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山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計說明書
畢業(yè)生姓名
：
張瑋源
專業(yè)
：
機 械 電 子 工 程
學(xué)號
：
180533024
指導(dǎo)教師
：
趙 麗
所屬系（部）
：
機 電 系
二〇二〇年五月
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（指導(dǎo)教師）評閱書
題目：
三自由度可移動焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機 電 系 機 械 電 子 工 程 專業(yè) 姓名張瑋源
設(shè)計時間：2020年2月17日~ 2020年5月11日
評閱意見：
成績：
指導(dǎo)教師： ?。ê炞郑?
職 務(wù)：
2020年 月 日
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（同行教師）評閱書
題目：
三自由度可移動焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
機 電 系 機 械 電 子 工 程 專業(yè) 姓名張瑋源
設(shè)計時間：2020年 2月17日~ 2020年5月11日
評閱意見：
評分內(nèi)容
具體要求
分值
得分
說明書工作量
字?jǐn)?shù)2.5萬字以上得20分；2萬字以上，不足2.5萬字得15分；2萬字以下的10分。
20
圖紙工作量
圖紙折合4張A0及以上得20分；不足4張A0，達(dá)3張以上，得15分；3張以下得10分。
20
說明書質(zhì)量
內(nèi)容完整，裝訂順序正確，結(jié)構(gòu)合理，文字通順；目錄、字體、字號、行距等符合要求，公式、插圖、表格使用合理；文獻翻譯質(zhì)量、篇幅符合規(guī)定要求。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。
30
圖紙質(zhì)量
圖紙組成元素完整，表達(dá)方式合理，圖框、標(biāo)題欄、線型、線寬及字體字號符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。存在0—2處錯誤得30分；3—5處錯誤得20分；5處以上得15分。
30
總分（百分制）
100
成績：
評閱教師： ?。ê炞郑?
職 務(wù)：
2020年 月 日
山西工程技術(shù)學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計答辯記錄及成績評定表
機 電 系 機 械 電 子 工 程 專業(yè) 姓名 張 瑋 源
答 辯 內(nèi) 容
問題摘要
答辯情況
記錄員： （簽名）
成 績 評 定
指導(dǎo)教師成績
評閱教師成績
答辯組評定成績
綜合成績
注：評定成績?yōu)?00分制，指導(dǎo)教師為20%，評閱教師為30%，答辯組為50%。
專業(yè)答辯組組長： （簽名）
2020年 月 日
三自由度可移動焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘 要
工業(yè)水平不斷的發(fā)展，大型焊接結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來越廣泛，其中多數(shù)的焊接工作必須在現(xiàn)場工作，如集裝箱波紋板焊接機器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲罐)的焊接等。在這種焊接場合下，焊接機器人只要適應(yīng)焊縫的變化，就可以提高焊接自動化的水平。所以將機器人技術(shù)和焊縫跟蹤技術(shù)結(jié)合可以更好地達(dá)成大型結(jié)構(gòu)件野外作業(yè)的自動化焊接的目標(biāo)。本課題要達(dá)成機器人運動學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計、電機的選擇等目標(biāo)。從機器人運動學(xué)逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運動學(xué)逆解，得出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照何種運動規(guī)律進行活動，還有關(guān)節(jié)運動之間的函數(shù)關(guān)系，從而完成對整個三自由度機器人的總體設(shè)計。經(jīng)過對小車的受力分析，設(shè)計車輪、車體。依據(jù)實際操作中碰到的問題完成對電機的選擇。最后對齒輪進行校核，保證齒輪能夠完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞：三自由度；機構(gòu)設(shè)計運動學(xué)逆解；強度校核；
I
Structure design of three-degree-of-freedom movable welding robot
Abstract
The continuous development of the industrial level, the application of large-scale welded structural parts is more and more extensive, most of the welding work must be on-site, such as container corrugated plate welding robots, large ship cabins, deck welding, large spherical tanks (storage tanks) ) Welding etc. In this welding situation, as long as the welding robot adapts to the changes in the welding seam, it can improve the level of welding automation. Therefore, the combination of robot technology and welding seam tracking technology can better achieve the goal of automatic welding of large structural parts in the field. This topic is to achieve the inverse solution of robot kinematics, the overall design of the car body, and the selection of motors. From the perspective of the inverse kinematics of the robot, complete the inverse kinematics within a cycle, and obtain the motion rules of the three joints according to the movement, and the functional relationship between the joint movements, thus completing the overall design of the entire robot . After analyzing the force of the car, design the wheel and car body. Complete the selection of the motor based on the problems encountered in actual operation. Finally, check the gears to ensure that the gears can complete the specific operation requirements.Abstract
Key words:Three degrees of freedom; mechanism design inverse kinematics; strength chec;
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 選題的依據(jù)及意義 1
1.1.1 選題的依據(jù) 1
1.1.2 選題的意義 2
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
1.2.3 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7
1.2.4 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 8
1.2.5 焊接機器人機構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 11
1.2.6 運動學(xué)分析的常用方法 13
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法 13
1.3.1 三自由度焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析 14
1.3.2 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 14
1.4 課題的完成情況 15
2 焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析 16
2.1 運動學(xué)分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換） 16
2.1.1 齊次坐標(biāo) 16
2.1.2 齊次變換 17
2.2 變換方程的建立 17
2.2.1 機構(gòu)運動原理 17
2.2.2 運動學(xué)模型 18
2.3 運動學(xué)分析處理方法 20
2.3.1 替換處理 20
2.3.2 銜接處理 20
2.3.3 逆解函數(shù) 21
2.4 逆解過程 21
2.4.1 AB段（過渡段1） 21
2.4.2 BC段（波內(nèi)斜邊段1） 25
2.4.3 CD段（過渡段2） 26
2.4.4 DE段（直線段1） 29
2.4.5 EF段（過渡段3） 30
2.4.6 FG段（波內(nèi)斜邊段2） 33
2.4.7 GH段（過渡段4） 34
2.4.8 HI段（直線段2） 37
2.5 結(jié)論 38
3 結(jié)構(gòu)設(shè)計 40
3.1 小車行走結(jié)構(gòu)設(shè)計 42
3.1.1 車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 42
3.1.2 小車驅(qū)動電機功率的確定 43
3.1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計里齒輪校核 47
3.1.4 結(jié)論 50
3.2 Y軸設(shè)計 50
3.2.1 Y軸方案設(shè)計 50
3.2.2 同步帶結(jié)構(gòu)設(shè)計 51
3.2.3 Y軸電機選型計算 53
3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇 54
3.3 結(jié)論 55
結(jié)束語 57
參考文獻 58
附 錄 61
外文文獻 62
中文譯文 69
致 謝 73
IV
山西工程技術(shù)學(xué)院――畢業(yè)設(shè)計說明書
1 緒論
我國制造業(yè)的發(fā)展主要是從工業(yè)技術(shù)的發(fā)展得以體現(xiàn)，其中最核心的是工業(yè)機器人技術(shù)。近些年我國工業(yè)機器人發(fā)展迅速，并逐步從示范應(yīng)用轉(zhuǎn)向大規(guī)模推廣,大大減少了生產(chǎn)制造對勞動力的依賴。目前我國研制的工業(yè)機器人已經(jīng)達(dá)目前，制造業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟的主體，是工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導(dǎo)力量，是衡量一個國家經(jīng)濟綜合實力和國際競爭力的重要標(biāo)志。我國大力發(fā)展制造業(yè)，實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展和加快經(jīng)濟轉(zhuǎn)型具有十分重要的戰(zhàn)略意義。而智能制造是引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”發(fā)展的核心，在以德國提出的工業(yè)“4.0”計劃、日本的新產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造戰(zhàn)略、美國的先進制造國家戰(zhàn)略計劃、歐盟的智能系統(tǒng)路線圖計劃等背景下，中國提出了“中國制造 2025”，充分認(rèn)識到智能制造裝備的重要戰(zhàn)略地位，努力從制造大國轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞆妵?
到工業(yè)應(yīng)用水平，尤其是在汽車制造業(yè)中有更廣泛的應(yīng)用，比如電焊、裝配、噴涂機器人等。我國工業(yè)機器人技術(shù)正在向更智能化、現(xiàn)代化和科學(xué)化的方向發(fā)展。
1.1 選題的依據(jù)及意義
這里介紹該課題的選題背景，以及完成該課題的意義。
1.1.1 選題的依據(jù)
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，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1.1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，進而制約集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。
圖1.1 集裝箱波紋板示意圖
1.1.2 選題的意義
焊接機器人是目前最大的工業(yè)機器人應(yīng)用領(lǐng)域，焊接機器人之所以能夠占據(jù)整個工業(yè)機器人總量的40%以上，與焊接這個特殊的行業(yè)有關(guān)，焊接作為工業(yè)“裁縫”，是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的加工手段，同時由于焊接煙塵、弧光、金屬飛濺的存在，焊接的工作環(huán)境又非常惡劣。焊接質(zhì)量的好壞對產(chǎn)品質(zhì)量起決定性的影響。歸納起來采用焊接機器人有下列主要意義:
（1）穩(wěn)定和提高焊接質(zhì)量，保證其均一性。焊接參數(shù)如焊接電流、電壓、焊接速度及焊接干伸長度等對焊接結(jié)果起決定作用。采用機器人焊接時對于每條焊縫的焊接參數(shù)都是恒定的，焊縫質(zhì)量受人的因素影響較小，降低了對工人操作技術(shù)的要求，因此焊接質(zhì)量是穩(wěn)定的。而人工焊接時，焊接速度、干伸長等都是變化的，因此很難做到質(zhì)量的均一性。
（2）改善了工人的勞動條件。采用機器人焊接，工人只是用來裝卸工件，遠(yuǎn)離了焊接弧光、煙霧和飛濺等，對于點焊來說工人不再搬運笨重的手工焊鉗，使工人從大強度的體力勞動中解脫出來。
（3）提高勞動生產(chǎn)率。機器人沒有疲勞，一天可24小時連續(xù)生產(chǎn)，另外隨著高速高效焊接技術(shù)的應(yīng)用，使用機器人焊接，效率提高的更加明顯。
（4）產(chǎn)品周期明確，容易控制產(chǎn)品產(chǎn)量。機器人的生產(chǎn)節(jié)拍是固定的，因此安排生產(chǎn)計劃非常明確。
（5）可縮短產(chǎn)品改型換代的周期，減小相應(yīng)的設(shè)備投資?？蓪崿F(xiàn)小批量產(chǎn)品的焊接自動化。機器人與專機的最大區(qū)別就是他可以通過修改程序以適應(yīng)不同工件的生產(chǎn)。
本論文通過設(shè)計出集裝箱波紋板三自由度焊接機器人及對其進行運動學(xué)分析，能夠解決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這個問題，使得在直線段與在波內(nèi)斜邊段焊接時，焊槍與焊縫都保持垂直，相對于焊縫的焊接速度都恒為同一速度，進而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。三自由度可移動焊接機器人不僅可以有效提高焊接效率，而且可以降低其生產(chǎn)成本，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量，因此具有很高的現(xiàn)實意義和研究價值。
1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢包括三個方面：前面也提到這里的集裝箱波紋板三自由度焊接機器人（為移動焊接機器人）是為提高焊接自動化水平的，故這里為移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于運動學(xué)分析的常用方法。
1.2.1 機器人概述
1.2.1.1 機器人的定義
當(dāng)今，機器人技術(shù)越來越受到人們的重視，在很多領(lǐng)域已被廣泛的應(yīng)用。但不同的國家、不同的研究領(lǐng)域?qū)W者給出的定義不盡相同，雖然定義的基本原則大體一致，但仍有較大區(qū)別。一般地說，定義機器人是由程序控制的，具有人或生物的某些功能，可以代替人進行工作的機器。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)給出的機器人的定義是較為全面和準(zhǔn)確的，其定義涵蓋如下內(nèi)容:
(1) 機器人的動作機構(gòu)具有類似于人或其他生物體某些器官(肢體、感官等)的功能。
(2) 機器人具有通用性，工作種類多樣，動作程序靈活易變。
(3) 機器人具有不同程度的智能性，如記憶、感知、推理、決策、學(xué)習(xí)等。
(4) 機器人具有獨立性，完整的機器人系統(tǒng)在工作中不依賴于人的干預(yù)。
1.2.1.2 機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
機器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力、多種感覺能力以及對作業(yè)環(huán)境的較強自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。美國貝爾科爾公司已成功將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)裝配在芯片上，其分析速度比普通計算機快千萬倍，可更快、更好的完成語言識別、圖像處理等工作。目前，對全球機器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國家是美國和日本。美國在機器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機器人技術(shù)的發(fā)展推動了機器人學(xué)的建立，許多國家成立了機器人協(xié)會，美國、日本、英國、瑞典等國家設(shè)立了機器人學(xué)學(xué)位。
我國的機器人技術(shù)起步較晚，約20世紀(jì)70年代末、80 年代初開始。20世紀(jì)90年代中期，6000m以下深水作業(yè)機器人試驗成功，以后的近10年中，在步行機器人、精密裝配機器人、多自出度關(guān)節(jié)機器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進水平的差距。
1.2.2 焊接機器人概述
焊接機器人是焊接自動化的革命性進步，它突破了焊接剛性自動化的傳統(tǒng)方式，開拓了一種柔性自動化生產(chǎn)方式。
1.2.2.1 焊接機器人系統(tǒng)組成
焊接機器人要完成焊接作業(yè)，必須依賴于控制系統(tǒng)與輔助設(shè)備的支持和配合。完整的焊接機器人系統(tǒng)一般有以下幾個部分組成:遠(yuǎn)程控制站、控制器、執(zhí)行機構(gòu)、被控對象、焊接過程檢測系統(tǒng)等，由它們組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)來完成焊接工作。遠(yuǎn)程控制站通過串行接口與機器人控制器相連接,控制站主要用于在同一層次或不同層次的計算機形成通訊網(wǎng)絡(luò)，同時與傳感系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)焊接路徑和參數(shù)的離線編程、焊接專家系統(tǒng)的應(yīng)用及生產(chǎn)數(shù)據(jù)的管理，在工業(yè)機器人向著系統(tǒng)化，PC化和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展過程中發(fā)揮著重要的作用。
焊接機器人的控制器部分是整個機器人系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，它由計算機硬件、軟件和一些專用電路構(gòu)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(xué)及動力學(xué)軟件、機器人控制軟件、機器人自診斷及保護軟件等?？刂破髫?fù)責(zé)處理焊接機器人工作過程中的全部信息和控制其全部動作。所有現(xiàn)代機器人的控制器都是基于多處理器的，根據(jù)操作系統(tǒng)的指令，工業(yè)控制計算機通過系統(tǒng)總線實現(xiàn)對不同組件的驅(qū)動與協(xié)調(diào)控制。執(zhí)行機構(gòu)一般由驅(qū)動器、傳動機構(gòu)、機器人臂、關(guān)節(jié)以及內(nèi)部傳感器等組成。它的任務(wù)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?？刂茖ο笫呛附訖C器人完成作業(yè)的核心裝備，其主要由焊槍(弧焊)、焊鉗(點焊)、焊接控制器及水、電、氣等輔助部分組成。用于弧焊機器人的焊接電源及送絲設(shè)備由于參數(shù)選擇的需要，必須由機器人控制器直接控制，電源在其功能和接通時間上必須與自動過程相符。焊接過程檢測系統(tǒng)包括各類傳感器及設(shè)備的安全保護裝置。由于存在被焊工件幾何尺寸和位置誤差及焊接過程中熱輸入能引起的工件的變形，傳感器的任務(wù)是實現(xiàn)工件坡口的定位、跟蹤以及焊縫熔透信息的獲取，在機器人工作部還裝有各類傳感器，可以使機器人在過分接近工件或發(fā)生碰撞時停止工作；保護裝置主要包括驅(qū)動系統(tǒng)自斷電保護、動作超限位保護、超速保護、機器人系統(tǒng)工作空間干涉保護及人工急停斷電保護等等,他們起到防止機器人傷人或周邊設(shè)備的作用。
1.2.2.2 焊接機器人的分類
焊接機器人是一個機電一體化的設(shè)備，可以按用途、結(jié)構(gòu)、受控運動方式、驅(qū)動方法等觀點對其進行分類。按用途來分，焊接機器人可以分為以下兩類:
(1)弧焊機器人
弧焊機器人是包括各種電弧焊附屬裝置在內(nèi)的柔性焊接系統(tǒng)，而不是一臺以規(guī)劃的速度和姿態(tài)攜帶焊槍移動的單機，因而對其性能有著特殊的要求。在弧焊作業(yè)中，焊槍應(yīng)跟蹤工件的焊縫運動,并不斷的填充金屬。因此,運動過程中速度的穩(wěn)定性和軌跡精度是兩項重要指標(biāo)。
(2)點焊機器人
汽車工業(yè)是點焊機器人系統(tǒng)的一個典型的應(yīng)用領(lǐng)域，在裝配每臺汽車車體時，大約60%的焊點是機器人完成的。最初,電焊機器人只用于增強焊作業(yè)，后來為了保證拼接精度，又讓機器人完成定位焊作業(yè)。
按結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系統(tǒng)特點來分，焊接機器人可以分為以下幾類:
(1)直角坐標(biāo)型
這類機器人的結(jié)構(gòu)和控制方案是和機床類似，其到達(dá)空間位置的三個運動(x、y、z)是由直線運動構(gòu)成，運動方向互相垂直，其末端操作器的姿態(tài)調(diào)節(jié)由附加的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)。這種形式的機器人優(yōu)點是運動學(xué)模型簡單，各軸線位移分辨率在操作容積內(nèi)任一點_上均為恒定，控制精度容易提高;缺點是機構(gòu)龐大，工作空間小，操作靈活性差。
(2)圓柱坐標(biāo)型
這類機器人在基座水平轉(zhuǎn)臺上裝有立柱，水平臂可沿立柱上下運動并可以在水平方向伸縮，這種機構(gòu)方案的優(yōu)點是末端操作器可獲得較高的速度，缺點是末端操作器外伸離開立柱軸心愈遠(yuǎn)，其線位移分辨精度愈低。
(3)球坐標(biāo)型
與圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)相比較，這種結(jié)構(gòu)形式更為靈活。但采用同一分辨率的碼盤檢測角位移時，伸縮關(guān)節(jié)的線位移分辨率恒定，但轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)反映在末端操作器上的線位移分辨率則是個變量，增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。
(4)全關(guān)節(jié)型
全關(guān)節(jié)型機器人的機構(gòu)類似人的腰部和手部，其位置和姿態(tài)全部由旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)，其優(yōu)點是機構(gòu)緊湊，靈活性好，占地面積小，工作空間大，可獲得較高的末端操作器線速度;其缺點是運動學(xué)模型復(fù)雜，高精度控制難度大，空間線位移分辨率取決于機器人手臂的位姿。
根據(jù)受控運動方式，焊接機器人可以分為以下幾類:
(1)點位控制型
機器人受控運動方式為自一個點位目標(biāo)移向另一個點位目標(biāo)，只在目標(biāo)點上完成操作。要求機器人在目標(biāo)點上有足夠的點位精度，相鄰目標(biāo)點間的運動方式之一是各關(guān)節(jié)驅(qū)動機以最快的速度趨近重點，各關(guān)節(jié)視其轉(zhuǎn)角大小不同而到達(dá)終點有先有后另；一種運動方式是各關(guān)節(jié)同時趨近終點，由于各關(guān)節(jié)運動時間相同，所以角位移大的運動速度較快。點位控制機器人主要用于點焊作業(yè)。
(2)連續(xù)軌跡控制型
機器人各關(guān)節(jié)同時作受控運動，使機器人終端按預(yù)期的軌跡和速度運動，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要實時獲取驅(qū)動裝置的角位移和角速度信號。連續(xù)控制主要用于弧焊機器人。
按驅(qū)動方式分，焊接機器人各分為以下幾類:
(1)氣壓驅(qū)動
氣壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是氣源方便，驅(qū)動系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，易于保養(yǎng)；缺點是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，定位精度不高。氣壓驅(qū)動機器人適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。
(2)液壓驅(qū)動
液壓驅(qū)動系統(tǒng)的功率質(zhì)量比較大，驅(qū)動平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高、快速性好，同時液壓驅(qū)動調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速;主要缺點是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度,而且污染環(huán)境，液壓系統(tǒng)需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，因而成本較高。液壓驅(qū)動多用于要求輸出力較大、運動速度較低的場合。
(3) 電氣驅(qū)動
電氣驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力和轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機構(gòu)去驅(qū)動負(fù)載，以獲得要求的機器人運動。由于具有易于控制，運動精度高，使用方便，成本低廉，驅(qū)動效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點，電氣驅(qū)動是最普遍、應(yīng)用最多的驅(qū)動方式。
1.2.3 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里所設(shè)計的移動機器人為有軌移動焊接機器人，只是現(xiàn)有的移動焊接機器人技術(shù)在集裝箱波紋板焊接中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故，而當(dāng)前的移動焊接機器人技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。
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)前國內(nèi)外在移動焊接機器人方向研制的幾個典型移動焊接機器人如下：
(1)韓國Pukyong國立大學(xué)的Kam B O等研制的艙體格子形構(gòu)件焊接移動機器人這種機器人能夠在人比較難以達(dá)到的狹窄空間自主地實現(xiàn)焊接過程,能夠自動尋找焊縫的起始點。在遇到格子框架的拐角焊縫時,在保證焊接速度不變且焊炬準(zhǔn)確對準(zhǔn)焊縫的情況下,能夠自動調(diào)整機器人本體和十字滑塊的位置。
(2)日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者Suga等為平面薄板焊接研制的自主性移動焊接機器人
該機器人能夠直線前進,還可以利用兩個輪的差速控制小車的轉(zhuǎn)彎,它裝焊槍的臂可以伸縮，可以檢測焊縫的位置并精確的識別焊縫的形狀,如是直線焊縫、曲線焊縫、還是折線焊縫等。
(3)日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者Suga等研制了管道焊接自主移動機器人該機器人可以沿著管道移動 ,根據(jù)CCD攝取的圖象信息,在焊前可以自動尋找并識別焊縫,然后使機器人本體沿管道方向移動達(dá)到正確的焊接位置。
(4)清華大學(xué)機械工程系與北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁吸附輪式移動焊接機器人該機器人的焊炬跟蹤精度可達(dá)±0.5mm,能夠滿足實際工程應(yīng)用。
(5)上海交通大學(xué)研制的具有自尋跡功能的焊接移動機器人該機器人在焊前,小車能夠自動尋找焊縫并經(jīng)過軌跡推算后自動調(diào)整小車本體和焊炬的位姿到待焊狀態(tài)；在焊接過程中能夠進行橫向大范圍的實時焊縫跟蹤。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運動規(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行傳感跟蹤，因為與圖象處理方面相關(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器人的控制所采用。
1.2.4 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
這里所設(shè)計的移動機器人為有軌移動焊接機器人，只是現(xiàn)有的移動焊接機器人技術(shù)在集裝箱波紋板焊接中的應(yīng)用，是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故，而當(dāng)前的移動焊接機器人技術(shù)有相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。
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)前國內(nèi)外在移動焊接機器人方向研制的幾個典型移動焊接機器人如下：
針對船艙底部的格子形框架體組焊，韓國釜慶國立大學(xué)的KamBo等人研制了一款用于該焊接環(huán)境的輪式移動焊接機器。機器人采用四輪行走機構(gòu)，側(cè)面兩個車輪為驅(qū)動輪，前后兩車輪為起支撐作用的萬向輪。由于采用兩輪差速驅(qū)動，機器人負(fù)載能力較弱，容易打滑現(xiàn)象，前后各一萬輪的結(jié)構(gòu)使得機器人壁面適應(yīng)能力差，只能在較平整的平面上運動。
為實現(xiàn)雙層殼體船舶建造中的U字形焊縫的自動焊接，韓國首爾國立大學(xué)的Jongwon等人研發(fā)了-款移動焊接機器人一RRX3。該機器人由一個可移動的平臺以及一個6自由度(3P3R)的串聯(lián)焊接手臂組成。自主移動平臺由上下兩部分組成，上移動部分帶有驅(qū)動輪，驅(qū)動輪能以縱骨為軌道沿縱向移動；下移動部分與上移動部分以齒輪齒條相連，下移動部分可從上部分的底部沿橫向滑出，下移動部分能以縱骨為支撐點，兩者交替移動，從而使得機器人沿橫向移動。焊槍安裝在上移動部分的頂部，焊接手臂與移動平臺相互配合可到達(dá)船艙的任意位置。機器人的尺寸是1825mm x 495mm x 569mm，可通過尺寸為600mmx800mm的檢查孔。該機器人的移動平臺還應(yīng)用于船舶的噴丸除銹等。
之后，首爾國立大學(xué)的Namkug Ku、Ju-hwan Cha對RRX3機器人進行了改進，設(shè)計了另一個版本的RRX313-15。該版本的RRX3較第一個版本的改進處有兩點:第一，機器人的下移動部分改為從上移動部分的兩側(cè)伸出，機器人的縱向尺寸減小了700mm， 由原來的1825mm x 495mm x 569mm減小到1137mm x 495mm x 569mm,機器人的重量為353kg。因此，機器人能夠更好地適應(yīng)封閉的雙殼體船艙；第二，在第一個版本中機器人的電機驅(qū)動器是購買的，而該版本中電機的驅(qū)動器是自主研發(fā)的，這樣整個系統(tǒng)的制造成本降低了很多。
韓國現(xiàn)代重工技術(shù)研究院還研制了一款小型的可搬運的焊接機器人。該機器人由可搬運的五軸機器人本體，控制器以及焊接設(shè)備組成，可實現(xiàn)對雙殼船體中平焊縫和立焊縫的自動焊接。焊縫的起點位置由接觸式傳感器來探測，終點由電弧傳感器來探測。機器人重量為23kg, 外形尺寸為625mm x 356mm x 585mm。西班牙工業(yè)自動化協(xié)會研發(fā)一款用于封閉船艙中自動焊接的爬行機器人一ROWER117-201。該機器人由四部分組成:焊接手臂、焊接系統(tǒng)、可移動本體及視頻監(jiān)視系統(tǒng)。
日本的TaeKIM,TakeshiSUTO等針對平面薄板焊接研制的一款自主移動焊接機器人系統(tǒng)。該機器人系統(tǒng)主要由移動本體、兩CCD、TIG焊槍及控制器組成。機器人移動本體左右兩側(cè)各布置有一個驅(qū)動輪，前后各布置一個起支撐作用的腳輪，移動本體可實現(xiàn)直線行走，通過控制兩驅(qū)動輪的速度，機器人可繞其中心原地回轉(zhuǎn)。
日本慶應(yīng)大學(xué)學(xué)者Suga等研制了管道焊接自主移動機器人。該機器人可以沿著管道移動,根據(jù)CCD攝取的圖象信息,在焊前可以自動尋找并識別焊縫,然后使機器人本體沿管道方向移動達(dá)到正確的焊接位置。
上海交通大學(xué)研制了具有自尋跡功能的移動焊接機器人。機器人系統(tǒng)由磁性輪式移動機器人本體、焊炬位置調(diào)節(jié)機構(gòu)、傳感器及其掃描機構(gòu)以及控制系統(tǒng)等組成。機器人采用四輪移動機構(gòu)，差速驅(qū)動方式。小車最大運動速度為1.2m/min。 焊槍調(diào)整機構(gòu)采用十字滑塊調(diào)節(jié)機構(gòu)。
清華大學(xué)與南昌大學(xué)聯(lián)合研制了一款主要用于壁面、球面及管道等曲面焊接的無軌導(dǎo)全位置爬行式弧焊機器人。機器人系統(tǒng)由爬行機器人本體、焊縫跟蹤機構(gòu)、視覺跟蹤系統(tǒng)和微機智能控制系統(tǒng)組成。
南昌大學(xué)機器人研究所針對船艙底部狹小的格子形折角焊縫研制了一款輪式自主移動焊接機器人。機器人采用兩輪差速驅(qū)動，機器人共采用了四部直流伺服電機分別驅(qū)動兩車輪及十字滑臺。
上海交通大學(xué)付莊、陳善本等人針對大型艦船船體、大型球罐等結(jié)構(gòu)件的焊接，研制了一套具有新型爬行越障機構(gòu)的輪足組合越障全位置自主焊接機器人。機器人移動機構(gòu)為6輪組合式行走，焊槍調(diào)整機構(gòu)為5自由度關(guān)節(jié)機械手，吸附方式采用非接觸式永磁吸附，可在水平及垂直平面上執(zhí)行焊接作業(yè)，焊縫跟蹤采用雙目視覺傳感器。
清華大學(xué)機械工程系與北京石油化工學(xué)院裝備技術(shù)研究所聯(lián)合研制的球罐磁吸附輪式移動焊接機器人。該機器人的焊炬跟蹤精度可達(dá)±0.5mm,能夠滿足實際工程應(yīng)用。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動焊接機器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動將機器人本體、十字滑塊等調(diào)整到合適的待焊狀態(tài) ,也就是說機器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運動規(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行傳感跟蹤，因為與圖象處理方面相關(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器人的控制所采用。
1.2.5 焊接機器人機構(gòu)設(shè)計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
在當(dāng)前，機器人的機構(gòu)設(shè)計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設(shè)計專用焊接機器人，稱之為固定結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)機器人，其運動特性使特定機器人僅能適應(yīng)一定的范圍,不利于機器人的發(fā)展。解決這一問題的方法就是利用關(guān)節(jié)模塊和連桿模塊,根據(jù)具體的要求開發(fā)可重構(gòu)機器人系統(tǒng)。下面為當(dāng)前一些人所做的研究：
國外：
韓國國立大學(xué)DonghunLee等人研制一款RRX型移動焊接機器人用于雙層殼體船舶焊接作業(yè)，主要是完成船舶內(nèi)部縱向加強筋所形成的U型焊縫焊接。該移動焊接機器人主要是由移動平臺和六自由度機械臂組成，當(dāng)對船舶進行焊接作業(yè)時，該移動焊接機器人可以通過600mmx800mm的通道進入，并能夠伸縮自如。韓國國立大學(xué)對此焊接機器人進行了驗證實驗，其結(jié)果滿足焊接要求，并在此基礎(chǔ)上對RRX型移動焊接機器人優(yōu)化得到RRX4型，質(zhì)量比上一代減輕13%.目前已實際運用于船體制造產(chǎn)業(yè)中。
針對大型船體焊按，美國RTT公司研制出了一種新型移動焊接設(shè)備，簡稱MWP(Mobile Welding Product).MWP是由移動機構(gòu)、控制系統(tǒng)以及焊按系統(tǒng)組成，其履帶式移動機構(gòu)由兩條磁鐵履帶組成;控制系統(tǒng)控制移動焊按設(shè)備運行以及焊按等相關(guān)參數(shù):焊按系統(tǒng)可以實現(xiàn)焊槍的擺動.該移動焊按設(shè)備具有良好的通用性，并被美國各大船廠廣泛運用。該移動焊接的設(shè)備可以更換末端執(zhí)行器來完成清洗、噴涂等工作。
新加坡科技設(shè)計大學(xué)Xiaohan Chen等人研制了一款安裝在腳手架上的敏捷焊接機器人，并運用了一種敏捷的機器人系統(tǒng)的焊縫跟蹤技術(shù)，自動焊接高空中的大型管道結(jié)構(gòu)。焊接系統(tǒng)的設(shè)計是為了適應(yīng)通常豎立在大型工件周圍的腳手架，選取大型交叉管道結(jié)構(gòu)復(fù)雜的曲線焊縫作為焊接目標(biāo)。其特點是重量輕，體積小，易于部署和任務(wù)獨立，開發(fā)一種靈活的機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在工業(yè)機器人焊按系統(tǒng)上準(zhǔn)確地自動識別和確定交叉管道結(jié)構(gòu)焊縫的三維坐標(biāo)。該機器人在實驗室進行了實驗驗證，用2D激光掃描數(shù)據(jù)就可以找到工件和接縫，誤差非常接近(1厘來以內(nèi))，而且不需要手動預(yù)處理數(shù)據(jù)。
國內(nèi)：
上海交通大學(xué)機器人智能化焊接實驗室和動力工程學(xué)院機器人研究所，在現(xiàn)有的移動機器人基礎(chǔ)上，通過對焊按機器人的機構(gòu)設(shè)計、自主移動、焊接環(huán)境的識別、焊縫跟蹤等控制技術(shù)的研究，聯(lián)合研制的款越障?全位置自主焊按機器人。該機器人是由機器人車體、五自由度機械臂以及移動越障機構(gòu)組成，針對空間焊按的需要機械臂采用關(guān)節(jié)型設(shè)計，驅(qū)動器選取直流問服電機.減連器采用落波減速器，可以精確控制焊接位置，規(guī)按前機器人本體村料主要采用鋁介金材相目的為了減輕本體重量，該移動焊按機器人主要用在非結(jié)構(gòu)大型裝備自動化焊按。
上海交通大學(xué)電站自動化技術(shù)重點實驗室設(shè)計的一款移動焊接機器人。該焊按機器人的移動是通過控制底部永磁伺服電機實現(xiàn)的，而焊炬的橫向和縱向移動則通過控制兩個步進電機實現(xiàn)，焊炬放置本體的一側(cè)，激光傳感器作為獲取系統(tǒng)信息的傳感裝置。該機器人由兩個驅(qū)動輪單獨驅(qū)動機器人本體、高精度十字滑共控制以及激光視覺傳感器共同組成智能移動焊核機器人系統(tǒng)。
清華大學(xué)潘際鑾院士研制了一款爬行式全位置移動焊接機器人.由運動控制系統(tǒng)、焊縫跟蹤系統(tǒng)以及導(dǎo)航定位系統(tǒng)共同組成該移動焊接機器人系統(tǒng)，其爬行機構(gòu)采用輪履式結(jié)構(gòu)，既有輪子又有履帶，能夠較好的解決爬行負(fù)載能力與機構(gòu)運動靈活性之間的矛盾。通過磁力控制機構(gòu)對永磁鐵的加磁及消磁，實現(xiàn)移動機器人的焊接作業(yè)。并通過自行研發(fā)的結(jié)構(gòu)光視覺焊縫跟蹤系統(tǒng)，有效地過濾弧光干擾及飛濺，能夠快速、準(zhǔn)確的識別焊縫，可用于大型壁面、油管自動化焊接。
北京石油化工學(xué)院研制了一款鋼結(jié)構(gòu)焊接的全位置焊接機器人。該種機器人具有實時焊縫軌跡示教，實時全位置焊接參數(shù)示教、焊接參數(shù)設(shè)置等智能控制手段，適用于不規(guī)則焊縫的軌跡跟蹤，可以實現(xiàn)多焊道、多層及全位置的自動化焊按，并可以方便高效的完成多臺焊按機器人的焊按參數(shù)設(shè)置.此焊接機器人已成功應(yīng)用在鋼結(jié)構(gòu)焊按現(xiàn)場，實驗驗證具有良好的穩(wěn)定性，可在其它焊按領(lǐng)域推廣應(yīng)用。
南昌大學(xué)機器人研究所研制的一款基于旋轉(zhuǎn)電弧傳感器的自主移動焊接機器人。該移動焊接機器人體積小、重量輕、運動靈活，適用于平面角焊縫、彎曲角焊縫、矩形角焊縫等名種焊縫形式的焊接。該小型移動焊接機器人能夠在船舶等狹小空間完成焊縫識別自主移動，在造船業(yè)、鋼結(jié)構(gòu)廠等工廠環(huán)境具有較好的實用價值。
1.2.6 運動學(xué)分析的常用方法
機器人逆運動學(xué)問題在機器人運動學(xué)、動力學(xué)及控制中占有非常重要的地位，直接影響著控制的快速性與準(zhǔn)確性。逆運動學(xué)問題就是根據(jù)已知的末端執(zhí)行器的位姿(位置和姿態(tài))，求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。
目前機器人運動學(xué)逆解方法有三種：
(1)以手臂的精確的幾何模型為前提研究求解運動學(xué)方程的方法（幾何法）。該法只能用于特定結(jié)構(gòu)的機器人。
(2)通常在假設(shè)機器人的雅可比矩陣已知的前提下，利用其逆矩陣來求解逆運動學(xué)（齊次變換法）。
(3)智能求解方法。該方法典型的有：基于學(xué)習(xí)的算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；基于擴散方程的學(xué)習(xí)算法。
1.3 本課題的研究設(shè)計內(nèi)容及方法
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器人機構(gòu)的運動學(xué)分析，該機器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
1.3.1 三自由度焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析
(1)機構(gòu)方案
根據(jù)實際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個運動關(guān)節(jié)的機器人：左右平移的焊接機器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動運動的末端效應(yīng)器3（如圖1.2）。
圖 1.2 三自由度焊接機器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）
(2)證明該方案能夠求出三個關(guān)節(jié)的運動學(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
熟悉運動學(xué)逆解的方法、建立運動學(xué)模型、找出變換關(guān)系、逆解。
(4)方法
齊次坐標(biāo)變換方法。
1.3.2 焊接機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計
由于在這里借用了一個現(xiàn)成的運動關(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構(gòu)（即左右平移的焊接機器人本體1）。
所要解決的問題及任務(wù)：
小車行走機構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動電機功率的估計，驅(qū)動電機的選擇傳動的校核。
其它：擺動關(guān)節(jié)電機的選擇等。
1.4 課題的完成情況
確定集裝箱波紋板焊接機器人總體機構(gòu)方案，并對該機構(gòu)存在運動學(xué)逆解，并求出，該解滿足集裝箱波紋板的焊接要求。
做出了車體結(jié)構(gòu)設(shè)計與校核。
2 焊接機器人機構(gòu)運動學(xué)分析
機器人運動學(xué)分析指的是機器人末端執(zhí)行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根據(jù)機器人各個關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計算出機器人末端的位姿方程，稱為機器人的運動學(xué)分析（正向運動學(xué)）；反之，為了使機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，這一過程稱為運動學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運動學(xué)逆解往往更加重要，它是機器人運動規(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（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)運動，即三個關(guān)節(jié)的運動規(guī)律，故為運動學(xué)逆解。
2.1 運動學(xué)分析數(shù)學(xué)基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換）
2.1.1 齊次坐標(biāo)
將直角坐標(biāo)系中坐標(biāo)軸上的單元格的量值w作為第四個元素，用有四個數(shù)所組成的列向量
U=
來表示前述三維空間的直角坐標(biāo)的點（a,b,c）,它們的關(guān)系為
a=,b=,c=
則（x,y,z,w）稱為三維空間點（a,b,c）的齊次坐標(biāo)。
這里所建立的直角坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸上的單元格的量值w=1，故（a,b,c,1）為三維空間點（a,b,c）。
2.1.2 齊次變換
對于任意齊次變換T，可以將其分解為
== （2.1）
= （2.2）
=（,,） （2.3）
式（2.2）表示活動坐標(biāo)系在參考系中的方向余旋陣，即坐標(biāo)變換中的旋轉(zhuǎn)量；而式（2.3）表示活動坐標(biāo)系原點在參考系中的位置，即坐標(biāo)變換中的平移量。
特殊情況有平移變換和旋轉(zhuǎn)變換：
平移變換： () = (2.4)
旋轉(zhuǎn)變換：() = (2.5)
2.2 變換方程的建立
2.2.1 機構(gòu)運動原理
如圖2.1所示，機器人采用三個運動關(guān)節(jié)：左右平移的焊接機器人本體1，前后平移的十字滑塊和做旋轉(zhuǎn)運動的末端效應(yīng)器3。通過三個關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運動，來保證末端效應(yīng)器的姿態(tài)發(fā)生變化時，焊接速度保持不變，焊槍與焊縫間的夾角保持垂直關(guān)系，來做到直線段與波內(nèi)斜邊段焊縫成形的一致。
圖2.1 三自由度焊接機器人運動簡圖（俯視圖）
2.2.2 運動學(xué)模型
(1)運動學(xué)模型簡化
由于該機器人是為了實現(xiàn)這樣一種運動：焊槍末端運動軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運動學(xué)逆解時，對實際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進行簡化，這里將對其采取等效處理：
(a) 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機器人本體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)運動的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心點的距離視為零，這對分析結(jié)果是等效的。
(b) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進行等效。
(2)設(shè)定機器人各關(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2.1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)的運動都處在Z=0平面上。
(3)求其次變換
通過齊次變換矩陣T可以轉(zhuǎn)求{m}中的某點在{n}中的坐標(biāo)值。
由式（2.4）、式（2.5）及圖2.1可得
=， =，=
其中L,L,L分別表示初始時刻（t），三個坐系原點（OO，OO，OO）的距離長度，即參考坐標(biāo)系與設(shè)置的動坐標(biāo)位置矢量。S為坐標(biāo)系{1}原點在一定時間t.t內(nèi)沿X方向的位移，且的d（S1）=V1,V1為關(guān)節(jié)1的移動速度。S為坐標(biāo)系{2}點在一定時間t.t內(nèi)沿Y向的位移，且d（S2）=V2,V2,為關(guān)節(jié)2相對關(guān)節(jié)1的移動速度。
(4) 求T
由變換方程公式可知，帶入，，可得：
= （2.6）
其幾何意義為空間某一點相對于坐標(biāo)系{0}及{3}的坐標(biāo)值之間的變換矩陣。
即：= （2.7）
(5) 求變換方程
在任意時刻t，焊槍末端點的空間位置失量為（0,r,0,1）T，代入公式（2.7）可得變換方程：
（2.8）
2.3 運動學(xué)分析處理方法
2.3.1 替換處理
轉(zhuǎn)折點處用一半徑為R的圓弧代替，其中半徑R的大小受角的影響，角越大，R越?。环粗嗳?。這樣方能使運動的連續(xù)成為可能。
2.3.2 銜接處理
在直線段與波內(nèi)斜邊段劃出一小段來為過渡運動更加順利的完成，這樣過渡運動過程運動分三小階段。
現(xiàn)利用以上兩處理方法處理第一個轉(zhuǎn)折點的過渡運動，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段：
(1) 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角：0到的過渡。
(2) 焊接速度v的方向：水平方向到與水平方向呈的夾角的過渡。
下面是該過渡階段的運動示意圖2.2：
圖2.2 旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)在過渡處的運動示意圖
2.3.3 逆解函數(shù)
這里所求逆解都是以時間為自變量，由于這里焊接速度相對焊縫是恒定的()，故與以焊槍末端點的自然坐標(biāo)系的位移為自變量是一致的，求解較方便。
2.4 逆解過程
這臺機器人焊接時，其運動存在三個約束：焊接速度恒定，焊接軌跡曲線一定，焊槍與焊縫保持垂直。在這里，由前面的分析處理思想及方法可知，在過渡運動過程中放棄了第三個約束，由于這么一小段位移比較短，不然的話，會導(dǎo)致無解，因為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的角速度的必然連續(xù)。
這里將取波紋的一個周期進行運動學(xué)逆解，求出三個關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運動規(guī)律進行運動，還有三個關(guān)節(jié)的運動之間的函數(shù)關(guān)系波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖,如圖2.3。
圖2.3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖
這里假設(shè)A處為運動起始時刻，□為字母（A，A，B，…，H）代表焊接軌跡上的點，t□為焊槍末端點運動到該點處的時間，（x￡,y□）代表該點在基坐標(biāo)系上的坐標(biāo)。
2.4.1 AB段（過渡段1）
前面已經(jīng)介紹過這里的處理方法，這一階段是銜接兩種運動的過渡階段。這里又細(xì)分三個小階段：A→A直線段,A→B圓弧段，B →B直線段。為了提高焊接質(zhì)量，該過渡階段仍然保留焊接速度相對于焊縫為恒定，而放棄焊槍與焊縫保持垂直關(guān)系，不然會導(dǎo)致無解。
其中，A→A直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)，A→B圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，B →B直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)。
(1)A→A直線段
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。
根據(jù)圖2.4可得：
（2.9）
圖2.4 A→A直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.9）帶入變換方程式（2.8）得
（2.10）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（t） (2.11)
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.5所示：
圖2.5 A→A直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) 圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，，所示角如圖2.6。
圖2.6 A→B圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
根據(jù)圖2.6及平面幾何知識可得：
（2.12）
將其帶入變換方程式（2.8）得：
（2.13）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（2.13）
又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。
將這結(jié)果帶入式（2.13）可轉(zhuǎn)化為：
（） （2.14）
其中的運動規(guī)律如圖2.7所示：
圖2.7 A→B圓弧段的運動規(guī)律
(3) 斜線段
該直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)角度。
根據(jù)圖2.8可得：
（2.15）
圖2.8 B →B直線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.15）帶入變換方程式（2.8）得：
（2.16）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.17）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.9所示：
圖2.9 B →B斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
2.4.2 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，。
根據(jù)圖2.10可得：
（2.18）
圖2.10 B →C波內(nèi)斜邊段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.18）帶入變換方程式（2.8）得：
（2.19）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.20）
2.4.3 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)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。
(1) C→C斜線段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。
根據(jù)圖2.11可得：
（2.21）
圖2.11 C→C斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.21）帶入變換方程式（2.8）得：
（2.22）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（） （2.23）
其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.12所示：
圖2.12 C→C斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖
(2) C→D圓弧段
該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。
根據(jù)圖2.13及平面幾何知識可得：
（2.24）
圖2.13 C→D圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖
將式（2.24）帶入變換方程式（2.8）得：
（2.25）
將以上兩式對t求導(dǎo)并整理可得：
（2.26）
又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。
將這