论文部分内容阅读
随着工业生产对自动化要求的不断提升,移动焊接机器人结构与控制方法的研究成为了焊接领域的热点。本文针对工业生产中常见的类直线焊缝和大曲率焊缝,结合焊接环境中存在的地面不平整特点,设计一款在激光视觉引导下,能够自主完成焊缝跟踪任务的移动焊接机器人,包括机器人结构设计和控制系统的研究。本文的主要研究内容包括:首先基于机器人的实际工作环境和待焊工件的特点来设计移动焊接机器人的运动执行机构,包括移动平台、磁吸附机构和焊枪精确微调机构。由于待焊工件是横向变化小的焊缝,而实际焊接环境中地面又不平整,所以本文研究了一种新型的四轮并联直行移动平台,避免了机器人在焊接过程中因地面不平整导致车轮悬空,机器人打滑的问题;同时为了增强机器人的重心稳定性,基于正弦机构原理设计了可调节磁吸附机构;焊枪精确微调机构利用安装在移动平台上的十字滑台机构。然后,在移动焊接机器人结构设计的基础上,对其进行ADAMS运动学仿真,验证结构设计的合理性。其次,对移动焊接机器人进行运动学建模。针对移动焊接机器人的结构特点,分别对移动平台和焊枪精确微调机构进行运动学分析。结合点激光视觉传感器结构和原理,对焊缝坡口扫描图像的滤波方法进行了研究,并基于“由繁到简”特征提取思想,所有焊缝都可以看作I型和V型焊缝的几何叠加,分别通过斜率极值法和斜截距法进行特征点提取,并通过MATLAB进行算法验证。在特征点提取的基础上,基于最小二乘法直线拟合对焊缝进行焊道重构,结合移动焊接机器人逆运动学给出了焊缝实时位置纠偏的控制算法。在焊缝跟踪控制方法上,采用变论域模糊PID控制。焊缝跟踪过程是非线性时变系统,传统的PID控制效果不理想,因此,本文将模糊控制和PID控制结合起来,设计了自整定模糊PID控制。为了进一步提高控制精度,在模糊PID控制器上加入基于函数的论域自调整伸缩因子机构,设计了变论域模糊PID控制。然后,通过MATLAB/SIMULINK模块对传统PID控制器和变论域模糊PID控制器进行了对比,验证了变论域模糊PID控制的优越性。搭建移动焊接机器人平台,通过基于格拉姆矩阵的五点标定法进行了机器人手眼标定。最后,在机器人平台上进行焊缝跟踪,平均跟踪精度0.15mm,达到了工业焊接焊缝跟踪精度,验证了机器人结构和算法的可行性。