CN106863303A - 一种焊接机械手及其路径学习方法 - Google Patents

Abstract

发明了一种焊接机械手，该机械手由5个关节构成，其中3个关节用于跟踪末端执行器的位置，另外2个关节用于调整末端执行器的姿态。第5个关节和末端执行器之间通过可伸缩的杆件连接，以保证焊条和焊缝之间的紧密接触。焊接之前，夹在机械手末端执行器上的焊条依照焊接时的姿态，端点从焊缝的始点移动到终点，同时，安装在关节处的编码器采集各关节的角位移，并将采集数据送计算机处理，计算机依据各关节角位移数据规划出机械手路径，并控制机械手沿此路径完成焊缝的焊接。

Description

一种焊接机械手及其路径学习方法

技术领域

本发明涉及一种焊接机械手及其路径学习方法。

背景技术

焊接机器人具有焊接质量稳定，改善工人劳动条件，提高劳动生产率等特点，广泛应用于汽车、通用机械、工程机械、兵器工业和金属结构等行业。据不完全统计，全世界在役的工业机器人中大约有一半用于各种形式的焊接加工领域。目前我国应用的焊接机器人90％以上是从世界各知名机器人厂家生产的，主要应用在汽车制造业。预计未来几年，国内企业对焊接机器人的需求量将以30％以上的速度增长。从国外进口的焊接机械手品牌功能强大，精确度高，但是价格昂贵，在一些焊接车间，焊接机械手只是反复完成一个简单、单一的动作。采用昂贵的焊接机器人显然成本过高，根据所从事的具体工作，有针对性地研制一种既可以降低生产成本，又可以提高焊接精度的机械手十分必要。

发明内容

发明了一种焊接机械手，该机械手由5个关节构成，其中3个关节用于跟踪末端执行器的位置，另外2个关节用于调整末端执行器的姿态。第5个关节和末端执行器之间通过可伸缩的杆件连接，以保证焊条和焊缝之间的紧密接触。焊接之前，夹在机械手末端执行器上的焊条依照焊接时的姿态，端点从焊缝的始点移动到终点，同时，安装在关节处的编码器采集各关节的角位移，并将采集数据送计算机处理，计算机依据各关节角位移数据规划出机械手路径，并控制机械手沿此路径完成焊缝的焊接。

附图说明

图1是5关节机械臂结构及其各关节坐标系示意图，图中，各坐标系均为右手系；Z₁，Y₂，Y₃，Y₄，Z₅与相应的转轴平行；Y₁，X₂，X₃，Y₄，X₅与相应的链杆平行；图2是前端带有滑动伸缩杆的末端执行器示意图。

标号说明：

1滑动箱，2滑动块，3滑动杆，4弹簧，5末端执行器

具体实施方式

机械臂的结构如图1所示。以O表示坐标系X₀Y₀Z₀的原点，O₁，…，O₅分别表示第1，2，…，5个坐标系的原点，若无特别申明，长度、时间、角度、速度和角速度分别以毫米、秒、弧度、毫米/秒和弧度/秒为单位，且假定

|OO₁|＝d₁，|O₂O₃|＝a₁，|O₃O₄|＝a₂

O₅在X₁Z₁平面内，O₅与夹在末端执行器(5)上的焊条端点的距离为a₃。

5个关节上安装电机和编码器，编码器用于测量关节转动角度，测量结果通过数据线送计算机记录。第5个关节带有滑动伸缩杆以保证焊条与工件的接触。滑动箱(1)是一个带有立方体空腔的圆柱，一端与电机转轴固连，另一端与滑动杆(3)滑动连接；滑动杆(3)的一端与滑动箱(1)空腔内的滑动块(2)连接，另一端穿过弹簧(4)与末端执行器(5)连接。

以θ₁，θ₂，…，θ₅分别表示第1，2，…，5个关节的角位移，则O₅在坐标系X₀Y₀Z₀中的坐标为

焊条端点在坐标系X₅Y₅Z₅中的坐标为

记关节角向量Θ＝(θ₁，θ₂，…，θ₅)^T，则焊条端点在坐标系X₀Y₀Z₀中的坐标为

对于每一条焊缝，只要在其上采集足够稠密的点及其对应的坐标向量，通过各关节角在相邻的两个坐标向量的对应分量之间的均匀变化就可以足够精确地确定一条焊缝路径。为此，依照焊接时的姿态，将焊条端点从焊缝的始点移动到终点，同时各关节上的编码器以采样周期T采集关节角位移向量，可以得到

i＝0，1，…，n

其中n+1为样本个数。因此对于i＝0，1，…，n

以||·||表示向量模，则焊缝可表示为

以v表示焊接过程中焊条相对于焊缝的移动速度，则焊条从焊缝的始点移动到终点的时间为l/v，从点A(Θ_i-1)移动到点A(Θ_i)的时间为||A(Θ_i)-A(Θ_i-1)||/v，因此对于j＝1，2，…，5，第j个关节从变化到的时间是||A(Θ_i)-A(Θ_i-1)||/v，关节角位移速度为

i＝1，2，…，n

焊条从始点移动到点A(Θ_i)的时间为

以t表示当前时刻，θ_j(t)表示t时刻第j个关节的角位移。为了避免误差积累，在t₁，t₂，…，t_n时刻对关节角位移向量进行校正，以保证用表示变量赋值号，焊接过程的程序为：

(1)焊条端点对准焊缝始点；对i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，5，计算

(2)t＝0，i＝1；

(3)若对t＜t_i，对j＝1，2，…，5，第j个关节以角速度ω_ij旋转，否则

(4)若i＜n，转(3)；

(5)停止。

Claims (2)

1.一种焊接机械手及其路径学习方法，其特征在于：第1和第5个关节的转轴始终共面，5个关节上安装电机和编码器，编码器用于测量关节转动角度，测量结果通过数据线送计算机记录；第5个关节带有滑动伸缩杆以保证焊条与工件的接触；滑动伸缩杆由滑动箱(1)、滑动块(2)、滑动杆(3)和弹簧(4)组成；滑动箱(1)是一个带有立方体空腔的圆柱，一端与电机转轴固连，另一端与滑动杆(3)滑动连接；滑动杆(3)的一端与滑动箱(1)空腔内的滑动块(2)连接，另一端穿过弹簧(4)与末端执行器(5)连接。

2.根据权利要求1所述的一种焊接机械手及其路径学习方法，其特征在于：以O表示坐标系X₀Y₀Z₀的原点，O₁，…，O₅分别表示第1，2，…，5个坐标系的原点，长度、时间、角度、速度和角速度分别以毫米、秒、弧度、毫米/秒和弧度/秒为单位，且记

|OO₁|＝d₁，|O₂O₃|＝a₁，|O₃O₄|＝a₂

O₅与夹在末端执行器(5)上的焊条端点的距离为a₃，T表示各关节上的编码器的采样周期，分别表示第1，2，…，5个关节在第i个采样时刻的角位移，n+1为样本个数，||·||表示向量模，v表示焊接过程中焊条相对于焊缝的移动速度，对于i＝0，1，…，n，记

${\mathrm{\Θ}}_i={({\mathrm{\θ}}_1^{\left(i\right)},{\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)},...,{\mathrm{\θ}}_5^{\left(i\right)})}^T$

$A\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)={\left(\begin{array}{c}{\mathrm{cos\θ}}_1^{\left(i\right)}(a_1{\mathrm{cos\θ}}_2^{\left(i\right)}+a_{2}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}))+a_{3}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_4^{\left(i\right)}){\mathrm{cos\θ}}_5^{\left(i\right)}\\ {\mathrm{sin\θ}}_1^{\left(i\right)}(a_1{\mathrm{cos\θ}}_2^{\left(i\right)}+a_{2}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}))-a_3{\mathrm{sin\θ}}_5^{\left(i\right)}\\ d_1-a_1{\mathrm{sin\θ}}_2^{\left(i\right)}-a_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)})+a_5\sin ({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_4^{\left(i\right)}){\mathrm{cos\θ}}_5^{\left(i\right)}\end{array}\right)}^T$

${\mathrm{\ω}}_{ij}=({\mathrm{\θ}}_j^{\left(i\right)}-{\mathrm{\θ}}_j^{(i-1)})v/\left|\right|A\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)-A\left({\mathrm{\Θ}}_{i-1}\right)\left|\right|$

$t_i=\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}\left|\right|A\left({\mathrm{\Θ}}_k\right)-A\left({\mathrm{\Θ}}_{k-1}\right)\left|\right|/v$

以t表示当前时刻，θ_j(t)表示t时刻第j个关节的实际角位移，表示变量赋值号，路径规划和焊接过程的程序为：

(1)焊条端点对准焊缝始点；对i＝1，2，…，n，j＝1，2，…，5，计算

$A\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)={\left(\begin{array}{c}{\mathrm{cos\θ}}_1^{\left(i\right)}(a_1{\mathrm{cos\θ}}_2^{\left(i\right)}+a_{2}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}))+a_{3}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_4^{\left(i\right)}){\mathrm{cos\θ}}_5^{\left(i\right)}\\ {\mathrm{sin\θ}}_1^{\left(i\right)}(a_1{\mathrm{cos\θ}}_2^{\left(i\right)}+a_{2}cos({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}))-a_3{\mathrm{sin\θ}}_5^{\left(i\right)}\\ d_1-a_1{\mathrm{sin\θ}}_2^{\left(i\right)}-a_2\sin ({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)})+a_5\sin ({\mathrm{\θ}}_2^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_3^{\left(i\right)}+{\mathrm{\θ}}_4^{\left(i\right)}){\mathrm{cos\θ}}_5^{\left(i\right)}\end{array}\right)}^T$

$t_i=\underset{k=1}{\overset{i}{\Σ}}\left|\right|A\left({\mathrm{\Θ}}_k\right)-A\left({\mathrm{\Θ}}_{k-1}\right)\left|\right|/v$

${\mathrm{\ω}}_{ij}=({\mathrm{\θ}}_j^{\left(i\right)}-{\mathrm{\θ}}_j^{(i-1)})v/\left|\right|A\left({\mathrm{\Θ}}_i\right)-A\left({\mathrm{\Θ}}_{i-1}\right)\left|\right|$

(2)t＝0，i＝1；

(3)若对t＜t_i，对j＝1，2，…，5，第j个关节以角速度ω_ij旋转，否则

(4)若i＜n，转(3)；

(5)停止