0111-集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計
0111-集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計,集裝箱,波紋,焊接,機器人,機構(gòu),運動學,分析,車體,結(jié)構(gòu)設(shè)計
集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)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,焊接機器人要適應焊縫的變化,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。因此機器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機器人運動學的逆解、車體的總體設(shè)計、電機的選擇等方面。主要從機器人運動學逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運動學逆解,求出三個關(guān)節(jié)應按照什么運動規(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,進而完成對整個機器人的總體設(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)實際操作中遇到的問題對完成對電機的選擇。最后對所選的齒輪進行校核,使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 焊接機器人發(fā)展 運動學逆解 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)以面對更為復雜的焊接任務;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。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 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器人機構(gòu)的運動學分析,該機器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1 機構(gòu)方案(1) 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器3(如圖2)。圖2 三自由度焊接機器人關(guān)節(jié)模型(俯視圖)(2) 求出三個關(guān)節(jié)的運動學逆解,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逆解的方法、建立運動學模型、找出變換關(guān)系、逆解。(4) 方法齊次坐標變換方法。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: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。3 運動學逆解機器人運動學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分析(正向運動學);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,計算相應的關(guān)節(jié)變量,這一過程稱為運動學逆解。從工程應用的角度來看,運動學逆解往往更加重要,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,故為運動學逆解。3.1 運動學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:(1) 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。(2) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進行等效。3.2 設(shè)定機器人各關(guān)節(jié)坐標系據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標系及其之間的關(guān)系,各個坐標系的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)的運動都處在Z=0平面上。3.3 求其次變換3.4 運動學逆解的結(jié)果 由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關(guān)節(jié)按照一定的運動規(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)的運動規(guī)律如下(一個周期內(nèi)運動軌跡如圖3):圖3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖AB段(過渡段1)(1) 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。(2) 圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn),(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,。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,CC斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度,CD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。DE段(直線段1)這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動,。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,EE斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度,EF圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)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。這里分三個小運動階段,其中,GG斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度,GH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。HI段(直線段2)該階段運動:;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:傳動順序為:電機圓柱齒輪固定齒條(通過反推動)車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,結(jié)構(gòu)相對簡單,設(shè)計比較容易。根據(jù)實際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機、齒輪如下:選用的電機參數(shù)如下:(1)傳動電機這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應子式步進電機型號: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 ;空載運行頻率;轉(zhuǎn)動慣量:。(2)擺動關(guān)節(jié)電機選擇的型號是Maxon 組合體系:電機: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。參 考 文 獻1 原 魁.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):3334.2 張效祖.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J . WMEM,2007,(05):2526.3 宋海宏 .機器人技術(shù)展望J.山西煤炭管理干部學院學報,2006,(04):4345.4 顧震宇.全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢J.機電一體化,20006,(02):5657.5 坪島茂彥 中村修照 .電動機實用技術(shù)指南M.北京:科學出版社,2003.6 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ).武漢:華中科技大學出版社,1996.7 溫效朔.機器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)與應用現(xiàn)狀M.合肥:安徽農(nóng)業(yè)科學,2007,(11):124125.8 周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社,1995.9 吳林,張廣軍,高洪明.焊接機器人技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.10 吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.11 I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.12鄭相鋒,胡小建弧焊機器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)J電焊機,200513孔宇,戴明,吳林機器人結(jié)構(gòu)光視覺三點焊縫定位技術(shù)J焊接學報,199714王軍波等基于CCD傳感器的球罐焊接機器人焊縫跟蹤J焊接學報,200115徐培全等基于機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器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)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,焊接機器人要適應焊縫的變化,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。因此機器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機器人運動學的逆解、車體的總體設(shè)計、電機的選擇等方面。主要從機器人運動學逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運動學逆解,求出三個關(guān)節(jié)應按照什么運動規(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,進而完成對整個機器人的總體設(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)實際操作中遇到的問題對完成對電機的選擇。最后對所選的齒輪進行校核,使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 焊接機器人發(fā)展 運動學逆解 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)以面對更為復雜的焊接任務;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。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 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器人機構(gòu)的運動學分析,該機器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。1 機構(gòu)方案(1) 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器3(如圖2)。圖2 三自由度焊接機器人關(guān)節(jié)模型(俯視圖)(2) 求出三個關(guān)節(jié)的運動學逆解,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逆解的方法、建立運動學模型、找出變換關(guān)系、逆解。(4) 方法齊次坐標變換方法。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: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。3 運動學逆解機器人運動學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分析(正向運動學);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,計算相應的關(guān)節(jié)變量,這一過程稱為運動學逆解。從工程應用的角度來看,運動學逆解往往更加重要,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,故為運動學逆解。3.1 運動學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:(1) 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。(2) 對旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進行等效。3.2 設(shè)定機器人各關(guān)節(jié)坐標系據(jù)簡化后的模型可獲得各個坐標系及其之間的關(guān)系,各個坐標系的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)的運動都處在Z=0平面上。3.3 求其次變換3.4 運動學逆解的結(jié)果 由逆解過程可以看出三自由度焊接機器人三個運動關(guān)節(jié)按照一定的運動規(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)的運動規(guī)律如下(一個周期內(nèi)運動軌跡如圖3):圖3 波紋的一個周期的各個運動階段的分段示意圖AB段(過渡段1)(1) 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。(2) 圓弧段該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn),(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,。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,CC斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度,CD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。DE段(直線段1)這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動,。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,EE斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度,EF圓弧段旋轉(zhuǎn)關(guān)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。這里分三個小運動階段,其中,GG斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度,GH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。HI段(直線段2)該階段運動:;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:傳動順序為:電機圓柱齒輪固定齒條(通過反推動)車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動,結(jié)構(gòu)相對簡單,設(shè)計比較容易。根據(jù)實際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機、齒輪如下:選用的電機參數(shù)如下:(1)傳動電機這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應子式步進電機型號: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 ;空載運行頻率;轉(zhuǎn)動慣量:。(2)擺動關(guān)節(jié)電機選擇的型號是Maxon 組合體系:電機: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。5 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器人進行了方案設(shè)計,并對機構(gòu)進行運動學逆解,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)動電機功率的估計計算與選擇;齒輪齒條傳動的接觸疲勞強度與彎曲疲勞強度校核。還有擺動關(guān)節(jié)驅(qū)動電機的選擇。(3)其它方面:車輪與選用導軌的匹配設(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1 原 魁.工業(yè)機器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢J.MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):3334.2 張效祖.工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢J . WMEM,2007,(05):2526.3 宋海宏 .機器人技術(shù)展望J.山西煤炭管理干部學院學報,2006,(04):4345.4 顧震宇.全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢J.機電一體化,20006,(02):5657.5 坪島茂彥 中村修照 .電動機實用技術(shù)指南M.北京:科學出版社,2003.6 熊有倫.機器人技術(shù)基礎(chǔ).武漢:華中科技大學出版社,1996.7 溫效朔.機器人技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的開發(fā)與應用現(xiàn)狀M.合肥:安徽農(nóng)業(yè)科學,2007,(11):124125.8 周伯英.工業(yè)機器人設(shè)計M.北京:機械工業(yè)出版社,1995.9 吳林,張廣軍,高洪明.焊接機器人技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2000.10 吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2002.11 I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊M.北京:機械工業(yè)出版社,2005.12鄭相鋒,胡小建弧焊機器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)J電焊機,200513孔宇,戴明,吳林機器人結(jié)構(gòu)光視覺三點焊縫定位技術(shù)J焊接學報,199714王軍波等基于CCD傳感器的球罐焊接機器人焊縫跟蹤J焊接學報,200115徐培全等基于機器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述J焊接,2005南京理工大學泰州科技學院學生畢業(yè)設(shè)計(論文)中期檢查表學生姓名錢瑞學 號0501510131指導教師武培軍 吳晟選題情況課題名稱集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計難易程度偏難適中偏易工作量較大合理較小符合規(guī)范化的要求任務書有無開題報告有無外文翻譯質(zhì)量優(yōu)良中差學習態(tài)度、出勤情況好一般差工作進度快按計劃進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:學習較主動、積極,態(tài)度認真,階段成果較明顯。 負責人: 年 月 日 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設(shè)計說明書(論文)作 者:錢瑞學 號:0501510131系部:機械工程系專 業(yè):機械工程及自動化題 目:集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計助教吳晟指導者: 評閱者: 2009 年 6 月畢業(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,焊接機器人要適應焊縫的變化,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。因此機器人的設(shè)計對于解決這一難題至關(guān)重要。本課題主要完成機器人運動學的逆解、車體的總體設(shè)計、電機的選擇等方面。主要從機器人運動學逆解的角度完成一個周期內(nèi)的運動學逆解,求出三個關(guān)節(jié)應按照什么運動規(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,進而完成對整個機器人的總體設(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)實際操作中遇到的問題對完成對電機的選擇。最后對所選的齒輪進行校核,使之能完成具體的操作要求。關(guān)鍵詞 機器人技術(shù) 機構(gòu)設(shè)計 運動學逆解 強度校核 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 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文)任務書系部:機械工程系專 業(yè):機械工程及自動化學 生 姓 名:錢瑞學 號:0501510131設(shè)計(論文)題目:集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(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:南京理工大學泰州科技學院指 導 教 師:武培軍 吳 晟專業(yè)負責人:龔光容發(fā)任務書日期: 2009年 2 月 26 日畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)任 務 書1本畢業(yè)設(shè)計(論文)課題應達到的目的: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,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),直接導致焊縫成形不能保持一致,進而影響焊縫的質(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器人機構(gòu)運動學分析及車體機構(gòu)設(shè)計,通過十字滑塊選用,進而組成的焊接機器人能夠解決波內(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,熟悉機器人的應用的現(xiàn)場環(huán)境,明確設(shè)計目標;2、設(shè)計出該焊接機器人的機構(gòu)方案,并對其進行運動學逆界,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器人的裝配圖。應達到的技術(shù)要求如下:1、所求焊接過渡段中的過渡運動能較好的銜接直線段與波內(nèi)斜邊段的運動;2、三自由度焊接機器人三個運動關(guān)節(jié)可按照一定的運動規(guī)律協(xié)調(diào)動作。畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)任 務 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、實物樣品等: 1、相關(guān)資料的英文翻譯與文獻綜述; 2、焊接機器人的機構(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,符合國家標準;說明書層次分明、論據(jù)可靠、計算正確、圖標規(guī)范、語句通順。4主要參考文獻:1鄭相鋒,胡小建弧焊機器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)J電焊機,20052孔宇,戴明,吳林機器人結(jié)構(gòu)光視覺三點焊縫定位技術(shù)J焊接學報,19973王軍波等基于CCD傳感器的球罐焊接機器人焊縫跟蹤J焊接學報,20014徐培全等基于機器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述J焊接,20055劉蘇宜,王國榮,鐘繼光視覺系統(tǒng)在機器人焊接中的應用與展望J機械科學與技術(shù),20056張柯等移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J焊接,20047王其隆弧焊過程質(zhì)量實時傳感與控制M北京:機械工業(yè)出版社,2000畢 業(yè) 設(shè) 計(論 文)任 務 書5本畢業(yè)設(shè)計(論文)課題工作進度計劃: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,準備相關(guān)資料,完成資料翻譯完成文獻綜述,撰寫開題報告,熟悉AutoCAD、Pro/Engineer等繪圖軟件掌握焊接機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理,完成三自由度焊接機器人的運動學逆解完成車體結(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)資料準備論文答辯所在專業(yè)審查意見:負責人: 2008年 月 日系部意見:系部主任: 2008年 月 日南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文)前期工作材料學生姓名:錢瑞學 號:0501510131系部:機械工程系專 業(yè):機械工程及自動化設(shè)計(論文)題目:集裝箱波紋板焊接機器人機構(gòu)運動學分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計指導教師: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)任務書13畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告含文獻綜述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 南京理工大學泰州科技學院畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯系部: 機械工程系 專 業(yè): 機械工程及自動化 姓 名: 錢 瑞 學 號: 0501510131 (用外文寫)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。 指導教師評語: 簽名: 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用坐標測量機的機器人運動學姿態(tài)的標定這篇文章報到的是用于機器人運動學標定中能獲得全部姿態(tài)的操作裝置坐標測量機(CMM)。運動學模型由于操作器得到發(fā)展, 它們關(guān)系到基坐標和工件。 工件姿態(tài)是從實驗測量中引出的討論, 同樣地是識別方法學。允許定義觀察策略的完全模擬實驗已經(jīng)實現(xiàn)。實驗工作的目的是描寫參數(shù)辨認和精確確認。用推論原則的那方法能得到在重復時近連續(xù)地校準機器人。關(guān)鍵字:機器人標定 坐標測量 參數(shù)辨認 模擬學習 精確增進1. 前言機器手有合理的重復精度 (0.3毫米)而知名, 但仍有不好的精確性(10.0 毫米)。為了實現(xiàn)機器手精確性,機器人可能要校準也是好理解 。 在標定過程中, 幾個連續(xù)的步驟能夠精確地識別機器人運動學參數(shù),提高精確性。這些步驟為如下描述:1 操作器的運動學模型和標定過程本身是發(fā)展,和通常有標準運動學模型的工具實現(xiàn)的。作為結(jié)果的模型是定義基于廠商的運動學參數(shù)設(shè)置錯誤量, 和識別未知的,實際的參數(shù)設(shè)置。2 機器人姿態(tài)的實驗測量法(部分的或完成) 是拿走為了獲得從聯(lián)系到實際機器人的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。3 實際的運動學參數(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。一個接近完成辨認由分析不同中間姿態(tài)變量P和運動學參數(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,運動學參數(shù)設(shè)置被改變。這是標準優(yōu)化問題和可能解決用的眾所周知的 方法。4 最后一步是機械手控制中的機器人運動學識別和在學習之下的硬件系統(tǒng)的詳細資料。包含實驗數(shù)據(jù)的這張紙用于標度過程。 可獲得的幾個方法是可用于完成這任務, 雖然他們相當復雜,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),因為這將合并機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)是為了標度過程到進行。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)使用裝置是坐標測量機(CMM),它是三軸的,棱鏡測量系統(tǒng)達到0.01毫米的精確。機器人操作器是能校準的,PUMA 560,放置接近于CMM,特殊的操作裝置能到達邊緣。圖1顯示了系統(tǒng)不同部分安排。在這部分運動學模型將是發(fā)展, 解釋姿態(tài)估算法,和參數(shù)辨認方法。2.1 運動學的參數(shù)在這部分,操作器的基本運動學結(jié)構(gòu)將被規(guī)定,它關(guān)系到完全坐標系統(tǒng)的討論, 和終點模型。從這些模型,用于可能的技術(shù)的運動學參數(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,和運動學中需要從一個坐標到另一個坐標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現(xiàn)坐標系n-1到結(jié)構(gòu)坐標系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。當應用于一個結(jié)構(gòu)到下一個結(jié)構(gòu)的等價變化坐標系與更改Denavit-Hartenberg系相一致時,它們將被書寫成矩陣元素實現(xiàn)運動學參數(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,矩陣通常表示如下:對于多連接的, 例如機械操作臂,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機器人在Denavit-Hartenberg系中每一連桿,完全坐標系和工具結(jié)構(gòu)。變化從世界坐標系到機器人底部結(jié)構(gòu)需要仔細考慮過,因為潛在的參數(shù)取決于被選擇的改變類型??紤]到圖4,世界坐標,在D-H系中定義的從世界坐標到機器人基坐標,坐標是PUMA機器人定義的基坐標和機器人第二個D-H結(jié)構(gòu)中坐標。我們感興趣的是從世界坐標到必需的最小的參數(shù)數(shù)量。實現(xiàn)這種變化有兩種路徑:路徑1,從到D-H變化包括四個參數(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)其中和兩個參數(shù)是關(guān)于軸Z0因此不能獨立地識別, 和是沿著軸Z0因此也不能是獨立地識別。因此,用這路徑它需要從世界坐標到PUMA機器人的第一個坐標有八個獨立的運動學參數(shù)。路徑2,同樣地二中擇一,從世界坐標到底部結(jié)構(gòu)坐標的變化可以是直接定義。因此坐標變換需要六個參數(shù),如Euler形式:下面是從到DH變化中的四個參數(shù),但與相關(guān)聯(lián),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系到PUMA機器人的第二結(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:用于運動學模型的參數(shù)總數(shù)變成30,他們定義于表12.2 辨認方法學運動學的參數(shù)辨認將是進行多維的消去過程, 因此避免了雅可比系統(tǒng)的標定,過程如下:1. 首先假設(shè)運動學的參數(shù), 例如標準設(shè)置。2. 為選擇任意關(guān)節(jié)角的設(shè)置。3. 計算PUMA機器人末端操作器。4. 測量PUMA機器人末端操作器的位姿如關(guān)節(jié)角,通常標準的和預言的位姿將是不同的。5. 為了最好使預言位姿達到標準的位姿,在整齊的方式更改運動學的參數(shù)。這個過程應用于不是單一的關(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是識別的運動學參數(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。在實踐中,更多的測量應該是在實驗測量法去掉補償結(jié)果。優(yōu)化程序使用命名為ZXSSO,和標準庫功能的IMSL。2.3 位姿測量法顯然它是從上面的方法確定PUMA機器人全部位姿是必需的為了實現(xiàn)標定。這種方法現(xiàn)在將詳細地描寫。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和世界坐標中間各個坐標的形式,如圖6這些坐標的關(guān)系如下:是關(guān)于世界坐標結(jié)構(gòu)的第i個球的4x1列向量坐標, Pi是關(guān)于工具坐標結(jié)構(gòu)第i個球的4x1坐標的列向量, T是從世界坐標結(jié)構(gòu)到工具坐標結(jié)構(gòu)變化的4x4矩陣。設(shè)定Pi,測量出,然后算出T,使用于在標定過程的位姿的測量。它是不會很簡單,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來實現(xiàn),如下:或為由于P, T和P全部相符合,反解求的位姿矩陣在實踐中當PUMA機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定的球中心坐標的是基于球表面點的測量,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,是第個球表面點的坐標且是球的半徑。在測試過程中,發(fā)現(xiàn)只測量四個表面上的點來確定中心點是非常有效的。附件2:外文原文(復印件)Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-Measuring Machine The 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; Parameter identification; Simulation study; Accuracy enhancement1. Introduction It 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(manufacturers) 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. Theory In 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 Parameters In 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, Mooring and 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 form The 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 PUMAmanufacturers 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, Zwhich 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 Methodology The 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 Measurement It 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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