可满足焊接作业要求。关节具体分布为：2个肩部关节+1个肘关节+2个腕关节（三）驱动器、减速器类型选择

此项目中设计的为小型机械臂，而且对位置、速度控制要求较高，因此驱动器选用直流伺服电机，减速器选用谐波减速器，这样可满足精确位置控制的要求。150mm180mm250mm80mm（四）各臂连杆的长度机械手要求工作空间：

左右×上下×前后=1000mm×600mm×300mm因实际的工作空间指的是工具（焊枪）的工作空间，因此初步计划：臂一长150mm,臂二长180mm，臂三长250mm,焊枪夹具中心到腕部中心的距离80mm（五）各关节扭矩的计算其中:末端持重G=30N,臂一g1=10N，臂二g2=10N，臂三g3=15NGg3g2g1肩关节A1肩关节A2肘关节A3腕关节A4,A5序号关节A1关节A2关节A3关节A4关节A5所需扭矩T（Nm）302111.52.52.5（六）驱动器及减速器选型驱动器、减速和传动系统必须综合考虑选择驱动器和减速器的计算公式如下：T×s≥T电机×n×η其中T----所需扭矩，s----安全系数，η----传动系统效率T电机-----电机输出扭矩，n-----减速传动比当然还需考虑电机转速是否满足关节转速需求。根据计算，驱动器、减速器型号选择如下：关节序号电机型号第一级行星减速器第二级谐波减速器型号要求转矩输出转矩安全系数关节转速136SYK62-48VP36HA减速比：1：6XB1-50-12530Nm42.5Nm1.4240.7°/s236SYK62-48VP36HA减速比：1：6XB1-50-10021Nm33.6Nm1.651°/s336SYK62-48VP36HA减速比：1：4XB1-40-10011.5Nm17Nm1.4763.75°/s428SYK43-24VP28HA减速比：1：16XB3-32-802.5Nm3.5Nm1.434°/s528SYK43-24VP28HA减速比：1：5.5XB3-32-642.5Nm4.5Nm1.836°/s（七）驱动器布置及传动为了减小关节所需力矩和臂的体积，在设计中尽量将驱动器和减速器安装在远离关节或靠近基座的地方。本机械臂的驱动器布置及传动方案如下图：（八）其他计算和需考虑的因素1、臂的强度和刚度计算在方案设计和工程图设计过程中，需对臂的强度和刚度进行计算和校核，在满足要求的情况下，尽量使机械臂结构小巧、重量轻量。2、齿轮和减速器的润滑问题因为齿轮和减速器大多是高速输入、低速输出，因此在设计中需考虑减速系统的润滑问题。3、机械臂的外观设计机械设计不但是一个工程问题，同时也是一个艺术设计问题，一个好设计既是一个满足功能要求产品，也是一个艺术品。设计效果图工业机械臂内部图片五、机械手数学建模下面对在我们项目中设计的机械臂进行数学建模步骤一、分析机械臂的结构，找出各关节轴，并标出这些轴线轴1轴2轴3轴4轴5五、机械手数学建模步骤二、找出各关节轴i和i+1之间的公垂线或交点，确定个连杆坐标系（i）的原点步骤三、确定各坐标系Z轴及指向Z1Z2Z3Z4Z5步骤四、确定各坐标系X轴及指向步骤五、按右手定则确定各坐标系的Y轴步骤六、确定首末连接坐标系各连杆坐标系建立如下Z0，Z1X1Z2X2Z3X3Z5X5Z4X4六、机械手运动学分析运动学分析的目的是通过建立机械臂的数学模型，建立末关节机械臂座或目标坐标系的数学关系。通过前面对机械臂的分析建立了臂各连杆的坐标系，下面通过D-H参数法建立整个机械臂的运动学求解和分析方程。1、机械臂连杆D-H参数表连杆i连杆长度ai-1连杆转角αi-1连杆偏距di连杆夹角θi1000θ12150mm-90度0θ23180mm00θ34250mm00θ450-90度0θ52、求出各连杆变换矩阵根据连杆变换矩阵公式：可得各连杆变换矩阵公式如下：3、求出机械臂运动学基本方程根据前面得到的各连杆变换矩阵，可得5个连杆坐标系的变换矩阵乘积可以建立对应的如下12个方程：符号说明:s1表示，c1表示其他依次类推驱动器和减速器参考选择公司1、直流伺服驱动maxon电机及行星减速器：(国外）saeg电机及行星减速器：(国产）2、交流伺服驱动交流伺服电机，减速器、电机驱动器等可选安川电机3、谐波减速器

谐波减速器最好选“三组件”形式的，这样设计的机械臂相对较小。七、雅可比矩阵的计算机器人学中雅可比矩阵的一般形式：其中表示雅可比矩阵，表示操作臂的末端速度，表示关节速度。因此雅可比矩阵是关节速度和末端执行器速度之间的变换关系。作用：1、根