2919 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)
2919 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu),集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計姓名：錢瑞 學(xué)號：0501510131 指導(dǎo)教師：吳晟摘要 隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運(yùn)動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，還有三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對整個機(jī)器人的總體設(shè)。通過對小車的受力分析完成對車輪、車體的設(shè)計。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對完成對電機(jī)的選擇。最后對所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機(jī)器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機(jī)器人的自主性還很低 ,基本上還不具有自主的運(yùn)動規(guī)劃能力。未來的發(fā)展趨勢為三個方面：選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復(fù)雜的焊接任務(wù)；由于控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展，這也將是移動焊接機(jī)器人的控制所采用。目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動焊專機(jī)，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角（焊接工藝參數(shù)也未有變化） ，如圖 1所示，在直線段與在波內(nèi)斜邊段，焊接速度方向恒為水平向右，而焊槍與焊縫保持垂直，故焊槍與焊接速度的夾角不能保持恒定，直接導(dǎo)致在直線段的焊縫成形與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形不能保持一致，進(jìn)而導(dǎo)致在直線段焊接與在波內(nèi)斜邊段焊接的焊縫的質(zhì)量不一樣，進(jìn)而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。圖 1 集裝箱波紋板示意圖為此，本課題所涉及的內(nèi)容主要是兩塊，分別為關(guān)于集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1 機(jī)構(gòu)方案(1) 根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運(yùn)動關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運(yùn)動的末端效應(yīng)器3（如圖2） 。圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）(2) 求出三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)逆解，并且該解滿足一定的約束，能夠有效的解決在集裝箱波紋板在直線段中焊接的焊縫成形與在波內(nèi)斜邊段中焊接的焊縫成形不一致。(3) 所要解決的問題熟悉運(yùn)動學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動學(xué)模型、找出變換關(guān)系、逆解。(4) 方法齊次坐標(biāo)變換方法。2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運(yùn)動關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1） 。所要解決的問題及任務(wù)：小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機(jī)功率的估計，驅(qū)動電機(jī)的選擇傳動的校核。其它：擺動關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。3 運(yùn)動學(xué)逆解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析指的是機(jī)器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據(jù)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)變量 qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機(jī)器人末端的位姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析（正向運(yùn)動學(xué)） ；反之，為了使機(jī)器人所握工具相對參考系的位置滿足給定的要求，計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。在該課題里，很顯然這里是已知末端執(zhí)行器端點(diǎn)（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，即三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律，故為運(yùn)動學(xué)逆解。3.1 運(yùn)動學(xué)模型簡化由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動：焊槍末端運(yùn)動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動學(xué)逆解時，對實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對其采取等效處理：(1) 將關(guān)節(jié) 1（左右平移的焊接機(jī)器人本體 1）與關(guān)節(jié) 2（前后移動的十字滑塊 2）之間沿 Z軸的距離和關(guān)節(jié) 2與關(guān)節(jié) 3（做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的末端效應(yīng)器 3）的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離視為零，這對分析結(jié)果是等效的。(2) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在 X-Y平面上進(jìn)行等效。3.2 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個坐標(biāo)系的 X，Y 方向如圖 2所示，Z 方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡化等效思想可知各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都處在 Z=0平面上。3.3 求其次變換3.4 運(yùn)動學(xué)逆解的結(jié)果由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個運(yùn)動關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動規(guī)律協(xié)調(diào)動作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)行焊接，將較好的解決波紋直線焊縫與波內(nèi)斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。各段關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律如下（一個周期內(nèi)運(yùn)動軌跡如圖 3）：圖 3 波紋的一個周期的各個運(yùn)動階段的分段示意圖AB段（過渡段 1）(1) 直線段A??該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn) ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w(2) 圓弧段AB?該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2?????(3) 斜線段??該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn) 角度。BC段（波內(nèi)斜邊段 1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 3不轉(zhuǎn)動， 。0,?????CD段（過渡段 2）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。其中，C→C 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn) 角度，C →D 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)' 2''節(jié)不旋轉(zhuǎn)，D →D 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn) 角度。' ?DE段（直線段 1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 3不轉(zhuǎn)動， 。0,????EF段（過渡段 3）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。其中，E→E 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn) 角度，E →F 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)' 2?''節(jié)不旋轉(zhuǎn)，F(xiàn) →F 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn) 角度。'FG段（波內(nèi)斜邊段 2）該階段： ；并滿足焊接速度相對焊縫恒定，焊槍與焊縫保持0,??????垂直關(guān)系。GH段（過渡段 4）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。這里分三個小運(yùn)動階段，其中，G→G 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn) 角' 2?度，G →H 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， H →H 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)'' '角度。2?HI段（直線段 2）該階段運(yùn)動： 0,????；并滿足焊接速度相對于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關(guān)系。4 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括方案選擇；功率估計；電機(jī)選擇；校核等內(nèi)容。具體的設(shè)計方案及參數(shù)如下：傳動順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。?主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計比較容易。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機(jī)、齒輪如下：選用的電機(jī)參數(shù)如下：（1）傳動電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)型號：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；電壓：120-310v；相數(shù)：2 ；電流：6 A；靜轉(zhuǎn)矩：270 ；cmkg?空載運(yùn)行頻率 ；18?轉(zhuǎn)動慣量： 。2?（2）擺動關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號是 Maxon 組合體系：電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W；行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為 19：1；編碼器：HEDS 55。選用的齒輪參數(shù)如下：齒輪直徑 ，齒寬為 ，模數(shù)為 1。m8035參 考 文 獻(xiàn)[1] 原 魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34.[2] 張效祖.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J] . WMEM,2007,(05):25～26.[3] 宋海宏 .機(jī)器人技術(shù)展望[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報,2006,(04):43～45.[4] 顧震宇.全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機(jī)電一體化,20006,(02):56～57.[5] 坪島茂彥 中村修照 .電動機(jī)實(shí)用技術(shù)指南[M].北京：科學(xué)出版社，2003.[6] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.[7] 溫效朔.機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀[M].合肥：安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，(11) ：124～125.[8] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[9] 吳林，張廣軍，高洪明.焊接機(jī)器人技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[10] 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[11] I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[12] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．[13] 孔宇，戴明，吳林．機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺三點(diǎn)焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報，1997．[14] 王軍波等．基于 CCD 傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤 [J]．焊接學(xué)報，2001．[15] 徐培全等．基于機(jī)器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]．焊接，2005．集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計姓名：錢瑞 學(xué)號：0501510131 指導(dǎo)教師：吳晟摘要 隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運(yùn)動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，還有三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對整個機(jī)器人的總體設(shè)。通過對小車的受力分析完成對車輪、車體的設(shè)計。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對完成對電機(jī)的選擇。最后對所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機(jī)器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機(jī)器人的自主性還很低 ,基本上還不具有自主的運(yùn)動規(guī)劃能力。未來的發(fā)展趨勢為三個方面：選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c圖象處理方面相關(guān)的技術(shù)得到發(fā)展；采用多傳感信息融合技術(shù)以面對更為復(fù)雜的焊接任務(wù)；由于控制技術(shù)由經(jīng)典控制到向智能控制技術(shù)的發(fā)展，這也將是移動焊接機(jī)器人的控制所采用。目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動焊專機(jī)，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角（焊接工藝參數(shù)也未有變化） ，如圖 1所示，在直線段與在波內(nèi)斜邊段，焊接速度方向恒為水平向右，而焊槍與焊縫保持垂直，故焊槍與焊接速度的夾角不能保持恒定，直接導(dǎo)致在直線段的焊縫成形與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形不能保持一致，進(jìn)而導(dǎo)致在直線段焊接與在波內(nèi)斜邊段焊接的焊縫的質(zhì)量不一樣，進(jìn)而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。圖 1 集裝箱波紋板示意圖為此，本課題所涉及的內(nèi)容主要是兩塊，分別為關(guān)于集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1 機(jī)構(gòu)方案(1) 根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運(yùn)動關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運(yùn)動的末端效應(yīng)器3（如圖2） 。圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）(2) 求出三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)逆解，并且該解滿足一定的約束，能夠有效的解決在集裝箱波紋板在直線段中焊接的焊縫成形與在波內(nèi)斜邊段中焊接的焊縫成形不一致。(3) 所要解決的問題熟悉運(yùn)動學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動學(xué)模型、找出變換關(guān)系、逆解。(4) 方法齊次坐標(biāo)變換方法。2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運(yùn)動關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1） 。所要解決的問題及任務(wù)：小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機(jī)功率的估計，驅(qū)動電機(jī)的選擇傳動的校核。其它：擺動關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。3 運(yùn)動學(xué)逆解機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析指的是機(jī)器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據(jù)機(jī)器人各個關(guān)節(jié)變量 qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機(jī)器人末端的位姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)分析（正向運(yùn)動學(xué)） ；反之，為了使機(jī)器人所握工具相對參考系的位置滿足給定的要求，計算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃和軌跡控制的基礎(chǔ)。在該課題里，很顯然這里是已知末端執(zhí)行器端點(diǎn)（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動，即三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律，故為運(yùn)動學(xué)逆解。3.1 運(yùn)動學(xué)模型簡化由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動：焊槍末端運(yùn)動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動學(xué)逆解時，對實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對其采取等效處理：(1) 將關(guān)節(jié) 1（左右平移的焊接機(jī)器人本體 1）與關(guān)節(jié) 2（前后移動的十字滑塊 2）之間沿 Z軸的距離和關(guān)節(jié) 2與關(guān)節(jié) 3（做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的末端效應(yīng)器 3）的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離視為零，這對分析結(jié)果是等效的。(2) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在 X-Y平面上進(jìn)行等效。3.2 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個坐標(biāo)系的 X，Y 方向如圖 2所示，Z 方向都垂直該俯視圖，且由前面的簡化等效思想可知各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動都處在 Z=0平面上。3.3 求其次變換3.4 運(yùn)動學(xué)逆解的結(jié)果由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個運(yùn)動關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動規(guī)律協(xié)調(diào)動作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)行焊接，將較好的解決波紋直線焊縫與波內(nèi)斜邊焊縫成形不能保持一致的難題。各段關(guān)節(jié)的運(yùn)動規(guī)律如下（一個周期內(nèi)運(yùn)動軌跡如圖 3）：圖 3 波紋的一個周期的各個運(yùn)動階段的分段示意圖AB段（過渡段 1）(1) 直線段A??該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn) ，并保證焊接速度 v 相對于焊縫為恒定。2?w(2) 圓弧段AB?該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， 0,2?????(3) 斜線段??該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn) 角度。BC段（波內(nèi)斜邊段 1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 3不轉(zhuǎn)動， 。0,?????CD段（過渡段 2）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。其中，C→C 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn) 角度，C →D 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)' 2''節(jié)不旋轉(zhuǎn)，D →D 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn) 角度。' ?DE段（直線段 1）這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 3不轉(zhuǎn)動， 。0,????EF段（過渡段 3）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。其中，E→E 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn) 角度，E →F 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)' 2?''節(jié)不旋轉(zhuǎn)，F(xiàn) →F 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn) 角度。'FG段（波內(nèi)斜邊段 2）該階段： ；并滿足焊接速度相對焊縫恒定，焊槍與焊縫保持0,??????垂直關(guān)系。GH段（過渡段 4）這一階段里的處理思想方法與過渡段 1是一樣的。這里分三個小運(yùn)動階段，其中，G→G 斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn) 角' 2?度，G →H 圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)， H →H 直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)'' '角度。2?HI段（直線段 2）該階段運(yùn)動： 0,????；并滿足焊接速度相對于焊縫保持恒定，焊槍與焊縫的夾角保持垂直關(guān)系。4 車體結(jié)構(gòu)設(shè)計車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要包括方案選擇；功率估計；電機(jī)選擇；校核等內(nèi)容。具體的設(shè)計方案及參數(shù)如下：傳動順序?yàn)椋弘姍C(jī) 圓柱齒輪 固定齒條 （通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。?主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動，結(jié)構(gòu)相對簡單，設(shè)計比較容易。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機(jī)、齒輪如下：選用的電機(jī)參數(shù)如下：（1）傳動電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)型號：130BYG2501；步距角：0.9/1.8 度；電壓：120-310v；相數(shù)：2 ；電流：6 A；靜轉(zhuǎn)矩：270 ；cmkg?空載運(yùn)行頻率 ；18?轉(zhuǎn)動慣量： 。2?（2）擺動關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號是 Maxon 組合體系：電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為 40W；行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動比約為 19：1；編碼器：HEDS 55。選用的齒輪參數(shù)如下：齒輪直徑 ，齒寬為 ，模數(shù)為 1。m80355 針對本次畢業(yè)設(shè)計總結(jié)如下：(1)對該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計，并對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆解，證明該方案可行，能夠滿足集裝箱波紋板焊接的要求，能夠提高在直線段與在波內(nèi)斜邊段的焊縫成形的一致性，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。(2)完成了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動電機(jī)功率的估計計算與選擇；齒輪齒條傳動的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的選擇。(3)其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計。這些都是直接在圖紙上設(shè)計出來了。參 考 文 獻(xiàn)[1] 原 魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34.[2] 張效祖.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J] . WMEM,2007,(05):25～26.[3] 宋海宏 .機(jī)器人技術(shù)展望[J].山西煤炭管理干部學(xué)院學(xué)報,2006,(04):43～45.[4] 顧震宇.全球工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機(jī)電一體化,20006,(02):56～57.[5] 坪島茂彥 中村修照 .電動機(jī)實(shí)用技術(shù)指南[M].北京：科學(xué)出版社，2003.[6] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.[7] 溫效朔.機(jī)器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)狀[M].合肥：安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，(11) ：124～125.[8] 周伯英.工業(yè)機(jī)器人設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.[9] 吳林，張廣軍，高洪明.焊接機(jī)器人技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[10] 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.[11] I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.[12] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．[13] 孔宇，戴明，吳林．機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺三點(diǎn)焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報，1997．[14] 王軍波等．基于 CCD 傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤 [J]．焊接學(xué)報，2001．[15] 徐培全等．基于機(jī)器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]．焊接，2005．南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表學(xué)生姓名 錢瑞 學(xué) 號 0501510131 指導(dǎo)教師 武培軍 吳晟課題名稱 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析 及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計難易程度 偏難 適中 √ 偏易選題情況工作量 較大 合理 √ 較小任務(wù)書 有 √ 無開題報告 有 √ 無符合規(guī)范化 的要求外文翻譯質(zhì)量 優(yōu) 良 √ 中 差學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況 好 √ 一般 差工作進(jìn)度 快 按計劃進(jìn)行 √ 慢中期工作匯報及解答問題情況優(yōu) 良 √ 中 差中期成績評定：良所在專業(yè)意見：學(xué)習(xí)較主動、積極，態(tài)度認(rèn)真，階段成果較明顯。負(fù)責(zé)人： 年 月 日 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者 : 錢瑞學(xué) 號：0501510131系 部 : 機(jī)械工程系專 業(yè) : 機(jī)械工程及自動化題 目 : 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指導(dǎo)者： 評閱者： 2009 年 6 月吳晟 助教畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 中 文 摘 要隨著工業(yè)水平的發(fā)展,重要的大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。而這些焊接場合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動化的水平。無疑,將機(jī)器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合將有效地解決大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運(yùn)動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動，還有三個關(guān)節(jié)的運(yùn)動之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對整個機(jī)器人的總體設(shè)。通過對小車的受力分析完成對車輪、車體的設(shè)計。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對完成對電機(jī)的選擇。最后對所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)構(gòu)設(shè)計 運(yùn)動學(xué)逆解 強(qiáng)度校核 畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書 （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Robot developt Abstract With the development of industrial level, it is important to large-scale structure of the application of welding more and more, including a large number of welding operations must be at the scene, such as robot welding corrugated containers, large ship cabin, the deck of the welding, a large spherical tank (tank), such as welding. These welding occasion, the welding robot to adapt to changes in weld, welding can be done to improve the level of automation. There is no doubt that technology and robot seam tracking technology to effectively solve large-scale structure of the automation field welding problems. Therefore the design of the robot is essential for the solution to this problem.The main subject of the completion of the robot inverse kinematics solution, the body design, the choice of motor and so on. The main robot inverse kinematics from the perspective of a cycle through the end of the known actuator position posture against the solution of the coordinates of the joints, and then completed the whole set up of the robot. Force analysis of the completed car wheels, car body design. According to the actual problems encountered in the operation of the completion of the motor choice. Finally, the gear selected for verification, so that it can complete the specific operating requirements.Keywords Robot technology Organization is designed The kinematics goes against solution he intensity is proofreaded 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系 部 ： 機(jī)械工程系專 業(yè) ： 機(jī)械工程及自動化學(xué) 生 姓 名： 錢瑞學(xué) 號：0501510131設(shè) 計 (論 文 )題 目 ： 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計起 迄 日 期 : 2009 年 3 月 09 日 ~ 6 月 14 日設(shè)計 (論文 )地點(diǎn) : 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院指 導(dǎo) 教 師 : 武培軍 吳 晟專 業(yè) 負(fù) 責(zé) 人 : 龔光容發(fā)任務(wù)書日期: 2009 年 2 月 26 日畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書1．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：針對集裝箱波紋板焊接自動化水平低的現(xiàn)狀，目前用于焊接集裝箱側(cè)板與頂側(cè)梁、底側(cè)梁的自動焊專機(jī)，由于在焊接過程中，焊槍不能隨波形的變化調(diào)整與焊槍速度的夾角（焊接工藝參數(shù)也未有變化） ，直接導(dǎo)致焊縫成形不能保持一致，進(jìn)而影響焊縫的質(zhì)量。該課題能有效的解決焊接過程中焊槍速度與波形夾角的問題，使焊接速度始終與波形垂直，進(jìn)而保證焊接的穩(wěn)定性，提高焊接成形的一致性，提高焊接質(zhì)量。2．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）：本課題是集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體機(jī)構(gòu)設(shè)計，通過十字滑塊選用，進(jìn)而組成的焊接機(jī)器人能夠解決波內(nèi)斜邊段焊縫外觀成形與直線段焊縫不一致的問題。研究內(nèi)容如下：1、在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，熟悉機(jī)器人的應(yīng)用的現(xiàn)場環(huán)境，明確設(shè)計目標(biāo)；2、設(shè)計出該焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案，并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)逆界，證明所選方案可行；3、設(shè)計出小車車體結(jié)構(gòu)，并在圖紙上繪制出機(jī)器人的裝配圖。應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求如下：1、所求焊接過渡段中的過渡運(yùn)動能較好的銜接直線段與波內(nèi)斜邊段的運(yùn)動；2、三自由度焊接機(jī)器人三個運(yùn)動關(guān)節(jié)可按照一定的運(yùn)動規(guī)律協(xié)調(diào)動作。畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書3．對本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：1、相關(guān)資料的英文翻譯與文獻(xiàn)綜述；2、焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案；3、小車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計及相關(guān)零件圖、裝配圖；4、畢業(yè)設(shè)計論文。畢業(yè)設(shè)計成果以設(shè)計圖樣和說明書形式提交。要求圖樣規(guī)范，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；說明書層次分明、論據(jù)可靠、計算正確、圖標(biāo)規(guī)范、語句通順。4．主要參考文獻(xiàn)：[1] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．[2] 孔宇，戴明，吳林．機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺三點(diǎn)焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報，1997．[3] 王軍波等．基于 CCD 傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤 [J]．焊接學(xué)報，2001．[4] 徐培全等．基于機(jī)器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]．焊接，2005．[5] 劉蘇宜，王國榮，鐘繼光．視覺系統(tǒng)在機(jī)器人焊接中的應(yīng)用與展望[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005．[6] 張柯等．移動焊接機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．焊接，2004．[7] 王其?。『高^程質(zhì)量實(shí)時傳感與控制[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000．畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）任 務(wù) 書5．本畢業(yè)設(shè)計（論文）課題工作進(jìn)度計劃：起 迄 日 期 工 作 內(nèi) 容2009 年3 月 9 日 ~ 3 月 23 日3 月 24 日 ~ 4 月 6 日4 月 7 日 ~ 5 月 11 日5 月 12 日 ~ 5 月 31 日6 月 1 日 ~ 6 月 9 日6 月 10 日 ~ 6 月 14 日熟悉課題，準(zhǔn)備相關(guān)資料，完成資料翻譯完成文獻(xiàn)綜述，撰寫開題報告，熟悉AutoCAD、Pro/Engineer 等繪圖軟件掌握焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理，完成三自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)逆解完成車體結(jié)構(gòu)設(shè)計，畫出相關(guān)的零件圖和裝配圖撰寫并打印設(shè)計說明書，整理相關(guān)資料準(zhǔn)備論文答辯所在專業(yè)審查意見：負(fù)責(zé)人： 2008 年 月 日系部意見：系部主任： 2008 年 月 日南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)前期工作材料學(xué) 生 姓 名 : 錢瑞 學(xué) 號： 0501510131系 部 : 機(jī)械工程系專 業(yè) : 機(jī)械工程及自動化設(shè)計 (論 文 )題 目 : 集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指 導(dǎo) 教 師 : 武培軍高工 吳晟助教材 料 目 錄序號 名 稱 數(shù)量 備 注1 畢業(yè)設(shè)計(論文)選題、審題表 12 畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書 13 畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告〔含文獻(xiàn)綜述〕 14 畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯〔含原文〕 15 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表 12009 年 5 月 南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯系 部： 機(jī)械工程系 專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化 姓 名： 錢 瑞 學(xué) 號： 0501510131 外文出處：The Internation Journal of Advanced Manufacturing Technology 附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。 指導(dǎo)教師評語：簽名： (用外文寫) 年 月 日注：請將該封面與附件裝訂成冊。附件 1：外文資料翻譯譯文應(yīng)用坐標(biāo)測量機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)姿態(tài)的標(biāo)定這篇文章報到的是用于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)標(biāo)定中能獲得全部姿態(tài)的操作裝置——坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）。運(yùn)動學(xué)模型由于操作器得到發(fā)展, 它們關(guān)系到基坐標(biāo)和工件。 工件姿態(tài)是從實(shí)驗(yàn)測量中引出的討論, 同樣地是識別方法學(xué)。允許定義觀察策略的完全模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)工作的目的是描寫參數(shù)辨認(rèn)和精確確認(rèn)。用推論原則的那方法能得到在重復(fù)時近連續(xù)地校準(zhǔn)機(jī)器人。關(guān)鍵字：機(jī)器人標(biāo)定 坐標(biāo)測量 參數(shù)辨認(rèn) 模擬學(xué)習(xí) 精確增進(jìn)1. 前言機(jī)器手有合理的重復(fù)精度 (0.3毫米)而知名, 但仍有不好的精確性(10.0 毫米)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器手精確性，機(jī)器人可能要校準(zhǔn)也是好理解 。 在標(biāo)定過程中， 幾個連續(xù)的步驟能夠精確地識別機(jī)器人運(yùn)動學(xué)參數(shù)，提高精確性。這些步驟為如下描述：1 操作器的運(yùn)動學(xué)模型和標(biāo)定過程本身是發(fā)展，和通常有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動學(xué)模型的工具實(shí)現(xiàn)的。作為結(jié)果的模型是定義基于廠商的運(yùn)動學(xué)參數(shù)設(shè)置錯誤量, 和識別未知的,實(shí)際的參數(shù)設(shè)置。2 機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)測量法(部分的或完成) 是拿走為了獲得從聯(lián)系到實(shí)際機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。3 實(shí)際的運(yùn)動學(xué)參數(shù)識別是系統(tǒng)地改變參數(shù)設(shè)置和減少在模型階段錯誤量的定義。一個接近完成辨認(rèn)由分析不同中間姿態(tài)變量P 和運(yùn)動學(xué)參數(shù)K 的微分關(guān)系決定：于是等價轉(zhuǎn)化得：兩者擇一, 問題可以看成為多維的優(yōu)化問題，這是為了減少一些定義的錯誤功能到零點(diǎn)，運(yùn)動學(xué)參數(shù)設(shè)置被改變。這是標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化問題和可能解決用的眾所周知的 方法。4 最后一步是機(jī)械手控制中的機(jī)器人運(yùn)動學(xué)識別和在學(xué)習(xí)之下的硬件系統(tǒng)的詳細(xì)資料。包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的這張紙用于標(biāo)度過程。 可獲得的幾個方法是可用于完成這任務(wù), 雖然他們相當(dāng)復(fù)雜，獲得數(shù)據(jù)需要大量的成本和時間。這樣的技術(shù)包括使用可視化的和自動化機(jī)械 ，伺服控制激光干涉計，有關(guān)聲音的傳感器和視覺傳感器 。理想測量系統(tǒng)將獲得操作器的全部姿態(tài)(位置和方向)，因?yàn)檫@將合并機(jī)械臂各個位置的全部信息。上面提到的所有方法僅僅用于唯一部分的姿態(tài), 需要更多的數(shù)據(jù)是為了標(biāo)度過程到進(jìn)行。2．理論文章中的理論描述，為了操作器空間放置的各自的位置，全部姿態(tài)是可測量的，雖然進(jìn)行幾個中間測量，是為了獲得姿態(tài)。測量姿態(tài)使用裝置是坐標(biāo)測量機(jī)(CMM),它是三軸的，棱鏡測量系統(tǒng)達(dá)到0.01毫米的精確。機(jī)器人操作器是能校準(zhǔn)的，PUMA 560 ，放置接近于 CMM，特殊的操作裝置能到達(dá)邊緣。圖 1顯示了系統(tǒng)不同部分安排。在這部分運(yùn)動學(xué)模型將是發(fā)展, 解釋姿態(tài)估算法，和參數(shù)辨認(rèn)方法。2.1 運(yùn)動學(xué)的參數(shù)在這部分，操作器的基本運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)將被規(guī)定，它關(guān)系到完全坐標(biāo)系統(tǒng)的討論, 和終點(diǎn)模型。從這些模型，用于可能的技術(shù)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)的識別將被規(guī)定，和描述決定這些參數(shù)的方法。那些基礎(chǔ)的模型工具用于描寫不同的物體和工件操作器位置空間的關(guān)系的方法是Denavit-Hartenberg方法，在Hayati 有調(diào)整計劃，停泊處 和當(dāng)二連續(xù)的接縫軸是名義上地平行的用于說明不相稱模型 。如圖2這中方法存在于物體或相互聯(lián)系的操作桿結(jié)構(gòu)中，和運(yùn)動學(xué)中需要從一個坐標(biāo)到另一個坐標(biāo)這種同類變化是被定義的。這種變化是相同形式的上面的關(guān)系可以解釋通過四個基本變化操作實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系n-1到結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系n的變化。只有需要找到與前一個的關(guān)系的四個變化是必需的，在那個時候連續(xù)的軸是不平行的， 定義為零點(diǎn)。n?當(dāng)應(yīng)用于一個結(jié)構(gòu)到下一個結(jié)構(gòu)的等價變化坐標(biāo)系與更改Denavit-Hartenberg系相一致時，它們將被書寫成矩陣元素實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)參數(shù)功能的矩陣形狀。這些參數(shù)是變化的簡單變量：關(guān)節(jié)角 ，連桿偏置 , 連桿長度 ，扭角 ，矩陣通常n?ndnan?表示如下：對于多連接的, 例如機(jī)械操作臂,各自連續(xù)的鏈環(huán)和兩者瞬間的位置描寫在前一個矩陣變化中。這種變化從底部鏈環(huán)開始到第n鏈環(huán)因此關(guān)系如下：圖3表示出PUMA機(jī)器人在Denavit-Hartenberg系中每一連桿，完全坐標(biāo)系和工具結(jié)構(gòu)。變化從世界坐標(biāo)系到機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)考慮過，因?yàn)闈撛诘膮?shù)取決于被選擇的改變類型。考慮到圖4,世界坐標(biāo) ，在D-H系中定義的從世wzyx,界坐標(biāo)到機(jī)器人基坐標(biāo) ，坐標(biāo) 是 PUMA機(jī)器人定義的基坐標(biāo)和機(jī)器0,zyxbz,人第二個D-H結(jié)構(gòu)中坐標(biāo) 。我們感興趣的是從世界坐標(biāo)到 必需的最1 1,zyx小的參數(shù)數(shù)量。實(shí)現(xiàn)這種變化有兩種路徑：路徑1，從 到 D-H變w,0化包括四個參數(shù)，接著從 到 的變化將牽連二個參數(shù) 和 的變化0,zyxbz, `?d圖3圖4最后，另外從 到 的D-H變化中有四個參數(shù)其中 和 兩個參bzyx,1,z 1??`?數(shù)是關(guān)于軸Z 0因此不能獨(dú)立地識別， 和 是沿著軸Z 0因此也不能是獨(dú)立地識d?`別。因此，用這路徑它需要從世界坐標(biāo)到PUMA機(jī)器人的第一個坐標(biāo)有八個獨(dú)立的運(yùn)動學(xué)參數(shù)。路徑2，同樣地二中擇一，從世界坐標(biāo)到底部結(jié)構(gòu)坐標(biāo) 的變bzyx,化可以是直接定義。因此坐標(biāo)變換需要六個參數(shù)，如Euler形式：下面是從 到 D－H變化中的四個參數(shù)，但 與 相關(guān)聯(lián)，bzyx,1,z 1??b??,與 相關(guān)聯(lián)，減少成兩個參數(shù)。很顯然這種路徑和路徑1一樣需要八1d?zbp,個參數(shù)，但是設(shè)置不同。上面的方法可能使用于從世界坐標(biāo)系到PUMA機(jī)器人的第二結(jié)構(gòu)的移動中。在這工作中，選擇路徑2。工具改變引起需要六個特殊參數(shù)的改變的Euler形式：用于運(yùn)動學(xué)模型的參數(shù)總數(shù)變成30，他們定義于表12.2 辨認(rèn)方法學(xué)運(yùn)動學(xué)的參數(shù)辨認(rèn)將是進(jìn)行多維的消去過程, 因此避免了雅可比系統(tǒng)的標(biāo)定，過程如下：1. 首先假設(shè)運(yùn)動學(xué)的參數(shù), 例如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。2. 為選擇任意關(guān)節(jié)角的設(shè)置。3. 計算PUMA機(jī)器人末端操作器。4. 測量PUMA機(jī)器人末端操作器的位姿如關(guān)節(jié)角，通常標(biāo)準(zhǔn)的和預(yù)言的位姿將是不同的。5. 為了最好使預(yù)言位姿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的位姿，在整齊的方式更改運(yùn)動學(xué)的參數(shù)。這個過程應(yīng)用于不是單一的關(guān)節(jié)角設(shè)置而是一定數(shù)量的關(guān)節(jié)角，與物理測量數(shù)量等同的全部關(guān)節(jié)角設(shè)置是需要，必須滿足在這兒：Kp是識別的運(yùn)動學(xué)參數(shù)的數(shù)量N是測量位姿的數(shù)Dr是測量過程中自由度的數(shù)量文章中，給定了自由度的數(shù)量，贈值為因此全部位姿是測量的。在實(shí)踐中，更多的測量應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)測量法去掉補(bǔ)償結(jié)果。優(yōu)化程序使用命名為ZXSSO，和標(biāo)準(zhǔn)庫功能的IMSL。2.3 位姿測量法顯然它是從上面的方法確定PUMA機(jī)器人全部位姿是必需的為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。這種方法現(xiàn)在將詳細(xì)地描寫。如圖5所示，末端操作器由五個確定的工具組成。 考慮到借助于工具坐標(biāo)和世界坐標(biāo)中間各個坐標(biāo)的形式，如圖6這些坐標(biāo)的關(guān)系如下：是關(guān)于世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的第i個球的4x1列向量坐標(biāo), Pi是關(guān)于工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu),p第i個球的4x1坐標(biāo)的列向量, T是從世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)到工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)變化的4x4矩陣。設(shè)定Pi，測量出 ，然后算出T，使用于在標(biāo)定過程的位姿的測量。它是不,ip會很簡單，但是不可能由等式(11)反求出T。上面的過程由四個球A, B, C和D來實(shí)現(xiàn)，如下：或?yàn)橛捎赑`, T和P全部相符合，反解求的位姿矩陣在實(shí)踐中當(dāng)PUMA機(jī)器人放置在確定的位置上，對于CMM由四個球決定Pi是困難的。準(zhǔn)確的測量三個球，第四球根據(jù)十字相乘可以獲得考慮到?jīng)Q定的球中心坐標(biāo)的是基于球表面點(diǎn)的測量,沒有分析可獲到的程序。 另外，數(shù)字優(yōu)化的使用是為了求懲罰函數(shù)的最小解這里 是確定球中心， 是第 個球表面點(diǎn)的坐標(biāo)且 是球的半徑。),(wvu),(iizyx r在測試過程中，發(fā)現(xiàn)只測量四個表面上的點(diǎn)來確定中心點(diǎn)是非常有效的。附件 2：外文原文（復(fù)印件）Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-Measuring MachineThe work reported in this article addresses the kinematiccalibration of a robot manipulator using a coordinate measuringmachine (CMM) which is able to obtain the full pose ofthe end-effector. A kinematic model is developed for themanipulator, its relationship to the world coordinate frame andthe tool. The derivation of the tool pose from experimentalmeasurements is discussed, as is the identification methodology.A complete simulation of the experiment is performed, allowingthe observation strategy to be defined. The experimental workis described together with the parameter identification andaccuracy verification. The principal conclusion is that themethod is able to calibrate the robot successfully, with aresulting accuracy approaching that of its repeatability.Keywords: Robot calibration; Coordinate measurement; Parameteridentification; Simulation study; Accuracy enhancement1. IntroductionIt is well known that robot manipulators typically havereasonable repeatability (0.3 ram), yet exhibit poor accuracy(10.0 mm). The process by which robots may be calibratedin order to achieve accuracies approaching that of themanipulator is also well understood . In the calibrationprocess, several sequential steps enable the precise kinematicparameters of the manipulator to be identified, leading toimproved accuracy. These steps may be described as follows:1. A kinematic model of the manipulator and the calibrationprocess itself is developed and is usually accomplished withstandard kinematic modelling tools. The resulting modelis used to define an error quantity based on a nominal(manufacturer's) kinematic parameter set, and an unknown,actual parameter set which is to be identified.2. Experimental measurements of the robot pose (partial orcomplete) are taken in order to obtain data relating to theactual parameter set for the robot.3.The actual kinematic parameters are identified by systematicallychanging the nominal parameter set so as to reducethe error quantity defined in the modelling phase. Oneapproach to achieving this identification is determiningthe analytical differential relationship between the posevariables P and the kinematic parameters K in the formof a Jacobian,and then inverting the equation to calculate the deviation ofthe kinematic parameters from their nominal valuesAlternatively, the problem can be viewed as a multidimensionaloptimisation task, in which the kinematic parameterset is changed in order to reduce some defined error functionto zero. This is a standard optimisation problem and maybe solved using well-known methods.4. The final step involves the incorporation of the identifiedkinematic parameters in the controller of the robot arm,the details of which are rather specific to the hardware ofthe system under study.This paper addresses the issue of gathering the experimentaldata used in the calibration process. Several methods areavailable to perform this task, although they vary in complexity,cost and the time taken to acquire the data. Examples ofsuch techniques include the use of visual and automatictheodolites, servocontrolled laser interferometers ,acoustic sensors and vidual sensors . An ideal measuringsystem would acquire the full pose of the manipulator (positionand orientation), because this would incorporate the maximuminformation for each position of the arm. All of the methodsmentioned above use only the partial pose, requiring moredata to be taken for the calibration process to proceed.2. TheoryIn the method described in this paper, for each position inwhich the manipulator is placed, the full pose is measured,although several intermediate measurements have to be takenin order to arrive at the pose. The device used for the posemeasurement is a coordinate-measuring machine (CMM),which is a three-axis, prismatic measuring system with aquoted accuracy of 0.01 ram. The robot manipulator to becalibrated, a PUMA 560, is placed close to the CMM, and aspecial end-effector is attached to the flange. Fig. 1 showsthe arrangement of the various parts of the system. In thissection the kinematic model will be developed, the poseestimation algorithms explained, and the parameter identificationmethodology outlined.2.1 Kinematic ParametersIn this section, the basic kinematic structure of the manipulatorwill be specified, its relation to a user-defined world coordinatesystem discussed, and the end-point toil modelled. From thesemodels, the kinematic parameters which may be identifiedusing the proposed technique will be specified, and a methodfor determining those parameters described.The fundamental modelling tool used to describe the spatialrelationship between the various objects and locations in themanipulator workspace is the Denavit-Hartenberg method, with modifications proposed by Hayati, Mooringand Wu to account for disproportional models when two consecutive joint axes are nominally parallel. Asshown in Fig. 2, this method places a coordinate frame oneach object or manipulator link of interest, and the kinematicsare defined by the homogeneous transformation required tochange one coordinate frame into the next. This transformationtakes the familiar formThe above equation may be interpreted as a means totransform frame n-1 into frame n by means of four out ofthe five operations indicated. It is known that only fourtransformations are needed to locate a coordinate frame withrespect to the previous one. When consecutive axes are notparallel, the value of/3. is defined to be zero, while for thecase when consecutive axes are parallel, d. is the variablechosen to be zero.When coordinate frames are placed in conformance withthe modified Denavit-Hartenberg method, the transformationsgiven in the above equation will apply to all transforms ofone frame into the next, and these may be written in ageneric matrix form, where the elements of the matrix arefunctions of the kinematic parameters. These parameters aresimply the variables of the transformations: the joint angle0., the common normal offset d., the link length a., the angleof twist a., and the angle /3.. The matrix form is usuallyexpressed as follows:For a serial linkage, such as a robot manipulator, a coordinateframe is attached to each consecutive link so that both theinstantaneous position together with the invariant geometryare described by the previous matrix transformation. 'Thetransformation from the base link to the nth link will thereforebe given byFig. 3 shows the PUMA manipulator with theDenavit-Hartenberg frames attached to each link, togetherwith world coordinate frame and a tool frame. The transformationfrom the world frame to the base frame of themanipulator needs to be considered carefully, since there arepotential parameter dependencies if certain types of transformsare chosen. Consider Fig. 4, which shows the world framexw, y,, z,, the frame Xo, Yo, z0 which is defined by a DHtransform from the world frame to the first joint axis ofthe manipulator, frame Xb, Yb, Zb, which is the PUMAmanufacturer's defined base frame, and frame xl, Yl, zl whichis the second DH frame of the manipulator. We are interestedin determining the minimum number of parameters requiredto move from the world frame to the frame x~, Yl, z~. Thereare two transformation paths that will accomplish this goal:Path 1: A DH transform from x,, y,, z,, to x0, Yo, zoinvolving four parameters, followed by another transformfrom xo, Yo, z0 to Xb, Yb, Zb which will involve only twoparameters ~b' and d' in the transformFinally, another DH transform from xb, Yb, Zb to Xt, y~, Z~which involves four parameters except that A01 and 4~' areboth about the axis zo and cannot therefore be identifiedindependently, and Adl and d' are both along the axis zo andalso cannot be identified independently. It requires, therefore,only eight independent kinematic parameters to go from theworld frame to the first frame of the PUMA using this path.Path 2: As an alternative, a transform may be defined directlyfrom the world frame to the base frame Xb, Yb, Zb. Since thisis a frame-to-frame transform it requires six parameters, suchas the Euler form:The following DH transform from xb, Yb, zb tO Xl, Yl, zlwould involve four parameters, but A0~ may be resolved into4~,, 0b, ~, and Ad~ resolved into Pxb, Pyb, Pzb, reducing theparameter count to two. It is seen that this path also requireseight parameters as in path i, but a different set.Either of the above methods may be used to move fromthe world frame to the second frame of the PUMA. In thiswork, the second path is chosen. The tool transform is anEuler transform which requires the specification of sixparameters:The total number of parameters used in the kinematic modelbecomes 30, and their nominal values are defined in Table 1.2.2 Identification MethodologyThe kinematic parameter identification will be performed asa multidimensional minimisation process, since this avoids thecalculation of the system Jacobian. The process is as follows:1. Begin with a guess set of kinematic parameters, such asthe nominal set.2. Select an arbitrary set of joint angles for the PUMA.3. Calculate the pose of the PUMA end-effector.4. Measure the actual pose of the PUMA end-effector forthe same set of joint angles. In general, the measured andpredicted pose will be different.5. Modify the kinematic parameters in an orderly manner inorder to best fit (in a least-squares sense) the measuredpose to the predicted pose. The process is applied not to a single set of joint angles butto a number of joint angles. The total number of joint anglesets required, which also equals the number of physicalmeasurement made, must satisfyKp is the number of kinematic parameters to be identifiedN is the number of measurements (poses) takenDr represents the number of degrees of freedom present ineach measurement.In the system described in this paper, the number of degreesof freedom is given bysince full pose is measured. In practice, many more measurementsshould be taken to offset the effect of noise in theexperimental measurements. The optimisation procedure usedis known as ZXSSO, and is a standard library function in theIMSL package .2.3 Pose MeasurementIt is apparent from the above that a means to determine thefull pose of the PUMA is required in order to perform thecalibration. This method will now be described in detail. Theend-effector consists of an arrangement of five precisiontoolingballs as shown in Fig. 5. Consider the coordinates ofthe centre of each ball expressed in terms of the tool frame(Fig. 5) and the world coordinate frame, as shown in Fig. 6.The relationship between these coordinates may be writtenas:where Pi' is the 4 x 1 column vector of the coordinates ofthe ith ball expressed with respect to the world frame, P~ isthe 4 x 1 column vector of the coordinates of the ith ballexpressed with respect to the tool frame, and T is the 4 ? 4homogenious transform from the world frame to the toolframe.Then may be found, and used as the measured pose in thecalibration process. It is not quite that simple, however, sinceit is not possible to invert equation (11) to obtain T. Theabove process is performed for the four balls, A, B, C andD, and the positions ordered as:or in the form:Since P', T and P are all now square, the pose matrix maybe obtained by inversion:In practice it may be difficult for the CMM to access fourbails to determine P~ when the PUMA is placed in certainconfigurations. Three balls are actually measured and a fourthball is fictitiously located according to the vector cross product:Regarding the determination of the coordinates of thecentre of a ball based on measured points on its surface,no analytical procedures are available. Another numericaloptimisation scheme was used for this purpose such that thepenalty function:was minimised, where (u, v, w) are the coordinates of thecentre of the ball to he determined, (x/, y~, z~) are thecoordinates of the ith point on the surface of the ball and ris the ball diameter. In the tests performed, it was foundsufficient to measure only four points (i = 4) on the surfaceto determine the ball centre.
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