焊接機器人主要工作原理

現(xiàn)在廣泛應用的焊接機器人都屬于第一代工業(yè)機器人，它的基本工作原理是示教再現(xiàn)。示教也稱導引，即由用戶導引機器人，一步步按實際任務操作一遍，機器人在導引過程中自動記憶示教的每個動作的位置、姿態(tài)、運動參數(shù)＼工藝參數(shù)等，并自動生成一個連續(xù)執(zhí)行全部操作的程序。完成示教后，只需給機器人一個啟動命令，機器人將精確地按示教動作，一步步完成全部操作。這就是示教與再現(xiàn)。

實現(xiàn)上述功能的主要工作原理，簡述如下：

1. 機器人的系統(tǒng)結構 一臺通用的工業(yè)機器人，按其功能劃分，一般由 3 個相互關連的部分組成：機械手總成、控制器、示教系統(tǒng)，如圖 1 所示。

圖 1 工業(yè)機器人的基本結構

機械手總成是機器人的執(zhí)行機構，它由驅動器、傳動機構、機器人臂、關節(jié)、末端操作器、以及內部傳感器等組成。它的任務是精確地保證末端操作器所要求的位置，姿態(tài)和實現(xiàn)其運動。

控制器是機器人的神經(jīng)中樞。它由計算機硬件、軟件和一些專用電路構成，其軟件包括控制器系統(tǒng)軟件、機器人專用語言、機器人運動學、動力學軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷、白保護功能軟件等，它處理機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。

示教系統(tǒng)是機器人與人的交互接口，在示教過程中它將控制機器人的全部動作，并將其全部信息送入控制器的存儲器中，它實質上是一個專用的智能終端。

(2) 機器人手臂運動學 機器人的機械臂是由數(shù)個剛性桿體由旋轉或移動的關節(jié)串連而成，是一個開環(huán)關節(jié)鏈，開鏈的一端固接在基座上，另一端是自由的，安裝著末端操作器 ( 如焊槍 ) ，在機器人操作時，機器人手臂前端的末端操作器必須與被加工工件處于相適應的位置和姿態(tài)，而這些位置和姿態(tài)是由若干個臂關節(jié)的運動所合成的。因此，機器人運動控制中，必須要知道機械臂各關節(jié)變量空間和末端操作器的位置和姿態(tài)之間的關系，這就是機器人運動學模型。一臺機器人機械臂幾何結構確定后，其運動學模型即可確定，這是機器人運動控制的基礎。

**機器人手臂運動學中有兩個基本問題。 **

1. 對給定機械臂，己知各關節(jié)角矢量 g(f)=[gl(t) ，g2(t) ，...... gn(i)] '，其中 n 為自由度。求末端操作器相對于參考坐標系的位置和姿態(tài)，稱之為運動學正問題。在機器人示教過程中。機器人控制器即逐點進行運動學正問題運算。
2. 對給定機械臂，已知末端操作器在參考坐標系中的期望位置和姿態(tài)，求各關節(jié)矢量，稱之為運動學逆問題。在機器人再現(xiàn)過程中，機器人控制器即逐點進行運動學逆問題運算，將角矢量分解到機械臂各關節(jié)。

運動學正問題的運算都采用 D-H 法，這種方法采用 4X4 齊次變換矩陣來描述兩個相鄰剛體桿件的空間關系，把正問題簡化為尋求等價的 4X4 齊次變換矩陣。逆問題的運算可用幾種方法求解，最常用的是矩陣代數(shù)、迭代或幾何方法 ob 在此不作具體介紹，可參考文獻 [1]。對于高速、高精度機器人，還必須建立動力學模型， 由于目前通用的工業(yè)機器人 ( 包括焊接機器人 ) 最大的運動速度都在 3m ／ s 內，精度都不高于 O.1mm ，所以都只做簡單的動力學控制，動力學的計算方法可參考文獻正 [1 ～ 3] 。

(3) 機器人軌跡規(guī)劃 機器人機械手端部從起點 ( 包括，位置和姿態(tài) ) 到終點的運動軌跡空間曲線叫路徑，軌跡規(guī)劃的任務是用一種函數(shù)來“內插”或“逼近”給定的路徑，并沿時間軸產(chǎn)生一系列“控制設定點”，用于控制機械手運動。

目前常用的軌跡規(guī)劃方法有關節(jié)變量空間關節(jié)插值法和笛卡爾空間規(guī)劃兩種方法。具體算法可參考文獻 [1 ，4] 。

(4) 機器人機械手的控制 當一臺機器人機械手的動態(tài)運動方程已給定。它的控制目的就是按預定性能要求保持機械手的動態(tài)響應。但是由于機器人機械手的慣性力、耦合反應力和重力負載都隨運動空間的變化而變化，因此要對它進行高精度乙斗高速、高動態(tài)晶質的控制是相當復雜而困難的，現(xiàn)在正在為此研究和發(fā)展許多新的控制方法。

目前工業(yè)機器人上采用的控制方法是把機械手上每一個關節(jié)都當作一個單獨的伺服機構，即把一個非線性的、關節(jié)間耦合的變負載系統(tǒng)，簡化為線性的非耦合單獨系統(tǒng)。每個關節(jié)都有兩個伺服環(huán)，機械手伺服控制系統(tǒng)見圖 2 外環(huán)提供位置誤差信號，內環(huán)由模擬器件和補嘗器 ( 具有衰減速度的微分反饋 ) 組成，兩個伺服環(huán)的增益是固定不變的。因此基本上是一種比例積分微分控制方法 (PID 法 ) 。這種控制方法，只適用于目前速度、精度要求不高和負荷不大的機器人控制，對常規(guī)焊接機器人來說，已能滿足要求 。

圖 2 機械手伺服控制體系結構

(5) 機器人編程語言 機器人編程語言是機器人和用戶的軟件接口，編程語言的功能決定了機器人的適應性和給用戶的方便性，至今還沒有完全公認的機器人編程語言，每個機器人制造廠都有自己的語言。

實際上，機器人編程與傳統(tǒng)的計算機編程不同，機器人操作的對象是各類三維物體，運動在一個復雜的空間環(huán)境，還要監(jiān)視和處理傳感器信息。因此其編程語言主要有兩類：面向機器人的編程語言和面向任務的編程語言。

面向機器人的編程語言的主要特點是描述機器人的動作序列，每一條語句大約相當于機器人的一個動作，整個程序控制機器入完種：

1. 專用的機器人語言，如 PUMA 機器人的 VAL 語言，是專用的機器人控制語言，它的最新版本是 VAL-I 和 V+ ·······。
2. 在現(xiàn)有計算機語言的基礎上加機器人子程序庫。如美國機器人公司開發(fā)的 AR — Basic 和 Intelledex 公司的 Robot — Basic 語言，都是建立在 BASIC 語言上的。
3. 開發(fā)一種新的通用語言加上機器人子程序庫。如 IBM 公司開發(fā)的 AML 機器人語言。

面向任務的機器人編程語言允許用戶發(fā)出直接命令，以控制機器人去完成一個具體的任務，而不需要說明機器人需要采取的每一個動作的細節(jié)。如美國的 RCCL 機器人編程語言，就是用 C 語言和一組 C 函數(shù)來控制機器人運動的任務級機器人語言。

焊接機器人的編程語言，目前都屬于面向機器人的語言，面向任務的機器人語言尚屬開發(fā)階段。大都是針對裝配作業(yè)的需要。