对于移动式焊接机器人焊缝跟踪控制研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com试验研究俘搭移动式焊接机器人焊缝跟踪控制研究清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室(北京市100084)柳长春郑军吴峰潘际銮摘要针对在工业中有广泛应用前景的移动式焊接机器人，建立了机器人数学模型，并根据工作情况，对其进行了简化处理，在此基础上设计了控制器，并用李雅普诺夫直接法证明了该控制器的全局一致收敛性。对于弯曲焊缝跟踪问题，提出采用双线激光视觉传感器检测机器人位置偏差和姿态角偏差的方法，基于姿态角偏差的变化率，在线估计参考角速度的值。仿真和机器人运动试验验证

2、了该控制方法的有效性。关键词：移动焊接机器人焊缝跟踪李雅普诺夫方法双线传感器中图分类号：TP24字滑块组成。焊枪通过十字滑块与车体连接，具有横0前言向自由度，速度为。图1中，日表示焊枪前端，位姿坐焊接机器人是实现自动焊接的方法之一，已成为标为(，Y，0)，表示车体几何中心线速度，W表示车焊接自动化一个新的发展方向和研究热点⋯。移动式体角速度。lI机器人具有机构简单、适应性强、能够在非结构环境下进行作业等特点，具有很好的应用前景J。焊缝跟踪效果直接影响着机器人自动焊接的质量。一作为一类典型的非完整系统，移动

3、机器人的路径跟踪近年来引起了科研工作者的重视。Kanayama等伽(人采用动态反馈线性化方法获得指数收敛的跟踪控制率，该方法具有阶数高和闭环系统有奇异点的不足。一文献[2，4]采用backstepping方法设计了控制器，该控制器具有阶数低的优点，然而，控制器结构复杂，所需．一反馈量在工程中难以获取。此外，还有学者研究了模O糊控制在机器人路径跟踪中的应用，模糊控制虽然可图1机器人结构示意图以实现较大范围的有效跟踪，但模糊控制器性能受人为因素影响很大。假设轮子与地面之间满足纯滚动条件，以焊枪前文中对一类新型

4、的、具有4个自由度、受非完整约端坐标描述的机器人运动学方程如下：束的焊接机器人建立其运动模型，设计了焊缝跟踪控制器，并采用李雅普诺夫方法证明了该控制器可以实现跟踪误差的全局收敛，进行了仿真和机器人试验，验证了该方法的有效性。1机器人运动学模型式中，s表示机械臂在固连坐标系中的位移。机器人结构如图1所示。机器人由车体、焊枪、十假设焊缝为参考机器人行走的虚拟轨迹，其坐标为(，Y，，，)，参考速度为(，，)，且满足非完整约束条件：收稿日期：2012—04—21基金项目：水下焊接机器人(863计划)(041502

5、022)。·sin(0，)=，·COS(0，)(2)2012年第9期2l学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com一试验研究r缛掳对夹角的滤波采用酉1(1，2⋯1l，10⋯1)作为卷超过0·3mm，跟踪过程平稳’完全可以满足焊接需要。积模板，对信号进行实时处理，相当于信号通过了一个低通滤波器，滤波效果如图5，图6所示。图7圆周曲线跟踪轨迹图5滤波前夹角信号T暑／竹T山．＼、，簿一一一一O0OO0O01100112遥5O5O5050O2O图8圆周曲线跟踪误差⋯角速度图6滤波后夹

6、角信号一速度夹角信号经过滤波处理后较为平稳，可以用来估计参考角速率。此外，将传感器与焊枪固连，则可以检测焊枪的位置偏差。4仿真试验研究4060801o0为了验证算法的有效性，基于MATLAB平台对控时间t／s制器公式(6)的跟踪性能进行了仿真试验研究。试验输入信号中k，k：分别取1，0．2。4．1试验1圆周曲线跟踪4．2试验2直线焊缝跟踪目标轨迹圆心为(0，0)，半径r=1m的圆周，参考针对焊接作业中很普遍的直线或小曲率焊缝，进速度V=2．4m／min，初始时刻机器人静止，位姿坐标行仿真试验。此时跟踪控制

7、器中tO=0，控制算法大为(0，一0．95，0)，跟踪结果如图7所示，跟踪误差如为简化。目标轨迹为直线Y=0，参考速度V，=2．4m／图8所示。min，机器人初始位姿坐标为(0，0．02，0)，跟踪结果如图8和图9输入信号光滑有界，位置偏差Y最大不图1O所示。2012年第9期23学兔兔www.xuetutu.com5结论针对移动焊接机器人焊缝跟踪控制问题，建立了误差模型并对其进行了简化，设计了跟踪控制器，理论和仿真试验证明该控制器可以实现焊缝的高精度平稳跟踪。针对控制其中的前馈项参考加速度，设计了双线激光

8、视觉传感器，检测机器人位置和角度偏差，实时估计参考角速度的值，试验表明该方法可以获得光滑图10直线焊缝跟踪轨迹的参考角速度。稳态跟踪误差(图11)小于0．01mm，超调量小于参考文献10％，可以满足焊接要求。欧光峰，张华，刘国平，等．履带式智能弧焊机器人焊缝跟踪控制系统[J]．机器人，2003(5)：448—451．[2]高延峰，张华，彭俊裴，等．轮式移动焊接机器人弯曲焊缝跟踪控制[J]．机器人，2007(5)：439～442