焊接機器人運動分析及軌跡優化

張茜 黃文靜 高南

摘 要：本項目的主要任務是提高焊接機器人的焊接品質。在分析國內外現有的工業機器人相關技術的基礎上， 首先建立六自由度焊接機器人的運動學模型，接著對六自由度工業機器人的平滑軌跡規劃方法進行研究，找到一種適用于各關節運動的調速曲線。利用此文的優化方案，使六自由度焊接機器人的焊接軌跡更加平滑，提高了焊接質量。

關鍵詞：焊接機器人；六自由度；機器人運動分析

1 運動學模型建立

1.1 六自由度焊接機器人運動學模型

六自由度焊接機器人末端執行器的位置和姿態與機器人各關節角度之間的關系是非線性的，基于此，Denavit和Hartenberg提出了一種表示機器人坐標系的通用約定，稱為D-H運動學模型。該約定采用四參數確定一個坐標系相對于另一坐標系的位姿。這4 個參數分別是：連桿長度ai，桿扭轉角αi，關節偏移量di，關節角θi

1.2 正向運動學

機器人正運動學是在給定關節位置和桿件幾何參數的情況下，求解末端執行器相對固定參考坐標系的位置和姿態，按照D-H桿件坐標系規則建立如圖2六自由度機器人連桿坐標系模型。

設i-1Tii-1Ti表示i坐標系相對于i-1坐標系的位置和姿態，對于六自由度機器人，可以得到機器人末端執行器位姿相對于固定參考坐標系的變換矩陣：

已知機器人的六個關節角矢量，代入式2，可以求出末端執行器相對參考坐標系或者任意其他變化得來的坐標系的位置姿態。

1.3 逆向運動學

在求解逆向運動學時一般采用封閉解法，效率和可靠性較高。六自由度機器人具有逆運動學閉式解的充分條件為：①三個連續的旋轉式關節的軸線相交于一點，如球面式腕部。②三個連續的旋轉式關節的軸線平行。 本文采用代數法來進行求解：一種常用的策略是簡化為單變量的超越方程，如

2 基于目標距離的六自由度機器人軌跡算法研究

2.1 運動規劃

對機器人運動軌跡進行規劃時，需要研究機器人在關節空間和任務空間中的插補以及軌跡生成方法，找到既不能對機器人的硬件系統有所損耗、又要能保證高效的完成規劃路徑的軌跡規劃算法。

本課題采用了以目標距離為原則的調速方式。目標距離值的確定：當焊接機器人實時關節末端與焊點之間的距離大于機器人主控器所能傳遞的最大距離值時，則目標距離值等于最大距離值。當焊接機器人實時關節末端與焊點之間的距離小于機器人主控器所能傳遞的最大距離值時，則目標距離值等于此距離值。

2.2 機械臂調速曲線的3種形式

焊接機器人工作時，根據機械臂末端與焊點的距離遠近，可以劃分為三種不同的機械臂調速曲線，分別是下圖的Curve-0、Curve-1、Curve-2。三種曲線均為理想速度曲線。

當機器人執行焊接任務時，首先計算機械臂末端到目標距離（焊點）的距離。機械臂啟動、停止所運行的最短距離記為L0，最大速度記為V0，則當需要移動的距離L

參考文獻：

[1]張紅霞.國內外工業機器人發展現狀與趨勢研究[J].電子世界，2013，12：5.

[2]高亞軍.六自由度機器人平滑軌跡規劃與控仿一體化系統研究[D].浙江工業大學，2014.