自主機(jī)器人研究報(bào)告

1、-. z.自主機(jī)器人研究總結(jié)報(bào)告一、課題研究背景和意義工業(yè)機(jī)器人是最典型的機(jī)電一體化數(shù)字化裝備，技術(shù)附加值很高，應(yīng)用圍很廣，作為先進(jìn)制造業(yè)的支撐技術(shù)和信息化社會(huì)的新興產(chǎn)業(yè)，將對未來生產(chǎn)和社會(huì)開展起著越來越重要的作用。在國際上，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而得到工業(yè)界廣泛應(yīng)用，從而也形成了一批在國際上較有影響力的、著名的工業(yè)機(jī)器人公司，這些公司已經(jīng)成為其所在地區(qū)的支柱性企業(yè)。在眾多制造業(yè)領(lǐng)域中，應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人最廣泛的領(lǐng)域是汽車及汽車零部件制造業(yè)。如在毛坯制造(沖壓、壓鑄、鍛造等)、機(jī)械加工、焊接、熱處理、外表涂覆、上下料、裝配、檢測及倉庫堆垛等作業(yè)中，機(jī)器人都已逐步取代了人工作業(yè)

2、。工業(yè)機(jī)器人在制造業(yè)的應(yīng)用圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度也越來越高，功能越來越強(qiáng)，并向著成套技術(shù)和裝備的方向開展。工業(yè)機(jī)器人技術(shù)正在向智能機(jī)器和智能系統(tǒng)的方向開展，其開展趨勢主要為：構(gòu)造的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的開放化、PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化；多傳感器融合技術(shù)的實(shí)用化；工作環(huán)境設(shè)計(jì)的優(yōu)化。在汽車領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的是中載和重載機(jī)器人，因此開發(fā)具有較高負(fù)載能力的機(jī)器人意義更大。二、課題研究的總體目標(biāo)及完成情況2.1 課題研究的總體目標(biāo)、考核指標(biāo)總體目標(biāo)開發(fā)出具有自主創(chuàng)新的點(diǎn)焊機(jī)器人及周邊應(yīng)用成套設(shè)備樣機(jī)，解決機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化過程中的機(jī)器人本體優(yōu)化設(shè)計(jì)、基

3、于網(wǎng)絡(luò)的新型控制器技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題，進(jìn)展小批量生產(chǎn)，解決機(jī)器人產(chǎn)業(yè)制造中的加工工藝問題、制造精度問題和機(jī)器人整體制造本錢降低問題，在此根底上進(jìn)展產(chǎn)業(yè)化，并首先在奇瑞汽車生產(chǎn)線上進(jìn)展示應(yīng)用，逐步形成中國的工業(yè)機(jī)器人品牌，促進(jìn)我國新型工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)開展。同時(shí)制訂和完善適合我國國情的平安規(guī)和技術(shù)規(guī)，在技術(shù)上創(chuàng)新，爭取獲得多項(xiàng)專利。 主要技術(shù)指標(biāo)其技術(shù)指標(biāo)如下：1本體參數(shù)要求在滿足機(jī)械本體剛度、強(qiáng)度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及一些其它技術(shù)參數(shù)的根底上選擇構(gòu)造簡單、機(jī)身緊湊的機(jī)身設(shè)計(jì)，以滿足輕量化、低本錢及可維護(hù)性要求。具體參數(shù)圍要求如下：參數(shù)ER165型點(diǎn)焊機(jī)器人ER200型點(diǎn)焊機(jī)器人動(dòng)作

4、類型關(guān)節(jié)型關(guān)節(jié)型控制軸數(shù)6軸6軸放置方式地裝地裝手腕末端最大負(fù)載165Kg200Kg最大臂展半徑2.66m2.66m重復(fù)定位精度0.3mm0.3mm手腕部允許最大扭矩J4軸951NmJ4軸1274NmJ5軸951NmJ5軸1274NmJ6軸490NmJ6軸686Nm手腕部允許最大慣量J4軸88.9kgJ4軸117 kgJ5軸88.9kgJ5軸117 kgJ6軸44.1kgJ6軸66 kg最大動(dòng)作速度J1軸100/secJ1軸100/secJ2軸90/secJ2軸90/secJ3軸95/secJ3軸95/secJ4軸130/secJ4軸120/secJ5軸130/secJ5軸120/secJ6軸

5、180/secJ6軸170/sec最大動(dòng)作圍J1軸+180/-180J1軸+180/-180J2軸+80/-60J2軸+80/-60J3軸+210/-80J3軸+210/-80J4軸360J4軸360J5軸120J5軸120J6軸720J6軸720由第三方檢測機(jī)構(gòu)出具檢測報(bào)告。2主控柜技術(shù)要求編程單元：便攜式示教盒；具備常用功能的操作單元；具備緊急停頓單元；具備編程接口，方便傳輸程序；控制柜應(yīng)具有良好的防滴漏、防灰塵及散熱裝置；外觀美觀。3系統(tǒng)功能指標(biāo)：控制系統(tǒng)可同時(shí)控制六軸或六軸以上運(yùn)動(dòng)；具有負(fù)載調(diào)整功能；具有零點(diǎn)復(fù)位功能；具有系統(tǒng)啟動(dòng)自檢功能；工作時(shí)具有故障判斷及提示功能；具有自動(dòng)/示教模

6、式切換功能，便于機(jī)器人在各種工作模式下的工作；具有不同的操作權(quán)限工程師、維修工、操作工。4系統(tǒng)平安性指標(biāo)：具備限位保護(hù)：保護(hù)機(jī)器人因運(yùn)動(dòng)圍超限引起碰撞和干預(yù)；具備防過載檢測：防止因速度過快引起的超轉(zhuǎn)矩而導(dǎo)致電機(jī)燒毀或軸斷；具備緊急停頓功能，有效的保護(hù)人生及設(shè)備的平安。5軟件應(yīng)用指標(biāo)：定義多種坐標(biāo)，方便使用與操作；系統(tǒng)適用于點(diǎn)焊，且在相關(guān)軟件包修改后，機(jī)器人主體可用于搬運(yùn)、裝配等工作環(huán)境；系統(tǒng)在虛擬環(huán)境下可進(jìn)展仿真操作，程序檢測，組線設(shè)計(jì)等。6機(jī)器人適用的工作環(huán)境廠房溫度：屋架下弦處-5-45環(huán)境濕度：普通：75RH；短時(shí)間：95%一個(gè)月之振動(dòng)：0.5G4.9M/S2； 廠房構(gòu)造：輕鋼構(gòu)造，屋架

7、為非承載型式；公用動(dòng)力要求：380V(+15%，-15%)，50Hz；壓縮空氣：0.40.6MPA；循環(huán)水：溫度32；進(jìn)口壓力0.4Mpa，工藝設(shè)備承壓不低于0.6Mpa；地面載荷：地面最大承載能力為5000kg/m2。 知識產(chǎn)權(quán)申報(bào)國家創(chuàng)造專利23項(xiàng)；在核心刊物上發(fā)表文章58篇。機(jī)器人應(yīng)用說明書1套。 人才培養(yǎng)培養(yǎng)博士生12名，碩士35名；培養(yǎng)一支1520人的機(jī)器人骨干技術(shù)開發(fā)隊(duì)伍。2.2 完成情況在機(jī)器人核心技術(shù)研發(fā)方面，本課題主要圍繞機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和制造，控制器開發(fā)和焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)三方面展開。(1)在機(jī)器人本體設(shè)計(jì)和制造方面，目標(biāo)是要設(shè)計(jì)出高精度，高剛度，高可靠性，低負(fù)載自重比，且造

8、價(jià)低的機(jī)械本體構(gòu)造，力爭到達(dá)國際先進(jìn)同類機(jī)器人的技術(shù)水平。為此，在165kg和200kg機(jī)器人的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，綜合采用了基于虛功原理的機(jī)器人靜力平衡分析，關(guān)鍵部件的有限元分析，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)和整體模態(tài)特性的構(gòu)造和尺寸優(yōu)化分析的方法。通過對以上方法的理論研究、仿真計(jì)算分析以及試驗(yàn)等階段的實(shí)施，摸索了一套具體的實(shí)現(xiàn)方法。該方法已經(jīng)在165kg和200kg機(jī)器人的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用，取得了比擬理想的效果，例如：通過采用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和幾年多現(xiàn)場應(yīng)用，改良設(shè)計(jì)和再制造，大局部性能指標(biāo)已到達(dá)國際同類產(chǎn)品的水平，例如：機(jī)器人的重復(fù)定位精度小于0.15mm，合同指標(biāo)為0.25mm；機(jī)器人本體的最小

9、固有震動(dòng)頻率為5Hz，與意大利au機(jī)器人相當(dāng)；系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠性：故障率統(tǒng)計(jì)顯示與意大利au機(jī)器人相當(dāng)；機(jī)械噪音小于80dB。(2) 在機(jī)器人控制器開發(fā)方面，目標(biāo)是要研發(fā)出能控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)高速平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，穩(wěn)定性和可靠性與國外先進(jìn)機(jī)器人控制器相當(dāng)，且成相對較低的機(jī)器人控制器。為此，在控制器軟件設(shè)計(jì)中，通過理論建模，搭建了包含摩擦、間隙和非線性剛度的動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)模型。然后引入機(jī)械臂模型和電機(jī)模型，組成整個(gè)機(jī)器人模型。在理論建模的根底上，搭建了整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)matlab仿真模型。在硬件選型和控制方法的設(shè)計(jì)方面，充分考慮可靠性和先進(jìn)性，采用嵌入式總線類型的控制模式，確保設(shè)計(jì)出的控制器不僅性能高，低本錢而且

10、穩(wěn)定可靠。從應(yīng)用結(jié)果可以看出，新研發(fā)出的控制器在抑制高速運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)，穩(wěn)定性和可靠性方面與意大利au機(jī)器人及日本的Funac機(jī)器人相當(dāng)。3在焊接機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)方面，已經(jīng)開發(fā)出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真軟件。機(jī)器人虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)，應(yīng)用規(guī)劃，離線編程和操作培訓(xùn)，是機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)之一。進(jìn)口的一套仿真軟件價(jià)格高達(dá)一兩百萬元人民幣。目前，在自主開發(fā)機(jī)器人仿真軟件方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。自行開發(fā)的仿真軟件已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對導(dǎo)入的機(jī)器人，焊鉗和工裝夾具的三維模型進(jìn)展動(dòng)態(tài)仿真和離線編程，能實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人，多工位的三維仿真和離線編程。此外，通過從單工位，工作站到多機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)，已經(jīng)掌握了機(jī)器人集成

11、應(yīng)用的根本技術(shù)，培養(yǎng)了一批機(jī)器人系統(tǒng)集成應(yīng)用隊(duì)伍。三、課題研究的主要技術(shù)容、技術(shù)路線、實(shí)施方案和方法3.1研究的技術(shù)容:本課題研制的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)包括：機(jī)器人本體、控制器、焊接系統(tǒng)(專用焊接電源、焊槍或焊鉗等)、控制計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的平安設(shè)備等。機(jī)器人本體構(gòu)造采用6自由度全關(guān)節(jié)型機(jī)器人。對于165kg點(diǎn)焊機(jī)器人將采用具有一定開放性的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，對于200kg點(diǎn)焊機(jī)器人將采用工業(yè)以太網(wǎng)形式的分布式控制器實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。以IPC作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，協(xié)調(diào)和處理各種I/O和用戶操作。研制專門用來讀取各個(gè)單元狀態(tài)信息、處理錯(cuò)誤和故障的平安電路來保證系統(tǒng)平安可靠運(yùn)行，通過自行研制圖形化界面的

12、示教盒、開發(fā)三維虛擬焊接仿真系統(tǒng)和操作控制相關(guān)的配套軟件把各個(gè)局部有機(jī)整合，從而實(shí)現(xiàn)功能完善的點(diǎn)焊機(jī)器人系統(tǒng)。3.2 技術(shù)路線和方法:1在機(jī)械本體設(shè)計(jì)方面以國外成熟的外形設(shè)計(jì)為參考對象，結(jié)合我國制造工藝現(xiàn)狀，綜合考慮精度，強(qiáng)度，剛度，本錢和機(jī)器人設(shè)計(jì)對整體性能的影響等幾方面因素，研究和開發(fā)出最優(yōu)化的機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造方法和技術(shù)；2在機(jī)器人控制器方面瞄準(zhǔn)國外先進(jìn)機(jī)器人控制器的構(gòu)架，兼顧我國目前實(shí)際情況，采用基于運(yùn)動(dòng)控制卡和基于高性能工業(yè)PC的兩種控制形式，開發(fā)出滿足生產(chǎn)需求的、性能穩(wěn)定可靠的機(jī)器人控制器。3在機(jī)器人集成應(yīng)用方面，以汽車機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線集成應(yīng)用為目標(biāo)，開發(fā)具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的機(jī)器

13、人仿真和離線編程軟件，機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)控制技術(shù)和機(jī)器人自動(dòng)化生產(chǎn)線工藝設(shè)計(jì)和組態(tài)技術(shù)。四、課題研究取得的主要技術(shù)成果、創(chuàng)新點(diǎn)及未來前景4.1 課題研究取得的主要技術(shù)成果:課題申請創(chuàng)造專利4項(xiàng)。具體明細(xì)如下表所示：序號名稱專利申請?zhí)栴悇e1一種焊接機(jī)器人的平衡器及其構(gòu)成方法2.6 創(chuàng)造2一種機(jī)器人平衡器聯(lián)接構(gòu)造及裝配方法0.3創(chuàng)造3重載機(jī)器人帶加速度及電流前饋的位置控制器0.5創(chuàng)造4一種重載工業(yè)機(jī)器人操作空間運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方法6.7創(chuàng)造累計(jì)論文發(fā)表論文8篇，具體明細(xì)如下：序號論文名稱第一作者發(fā)表刊名或會(huì)議名稱發(fā)表時(shí)間1機(jī)器人自動(dòng)焊接系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用彥斌機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用2010年，已錄用2工業(yè)機(jī)器人離線

14、編程軟件的國產(chǎn)化開發(fā)及應(yīng)用金學(xué)機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用2010年，已錄用3Optimal design for a 2-DOF high dynamic manipulator based on parallelogram mechanism孔民秀IEEE/ASME2010.7已錄用4Controlsystem design for high payload industrial robot via highspeed munication bus and real-time system游瑋Key Engineering Materials2010.8已錄用5Modeling and Simulat

15、ing the Nonlinear Characters of Robot Joints.肖永強(qiáng)IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics錄用6Optimal design of dynamic and control performance for planar manipulator游瑋中南大學(xué)學(xué)報(bào)錄用7含有摩擦間隙遲滯的機(jī)械臂關(guān)節(jié)建模方法杜志江機(jī)器人錄用8Optimal motion generation for heavy duty industrialrobotscontrol scheme and algori

16、thm游瑋ICM2011錄用4.2 課題研究的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn):1動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是從傳統(tǒng)的單純機(jī)械本體性能設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭紤]機(jī)械人控制動(dòng)態(tài)性能，從機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)到構(gòu)造優(yōu)化設(shè)計(jì)，從運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析向動(dòng)力學(xué)性能分析轉(zhuǎn)變，從純剛體動(dòng)力學(xué)分析向剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)分析轉(zhuǎn)變，整個(gè)設(shè)計(jì)流程如以下圖所示。首先從機(jī)構(gòu)學(xué)的層面，進(jìn)展運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，提出運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)，如工作空間，靈巧度等；對機(jī)構(gòu)慣量分布進(jìn)展簡化，完成剛體動(dòng)力學(xué)分析，提出剛體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，如各軸慣量，耦合慣量等?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)和剛體動(dòng)力學(xué)指標(biāo)完成機(jī)構(gòu)尺寸綜合。在完成機(jī)構(gòu)主要參數(shù)確定后，進(jìn)展關(guān)鍵部件構(gòu)造設(shè)計(jì)，在此過程中，對關(guān)鍵部件進(jìn)展柔性體分析，獲得部件在典型工況下的應(yīng)力分布情況，進(jìn)

17、展強(qiáng)度校核以及變形分析，綜合各種指標(biāo)完成關(guān)鍵部件的構(gòu)造優(yōu)化。在完成部件構(gòu)造設(shè)計(jì)后，進(jìn)展整機(jī)剛?cè)狁詈戏治?，提出整機(jī)剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)指標(biāo)，如自振模態(tài)頻率等動(dòng)態(tài)性能。如不滿足則返回機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)從新進(jìn)展動(dòng)態(tài)迭代, 如性能滿足要求，則至此完成所有的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)展樣機(jī)制造，最后完成動(dòng)態(tài)測試。圖1在165kg點(diǎn)焊機(jī)器人及200kg點(diǎn)焊機(jī)器人的分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)中，綜合采用了基于虛功原理的機(jī)器人靜力平衡分析，關(guān)鍵部件的有限元分析，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)和整體模態(tài)特性的構(gòu)造和尺寸優(yōu)化分析的方法。通過對以上方法的理論研究、仿真計(jì)算分析以及試驗(yàn)等階段的實(shí)施，取得了在機(jī)械分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)上的突破。綜合考慮機(jī)械和驅(qū)動(dòng)方面

18、因素，建立了機(jī)電耦合模型。由于電機(jī)轉(zhuǎn)矩間耦合、摩擦、間隙、滯后及柔性等因素的存在，使得建模非常復(fù)雜。首先，由于機(jī)械臂的關(guān)節(jié)在整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過程中非常復(fù)雜且對系統(tǒng)性能影響最大，所以本課題在已有模型的根底上，首先通過理論建模，搭建了包含摩擦、間隙和非線性剛度的動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)模型，模型構(gòu)造如圖a所示。然后引入機(jī)械臂模型、控制器模型和電機(jī)模型，組成整個(gè)機(jī)器人模型。模型構(gòu)造如圖b所示。在理論建模的根底上，搭建了整個(gè)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)matlab仿真模型，模型構(gòu)造如圖c所示。該模型已應(yīng)用于對機(jī)器人的主動(dòng)抑振及虛擬仿真中。圖2.動(dòng)態(tài)關(guān)節(jié)模型構(gòu)造 圖3.機(jī)電耦合機(jī)器人模型構(gòu)造圖4.機(jī)器人matlab仿真模型2目前對機(jī)器人

19、的性能要求越來越高，不僅要具有快速的響應(yīng)特性，較高的跟蹤精度，而且應(yīng)該有良好的通用性和擴(kuò)展性。采用傳統(tǒng)控制構(gòu)造固有的缺點(diǎn)逐漸暴露出來，例如：由于配線過多，對系統(tǒng)進(jìn)展調(diào)試及維修比擬困難；系統(tǒng)的可靠性較差。 當(dāng)需要控制的節(jié)點(diǎn)不斷增加，需要反響的傳感器信號不斷增多時(shí)(例如應(yīng)用于仿人型機(jī)器人)，如果處理信息和產(chǎn)生控制信號都由上位機(jī)的中央處理器來完成，則 對它來說是不堪重負(fù)的。一旦中央處理器出現(xiàn)故障，將對整個(gè)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的影響。采用基于模擬信號的數(shù)據(jù)傳輸方式，系統(tǒng)的抗干擾能力很差；由于控制器的模塊繁多, 模塊之間的連接復(fù)雜，而且相互制約，難以實(shí)現(xiàn)十幾個(gè)軸以上的同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制?；赑C+實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)+高

20、速總線接口的機(jī)器人控制器能夠?qū)⒃S多以前只能用硬件實(shí)現(xiàn)的控制功能采用軟件實(shí)現(xiàn)的方式，它是一種開放體系構(gòu)造的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，主體是PC機(jī)。例如，充分利用PC機(jī)不斷提高的計(jì)算速度、不斷擴(kuò)大的存儲量和具有硬實(shí)時(shí)性能的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。這種構(gòu)造的機(jī)器人控制器除了支持上層軟件(程序編輯、人機(jī)界面等)的用戶定制外，其更深入的開放性還表達(dá)在支持運(yùn)動(dòng)控制策略(算法)的用戶定制。用戶可以在任何運(yùn)行于PC的操作系統(tǒng)平臺上，利用開放的系統(tǒng)核，開發(fā)各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。在本工程中建立了基于實(shí)時(shí)系統(tǒng)的和高速通訊總線的高性能機(jī)器人控制體系構(gòu)造，采用基于PC機(jī)的分布式控制系統(tǒng)，

21、如圖d所示。其控制構(gòu)造的主要特色為總線式模塊化構(gòu)造，所有的模塊如驅(qū)動(dòng)、輸入輸出以及其它接口模塊都可以通過支持EtherCAT總線的接口直接接入到系統(tǒng)中，擴(kuò)展和維護(hù)極為便利。在軟件方面采用了基于windows *P系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并嵌了TwinCAT的實(shí)時(shí)核，直接編寫PLC和C+語言的程序。圖5：基于EtherCAT總線和TwinCAT核的機(jī)器人控制構(gòu)造3在點(diǎn)焊機(jī)器人軌跡規(guī)劃中，規(guī)劃軌跡重點(diǎn)考慮時(shí)間最優(yōu)問題和消抖問題。也即運(yùn)動(dòng)的快速性和平衡性問題。首先在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面進(jìn)展了平滑無沖擊運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法研究，給出了直線、圓弧和修正樣條規(guī)劃算法。以空間圓弧軌跡規(guī)劃為例說明：設(shè)空間三點(diǎn)坐標(biāo)：，設(shè)這三點(diǎn)組成的平面

22、方程為由以下方程可解得 1求出兩條線段的中點(diǎn)，設(shè)圓心坐標(biāo)為，圓心則滿足以下方程 2整理得線性方程組如下3求解可得圓心坐標(biāo)，下面推導(dǎo)空間圓的參數(shù)方程 以圓心為球心的，R為半徑的球的參數(shù)方程為： 4將上式代入平面方程 5因?yàn)樵谄矫嫔?，所以?6所以有 7所以空間圓的參數(shù)方程如下 8獨(dú)立參數(shù)為。平滑在圓所在平面的規(guī)劃，進(jìn)展全局坐標(biāo)系和局部坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，從固定坐標(biāo)變換到新的坐標(biāo)，其坐標(biāo)原點(diǎn)為，矢量為軸，法向量為Z1軸，如以下圖所示，圖7可以得到該坐標(biāo)系的姿態(tài)變換矩陣和平動(dòng)矩陣為， (9)其中則有， (10)在該坐標(biāo)系下進(jìn)展如下的軌跡規(guī)劃有(11)得到 后，通過坐標(biāo)變換即可得到。通過上述方法可以獲得

23、加加速度、加速度、速度都連續(xù)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而獲得了比擬平滑的運(yùn)動(dòng)。另外在理論方面，開展基于動(dòng)力學(xué)模型的軌跡規(guī)劃研究，考慮了關(guān)節(jié)空間的速度及力矩限制約束、加速度頻率限制約束以及迪卡爾空間的加速度和加加速度平滑約束條件，通過在迪卡爾空間中規(guī)劃軌跡向關(guān)節(jié)空間中的映射，求得關(guān)節(jié)空間中的軌跡指令。然后在關(guān)節(jié)空間中添加約束條件，并對映射的軌跡作約束限制且通過FSCFeasible Solution Conversion方法轉(zhuǎn)化為有效軌跡，從而實(shí)現(xiàn)軌跡的時(shí)間最優(yōu)控制和速度平穩(wěn)性。(4) 工業(yè)點(diǎn)焊機(jī)器人仿真軟件傳統(tǒng)的點(diǎn)焊機(jī)器人路徑規(guī)劃多采用在線示教方法，為了完成工作任務(wù)、防止碰撞，需要用實(shí)際的機(jī)器人反復(fù)調(diào)試，

24、導(dǎo)致路徑規(guī)劃工作量大、效率低，且不便于優(yōu)化、無法并行工作。因?yàn)辄c(diǎn)焊機(jī)器人對軌跡的精度要求不高，可以通過在空間指定一些點(diǎn)來完成大致和路徑規(guī)劃。因此通過仿真進(jìn)展現(xiàn)場環(huán)境的場景的模擬和運(yùn)動(dòng)模擬具有實(shí)際意義。為此開發(fā)出了工業(yè)點(diǎn)焊機(jī)器人仿真軟件。整個(gè)軟件按按4個(gè)的功能類型進(jìn)展設(shè)計(jì)：程序進(jìn)入程序選擇界面，實(shí)現(xiàn)程序進(jìn)入程序選擇界面，實(shí)現(xiàn)程序選擇、新建、重新命名、復(fù)制、刪除、修改和程序容編輯等功能；數(shù)據(jù)存放器顯示界面，在此界面下進(jìn)展數(shù)據(jù)的修改、復(fù)制、刪除、添加和示教等功能；I/O輸入輸出設(shè)置界面，進(jìn)展板卡設(shè)置、變量設(shè)置、端口功能和變量操作等；設(shè)置此界面進(jìn)展密碼設(shè)置、坐標(biāo)系設(shè)置、關(guān)節(jié)角度限制、語言切換、用戶設(shè)置

25、、報(bào)警設(shè)置、手動(dòng)在此界面對機(jī)器人進(jìn)展手動(dòng)操作。融合上述4個(gè)功能模塊，組成機(jī)器人軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)焊機(jī)器人的示教、編程和編輯等功能。整體界面如以下圖所示：圖8其在軌跡生成方面，具有直線、圓弧、樣條曲線生成功能，還具備過指定點(diǎn)軌跡生成、平滑軌跡生成和平滑姿態(tài)生成功能，采用定時(shí)插補(bǔ)方式。可直接進(jìn)展模擬指令的運(yùn)動(dòng)和將運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成運(yùn)動(dòng)指令的能力。圖9主要包含模塊為：三維及坐標(biāo)數(shù)據(jù)模型處理模塊數(shù)據(jù)模型格式支持d*f、.obj、.3DS、.STL等。環(huán)境中的坐標(biāo)系統(tǒng)共分成兩層，一個(gè)是世界坐標(biāo)系，一個(gè)是設(shè)備坐標(biāo)系，環(huán)境中各機(jī)器人在自身的機(jī)器人根底坐標(biāo)系下計(jì)算運(yùn)動(dòng)，同時(shí)含有自身在世界坐標(biāo)系下的坐標(biāo)位置，同樣各夾具，

26、其他設(shè)備也都有自身的坐標(biāo)系，各設(shè)備之間的位置關(guān)系通過在世界坐標(biāo)系和自身坐標(biāo)系的累積計(jì)算進(jìn)展位置信息的計(jì)算。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)及算法模塊機(jī)器人六個(gè)關(guān)節(jié)的仿真運(yùn)動(dòng)是軟件的核心和關(guān)鍵局部，如何能使虛擬機(jī)器人樣機(jī)更加準(zhǔn)確的反響實(shí)際的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)成為仿真運(yùn)動(dòng)的主要目標(biāo)。點(diǎn)焊機(jī)器人具有在直角、關(guān)節(jié)、工具三個(gè)坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)功能，同樣在仿真軟件中相應(yīng)的通過操作虛擬軟件示教盒可以在軟件環(huán)境中根據(jù)機(jī)器人位置姿態(tài)，在三種坐標(biāo)系下計(jì)算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角，使模型按照計(jì)算的結(jié)果進(jìn)展運(yùn)動(dòng)，從而到達(dá)與現(xiàn)場機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一。利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析中的正解、逆解完成了機(jī)器人關(guān)節(jié)位置及姿態(tài)角的計(jì)算。用齊次坐標(biāo)變換矩陣來表示機(jī)器人的正解運(yùn)算如下：通過正、逆解求解。經(jīng)過從直角、工具坐標(biāo)系的求逆可以快速計(jì)算出各軸關(guān)節(jié)角度，從而實(shí)現(xiàn)了在空間中的沿直線、曲線等其他形狀軌跡的運(yùn)動(dòng)。下面是軟件環(huán)境中機(jī)器人模型運(yùn)動(dòng)仿真流程圖。圖10軟件文件模塊本系統(tǒng)的文件模塊包括：機(jī)器人程序文件：運(yùn)動(dòng)指令、邏輯命令、焊接指令，以及位置信息點(diǎn)坐標(biāo)、姿態(tài)角度，工藝參數(shù)速度，焊接參數(shù)等，這局部文件焊接程序，參數(shù)等保持了和實(shí)際機(jī)器人文件系統(tǒng)的一致，從而可使在離線仿真軟件中生成的程序可以直角拷貝了機(jī)器人控制機(jī)上進(jìn)展實(shí)際機(jī)器人