智能移動焊接機(jī)器人設(shè)計案例及分析

智能移動焊接機(jī)器人設(shè)計案例及分析一、焊接機(jī)器人知識簡介二、機(jī)械臂設(shè)計的相關(guān)知識三、課題研制的機(jī)器人結(jié)構(gòu)及功能介紹四、五自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計五、機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)建模六、機(jī)械手運動學(xué)分析七、雅可比矩陣的計算一、焊接機(jī)器人知識簡介

目前的工業(yè)機(jī)器人主要是焊接焊接機(jī)器人的，器其占機(jī)器人總數(shù)的70%以上。焊接機(jī)器人視頻1、焊接機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用1焊接機(jī)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(shù)之一。它在機(jī)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(yīng)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(yīng)好的優(yōu)點；但也同時具有工人培訓(xùn)和人工費用高昂、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、重復(fù)性差的缺點。已不適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)的要求，也不能滿足現(xiàn)代高技術(shù)產(chǎn)品制造的質(zhì)量、數(shù)量要求。

機(jī)器人焊接的必然：隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為機(jī)器人焊提供了十分有利的技術(shù)基礎(chǔ)，并已滲透到焊接各領(lǐng)域中，近30年來，在機(jī)器人自動焊接技術(shù)方面已取得了許多研究和應(yīng)用成果，從21世紀(jì)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展要求看，機(jī)器人焊接自動化生產(chǎn)已是必然趨勢。2、機(jī)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(jī)器人，到前年底已有全世界已有大約100萬臺工業(yè)機(jī)器人投入生產(chǎn)應(yīng)用。

焊接機(jī)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(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)帶來的誤差等特點，在焊接生產(chǎn)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(jī)器人，得益于焊接傳感器技術(shù)和離線編程技術(shù)的不斷改進(jìn)，這類機(jī)器人現(xiàn)已進(jìn)入應(yīng)用研究的階段；第三代：是指裝有多種傳感器的智能焊接機(jī)器人，能根據(jù)客觀環(huán)境自行編程的高度適應(yīng)性智能焊接機(jī)器人。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，使焊接機(jī)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(biāo)。3、焊接機(jī)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(jī)器人軌道式移動焊接機(jī)器人輪式移動焊接機(jī)器人3、焊接機(jī)器人分類按機(jī)械手結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系特點來分，焊接機(jī)器人可分為以下幾類1、直角坐標(biāo)系型2、圓柱坐標(biāo)系型3、球坐標(biāo)系型4、全關(guān)節(jié)型二、機(jī)械臂設(shè)計的相關(guān)知識機(jī)械手的設(shè)計是否合理直接關(guān)系到其負(fù)載能力、速度、工作空間的大小，也直接影響到對其運動學(xué)和動力學(xué)的分析。（一）機(jī)械手設(shè)計的依據(jù)及方法主要以任務(wù)需求為設(shè)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(jī)械手的自由度數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配，對于一般的空間焊接，5自由度機(jī)械手可滿足要求。

方法：其自由度數(shù)目應(yīng)≥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(jī)械手可達(dá)到的一個空間包絡(luò)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(fù)載能力和速度要求機(jī)械手的負(fù)載能力與其結(jié)構(gòu)尺寸、驅(qū)動器的大小和動力傳遞系統(tǒng)直接相關(guān)。在許多應(yīng)用場合，對機(jī)械手的速度和加速度提出了較高的要求。

方法：①設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)尺寸，使機(jī)械臂剛性滿足要求。②選擇合適的驅(qū)動器和傳動部分

4、重復(fù)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(guān)。

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(jī)械臂的主要類型和驅(qū)動方式（1）一般串聯(lián)型機(jī)械臂的設(shè)計特點大多數(shù)串聯(lián)型機(jī)械臂由定位結(jié)構(gòu)（臂）和定向結(jié)構(gòu)（手腕）組成。

定位機(jī)構(gòu)主要包括肩、肘關(guān)節(jié)相應(yīng)連桿，主要用來確定腕關(guān)節(jié)原點在空間的位置。

定向結(jié)構(gòu)又叫腕部機(jī)構(gòu)，一般由2到3個軸線相交的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，用來確定末端執(zhí)行器的姿態(tài)。定位機(jī)構(gòu)定向機(jī)構(gòu)（2）機(jī)械臂的主要結(jié)構(gòu)類型（指定位結(jié)構(gòu)）1、笛卡爾操作臂（直角坐標(biāo)操作臂）

特點：關(guān)節(jié)1到關(guān)節(jié)3都是移動副，且相互垂直，分別對應(yīng)坐標(biāo)的X,Y,Z軸。優(yōu)點：因三個關(guān)節(jié)是解耦的，從而設(shè)計簡單、逆運動學(xué)求解容易，避免了前3關(guān)節(jié)出現(xiàn)運動學(xué)奇異點。缺點：在應(yīng)用中所有電纜和固定裝置均需“內(nèi)置”于機(jī)器人中。相對與其他類型，工作空間較小。XZY2、柱面坐標(biāo)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(zhuǎn)動的3個關(guān)節(jié)組成。其關(guān)節(jié)分布如下圖所示3、SCARA操作臂

特點：有3個平行的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，第4個移動關(guān)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(guān)節(jié)不必支承操作臂或負(fù)載的重量、另外在連桿0（座）中便于固定前兩個關(guān)節(jié)的驅(qū)動器，因此驅(qū)動器可做的很大，從而可使機(jī)器人快速移動。這類機(jī)械臂適合于執(zhí)行平面內(nèi)的任務(wù)。4、鉸鏈（關(guān)節(jié)）型機(jī)械臂這種類型的機(jī)械臂減小了機(jī)械手在工作空間的干涉，使整體結(jié)構(gòu)較小，應(yīng)用最為廣泛。關(guān)節(jié)分布：2個“肩”關(guān)節(jié)+1個“肘”關(guān)節(jié)+2（或3）個腕關(guān)節(jié)肩關(guān)節(jié)肘關(guān)節(jié)腕關(guān)節(jié)（3）腕關(guān)節(jié)的設(shè)計最常見的腕關(guān)節(jié)由2或3個正交的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，第一個腕關(guān)節(jié)通常是操作臂的第四個關(guān)節(jié)。

此結(jié)構(gòu)的特點：1、三個正交軸的構(gòu)形可以確保操作臂到達(dá)任意方位（假設(shè)沒有關(guān)節(jié)角度限制）；2、因三關(guān)節(jié)軸相交，具有一個封閉的運動學(xué)解。

其結(jié)構(gòu)原理如下：A6A5A4θ4θ5θ6（4）驅(qū)動方式的選擇驅(qū)動器、減速器和傳動裝置是密切相關(guān)的，在設(shè)計中必須綜合考慮1、驅(qū)動器的選擇用于機(jī)械臂的驅(qū)動器有液壓缸、氣動驅(qū)動器和電動機(jī)。液壓和氣動驅(qū)動器具有結(jié)構(gòu)緊湊，輸出扭矩大等優(yōu)點，但也存在介質(zhì)易泄露和不易進(jìn)行精確控制。一般用于工程機(jī)械等中大型機(jī)械臂中。電機(jī)可控性好，接口簡單。在中小型機(jī)械臂上作為驅(qū)動器得到廣泛應(yīng)用。直流電機(jī)行星減速器液壓馬達(dá)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(jié)構(gòu)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(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用（5）驅(qū)動器的布置

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

2間接驅(qū)動：大多數(shù)驅(qū)動器為高轉(zhuǎn)速、低扭矩，需安裝減速系統(tǒng)。驅(qū)動器和減速器一般都較重，在設(shè)計中都會盡量將驅(qū)動器和減速器安裝在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)或靠近基座的地方電機(jī)和驅(qū)動器盡量安裝在靠近基座的地方通過帶實現(xiàn)傳動使驅(qū)動器遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)帶傳動三、課題研制的機(jī)器人結(jié)構(gòu)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(biāo)：研制一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)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(jī)器人系統(tǒng)。已有移動焊接機(jī)器人存在的問題：

①已有爬行式焊接機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)一般設(shè)計為十字滑塊結(jié)構(gòu)，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(diào)性差，不能滿足角焊縫以及復(fù)雜軌跡連續(xù)運動平穩(wěn)性和焊槍姿態(tài)要求。2、機(jī)器人結(jié)構(gòu)及功能介紹本機(jī)器人主要組成結(jié)構(gòu)1、六輪移動行走機(jī)構(gòu)2、非接觸永磁吸附升降機(jī)構(gòu)及車架3、五自由度機(jī)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(jī)構(gòu)：6輪組合式行走焊接機(jī)械手：5自由度關(guān)節(jié)機(jī)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(jī)器人結(jié)構(gòu)及功能介紹其他主要技術(shù)指標(biāo)：移動速度：0～2000mm/min；焊接速度：200~800mm/min爬壁負(fù)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(jī)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(qū)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(jī)轉(zhuǎn)速及測量3、本機(jī)器人的主要特點1、采用非接觸磁吸附，可在鋼、鐵質(zhì)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(jī)構(gòu)，具有較好的越障能力。3、設(shè)計了5自由度機(jī)械手，柔性把持焊槍，能夠適應(yīng)和完成更為復(fù)雜的焊接任務(wù)。4、運用視覺驅(qū)動和智能控制等方法，機(jī)器人具有環(huán)境識別、焊接任務(wù)規(guī)劃、焊縫跟蹤等功能?？蓪崿F(xiàn)遙操作和自主焊接等功能。四、五自由度機(jī)械臂設(shè)計案例分析（一）機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的選擇根據(jù)機(jī)器人主要是用于空間焊接，擬選用鉸鏈（關(guān)節(jié)）型機(jī)械臂。（二）自由度數(shù)目在焊接作業(yè)時，饒焊絲軸線的旋轉(zhuǎn)是不要求控制，因此5自由度機(jī)械手可滿足焊接作業(yè)要求。關(guān)節(jié)具體分布為：2個肩部關(guān)節(jié)+1個肘關(guān)節(jié)+2個腕關(guān)節(jié)（三）驅(qū)動器、減速器類型選擇

此項目中設(shè)計的為小型機(jī)械臂，而且對位置、速度控制要求較高，因此驅(qū)動器選用直流伺服電機(jī)，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(jī)械手要求工作空間：

左右×上下×前后=1000mm×600mm×300mm因?qū)嶋H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(guān)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(guān)節(jié)A1肩關(guān)節(jié)A2肘關(guān)節(jié)A3腕關(guān)節(jié)A4,A5序號關(guān)節(jié)A1關(guān)節(jié)A2關(guān)節(jié)A3關(guān)節(jié)A4關(guān)節(jié)A5所需扭矩T（Nm）302111.52.52.5（六）驅(qū)動器及減速器選型驅(qū)動器、減速和傳動系統(tǒng)必須綜合考慮選擇驅(qū)動器和減速器的計算公式如下：T×s≥T電機(jī)×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(jī)-----電機(jī)輸出扭矩，n-----減速傳動比當(dāng)然還需考慮電機(jī)轉(zhuǎn)速是否滿足關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速需求。根據(jù)計算，驅(qū)動器、減速器型號選擇如下：關(guān)節(jié)序號電機(jī)型號第一級行星減速器第二級諧波減速器型號要求轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)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(qū)動器布置及傳動為了減小關(guān)節(jié)所需力矩和臂的體積，在設(shè)計中盡量將驅(qū)動器和減速器安裝在遠(yuǎn)離關(guān)節(jié)或靠近基座的地方。本機(jī)械臂的驅(qū)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(shè)計和工程圖設(shè)計過程中，需對臂的強度和剛度進(jìn)行計算和校核，在滿足要求的情況下，盡量使機(jī)械臂結(jié)構(gòu)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(shè)計中需考慮減速系統(tǒng)的潤滑問題。3、機(jī)械臂的外觀設(shè)計機(jī)械設(shè)計不但是一個工程問題，同時也是一個藝術(shù)設(shè)計問題，一個好設(shè)計既是一個滿足功能要求產(chǎn)品，也是一個藝術(shù)品。設(shè)計效果圖工業(yè)機(jī)械臂內(nèi)部圖片五、機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)建模下面對在我們項目中設(shè)計的機(jī)械臂進(jìn)行數(shù)學(xué)建模步驟一、分析機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)，找出各關(guān)節(jié)軸，并標(biāo)出這些軸線軸1軸2軸3軸4軸5五、機(jī)械手?jǐn)?shù)學(xué)建模步驟二、找出各關(guān)節(jié)軸i和i+1之間的公垂線或交點，確定個連桿坐標(biāo)系（i）的原點步驟三、確定各坐標(biāo)系Z軸及指向Z1Z2Z3Z4Z5步驟四、確定各坐標(biāo)系X軸及指向步驟五、按右手定則確定各坐標(biāo)系的Y軸步驟六、確定首末連接坐標(biāo)系各連桿坐標(biāo)系建立如下Z0，Z1X1Z2X2Z3X3Z5X5Z4X4六、機(jī)械手運動學(xué)分析運動學(xué)分析的目的是通過建立機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型，建立末關(guān)節(jié)機(jī)械臂座或目標(biāo)坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過前面對機(jī)械臂的分析建立了臂各連桿的坐標(biāo)系，下面通過D-H參數(shù)法建立整個機(jī)械臂的運動學(xué)求解和分析方程。1、機(jī)械臂連桿D-H參數(shù)表連桿i連桿長度ai-1連桿轉(zhuǎn)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(jī)械臂運動學(xué)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(biāo)系的變換矩陣乘積可以建立對應(yīng)的如下12個方程：符號說明:s1表示，c1表示其他依次類推驅(qū)動器和減速器參考選擇公司1、直流伺服驅(qū)動maxon電機(jī)及行星減速器：(國外）saeg電機(jī)及行星減速器：(國產(chǎn)）2、交流伺服驅(qū)動交流伺服電機(jī)，減速器、電機(jī)驅(qū)動器等可選安川電機(jī)3、諧波減速器

諧波減速器最好選“三組件”形式的，這樣設(shè)計的機(jī)械臂相對較小。七、雅可比矩陣的計算機(jī)器人學(xué)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(guān)節(jié)速度。因此雅可比矩陣是關(guān)節(jié)速度和末端執(zhí)行器速度之間的變換關(guān)系。作用：1、根