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

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。本案专利技术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。因此本专利技术人想到，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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术的技术解决方案是：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，本专利技术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是本专利技术的立体结构示意图；图2是本专利技术的主视图；图3是本专利技术的俯视图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可模型解耦的三臂杆五自由度平移焊接机器人，其特征在于：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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：富巍，周承仙，陈彦，
申请(专利权)人：厦门理工学院，
类型：发明
国别省市：福建;35