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南京理工大學泰州科技學院 畢業(yè)設計(論文)開題報告 學 生 姓 名： 錢瑞 學 號： 0501510131 專 業(yè)： 機械工程及自動化 設計(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)設計 指 導 教 師: 武培軍 吳 晟 年 月 日 開題報告填寫要求 1．開題報告（含“文獻綜述”）作為畢業(yè)設計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設計（論文）工作前期內(nèi)完成，經(jīng)指導教師簽署意見及所在專業(yè)審查后生效； 2．開題報告內(nèi)容必須用黑墨水筆工整書寫或按教務處統(tǒng)一設計的電子文檔標準格式（可從教務處網(wǎng)頁上下載）打印，禁止打印在其它紙上后剪貼，完成后應及時交給指導教師簽署意見； 3．“文獻綜述”應按論文的格式成文，并直接書寫（或打?。┰诒鹃_題報告第一欄目內(nèi)，學生寫文獻綜述的參考文獻應不少于15篇科技論文的信息量，一般一本參考書最多相當于三篇科技論文的信息量（不包括辭典、手冊）； 4．有關(guān)年月日等日期的填寫，應當按照國標GB/T 7408—94《數(shù)據(jù)元和交換格式、信息交換、日期和時間表示法》規(guī)定的要求，一律用阿拉伯數(shù)字書寫。如“2009年3月15日”或“2009-03-15”。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 1．結(jié)合畢業(yè)設計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫 2000字左右的文獻綜述： 文 獻 綜 述 摘要 工業(yè)機器人是機器人的一個重要分支。它的特點是通過編程完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器的優(yōu)點。機器人是一門涉及機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。以下著重闡述工業(yè)機器人的技術(shù)背景，國內(nèi)外的研究狀況，工業(yè)機器人的應用以及實際遇到的問題和解決思路。 關(guān)鍵詞 逆解 機器人 人工智能 1 機器人的概念 機器人是一個在三維空間中具有較多自由度，并能實現(xiàn)較多擬人動作和功能的機器，而工業(yè)機器人則是在工業(yè)生產(chǎn)上應用的機器人。美國機器人工業(yè)協(xié)會提出的工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種可重復編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機”。英國和日本機器人協(xié)會也采用了類似的定義。我國的國家標準GB/T12643-90將工業(yè)機器人定義為：“機器人是一種能自動定位控制、可重復編程的、多功能的、多自由度的操作機。能搬運材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)”。而將操作機定義為：“具有和人手臂相似的動作功能，可在空間抓放物體或進行其它操作的機械裝置”。 機器人系統(tǒng)一般由操作機、驅(qū)動單元、控制裝置和為使機器人進行作業(yè)而要求的外部設備組成[1]。 2 機器人技術(shù)的背景及其意義 機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。自從1962年美國研制出世界上第一臺工業(yè)機器人以來,機器人技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展很快,已成為柔性制造系統(tǒng)( FMS) 、自動化工廠( FA) 、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的自動化工具。廣泛采用工業(yè)機器人,不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與數(shù)量,而且保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約材料消耗以及降低生產(chǎn)成本有著十分重要的意義。和計算機、網(wǎng)絡技術(shù)一樣,工業(yè)機器人的廣泛應用正在日益改變著人類的生產(chǎn)和生活方式[3]。 20世紀80年代以來，工業(yè)機器人技術(shù)逐漸成熟，并很快得到推廣，目前已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)的許多領(lǐng)域得到應用。 3 國內(nèi)外研究概況 3.1 國際發(fā)展狀況 從機器人（Robots）誕生到二十世紀80年代，機器人制造技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到了90年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)等快速發(fā)展，機器人制造技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。近年來，人類的活動領(lǐng)域不斷擴大，機器人應用也從制造領(lǐng)域向各個科技領(lǐng)域發(fā)展。 　海洋開發(fā)、宇宙探測、采掘、建筑、醫(yī)療、農(nóng)林業(yè)、服務、娛樂等行業(yè)都提出了自動化和機器人化的要求。這些行業(yè)對機器人的要求比制造業(yè)更高，所以研制出具備能夠行走、對外感知和能夠局部自主規(guī)劃功能的機器人，成了機器人制造技術(shù)發(fā)展的重要方向。如今，水下機器人、地下機器人、醫(yī)用機器人、建筑機器人、軍用機器人已經(jīng)開始進入人們生活的各個領(lǐng)域，成為人類的得力助手和親密伙伴。 美國是機器人的誕生地,早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人,比起號稱機器人王國的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過40多年的發(fā)展,美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一。據(jù)UNECE和IFR統(tǒng)計, 2004年美國新安裝工業(yè)機器人12 693臺,預計到2007年底,新安裝的工業(yè)機器人將達15 900臺。至2003年末,在北美運行的機器人總量為112 390臺,比2002年增長7% ,預計至2007年6美國運行的工業(yè)機器人總量將達到145 100臺。 就每萬名雇員擁有的工業(yè)機器人數(shù)進行統(tǒng)計,至2003年末,在美國制造業(yè)中,每1萬名雇員有63個工業(yè)機器人。作為對比,德國為148個,歐盟為93個。在美國汽車工業(yè)中,每萬名產(chǎn)業(yè)工人擁有740個工業(yè)機器人,但這個數(shù)字還是遠低于日本( 1 400個機器人) 意大利(1 400個機器人)和德國( 1 000個機器人)[8]。 日本素有“機器人王國”之稱,其工業(yè)機器人的發(fā)展令人矚目,無論機器人的數(shù)量還是機器人的密度都位居世界第一。在其經(jīng)歷了短暫的搖籃期之后,快速跨過實用期,邁入普及提高期。在20 世紀80 年代至90年代初期,日本的工業(yè)機器人可謂處于繁榮鼎盛時期,似乎無所不能。然而,花無百日紅,自20世紀90年代中期開始,隨著歐洲和北美工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的崛起,國際市場的格局發(fā)生了明顯的變化,從日本轉(zhuǎn)向了歐洲和北美。在度過了幾年的低迷期之后, 21世紀初日本的工業(yè)機器人又開始重新煥發(fā)生機,尤其是伴隨著中國和其他周邊國家對工業(yè)機器人需求的增長,以及日本本國早年工業(yè)機器人因服務期限而帶來的更新?lián)Q代,預期將對日本工業(yè)機器人的發(fā)展發(fā)揮積極的作用。據(jù)日本機器人協(xié)會的統(tǒng)計, 2004年全年日本工業(yè)機器人的定單較去年增長了1718% ,達到4 99516億日元(48億美元) ，是連續(xù)第三年大幅度增長。2004年全年日本工業(yè)機器人出貨量為4 45813億日元,同比增長13.4%。2005年第一季度,日本工業(yè)機器人出貨量為1 289億日元,較去年同期增長13.6%[4]。 3.2 國內(nèi)發(fā)展狀況 我國機器人研究與應用起步于二十世紀70年代初，1986年，“智能機器人”被列入國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），經(jīng)過近二十年的不懈努力，取得了一系列令世界矚目的科研成果。隨著以國家863機器人技術(shù)主題為主的國家相關(guān)部門對機器人產(chǎn)業(yè)的進一步推動，必將對我國創(chuàng)建“以人為本”社會發(fā)展模式和發(fā)展國民經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的影響。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，近年來，國內(nèi)各類主要機器人的生產(chǎn)和應用均呈現(xiàn)快速增長的趨勢。從大型的工業(yè)機器人到小型的納米機器人，從代表國家最高科技水平的登月機器人到提高學生綜合素質(zhì)的教育機器人，機器人產(chǎn)業(yè)在中國正進入一個快速發(fā)展的時期，呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的前景。 中國是一個制造業(yè)大國，以其低成本的勞動力奠定了在國際制造業(yè)中的地位，號稱“世界工廠”。但是，隨著經(jīng)濟快速全球化以及信息技術(shù)飛速發(fā)展，單純地依靠勞動密集型的生產(chǎn)模式已經(jīng)滿足不了對生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質(zhì)等日益提高的要求，提高制造業(yè)的技術(shù)與資金密集度是制造業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢。實踐證明，通過信息化帶動工業(yè)化是中國繼續(xù)保持國際制造業(yè)大國并轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強國的唯一出路。工業(yè)機器人作為重要的自動化基礎(chǔ)裝備，是制造業(yè)信息化發(fā)展的基石。在可以預見的未來，機器人技術(shù)與現(xiàn)代傳感技術(shù)、智能技術(shù)、控制技術(shù)和信息技術(shù)互相滲透、融合，應用于制造業(yè)基礎(chǔ)裝備的改造，使傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)生“脫胎換骨”式的飛躍，對社會生產(chǎn)力的進步產(chǎn)生強大的推動力[2]。 4 機器人技術(shù)的應用 4.1 仿人機器人 仿人機器人具有可移動性、超多的自由度、視覺和聽覺處理能力，可以完成更復雜的任務。但對控制系統(tǒng)的可靠性、實時性，建立包含語音、視頻等多媒體信息的多功能遠程操作平臺，都提出了更高的要求。以往采用的集中控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效，降低了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，因此考慮采用分布式的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)控制.CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))總線作為在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應用的一種總線，具有成本低、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡單、開放性好等特點，非常適合用來搭建仿人機器人的控制系統(tǒng)[7]。 4.2 機器人在機械制造業(yè)中的應用 機器人遠程控制技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的機器人遙控操作領(lǐng)域有著廣泛的應用，隨著Internet 的迅猛發(fā)展，它在其它許多領(lǐng)域中也有良好的應用前景，如遠程制造業(yè)、分布式制造系統(tǒng)、自主機器人系統(tǒng)等領(lǐng)域。 (1)機械加工機器人：在多品種、大批量、效率低下的生產(chǎn)線上，通過網(wǎng)絡控制生產(chǎn)過程，謀求實現(xiàn)生產(chǎn)的自動化；通過機器人收集現(xiàn)場工況信號，使運送、裝卸工件、切屑處理等工序流程均處于遠程監(jiān)視之下，控制信號神經(jīng)網(wǎng)絡及時傳送到現(xiàn)場機器人完成生產(chǎn)過程的控制[10]。 （2）工業(yè)裝配機器人：在裝配作業(yè)過程中，往往有視覺、觸覺等感知功能的運用。這些信號經(jīng)現(xiàn)場機器人采集后，通過網(wǎng)絡傳送到遠方控制終端，由遠方工作人員來操控現(xiàn)場機器人的動作，完成裝配任務，實現(xiàn)裝配過程的遠程控制[11]。 (3)噴漆機器人：與其它作業(yè)的機器人不同(其它作業(yè)的機器人只需正確控制動作，即控制定位精度、軌跡模仿精度和速度就已足夠)，噴漆機器人在進行噴漆作業(yè)時還要評價噴漆完成的狀態(tài)，需不斷采集工件噴漆后的圖像信息，把這些信號通過網(wǎng)絡傳送到遠方控制終端，實現(xiàn)噴漆作業(yè)的遠程控制，可以大大提高噴漆作業(yè)的精度和速度[8]。 (4)焊接機器人：在焊接生產(chǎn)中可提高焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率，保證了焊接過程的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的一致性，減小了勞動強度，滿足了高度柔性化生產(chǎn)的要求。因此，焊接機器人廣泛地應用于現(xiàn)代制造業(yè)，如汽車制造和汽車零部件、摩托車制造、工程機械、機車車輛、家用電器等行業(yè)[15]。 5 目前仍存在的問題和解決的思路 工業(yè)機器人在我國的發(fā)展需要克服眾多困難，其中很重要的一個就是認識上的錯誤。就我國絕大多數(shù)制造廠家而言，對機器人如何提高勞動生產(chǎn)率、降低勞動成本方面缺乏相應的了解和認識。這種認識上的缺乏導致許多人抱著一個錯誤的觀念，工業(yè)機器人在中國沒有市場。但是實際情況卻正好相反。最近幾年，中國工業(yè)機器人使用量呈大幅上升趨勢，工業(yè)機器人的使用已經(jīng)從傳統(tǒng)的汽車和工程機械行業(yè)向其它制造類行業(yè)快速擴散。 目前，我國機械制造業(yè)的現(xiàn)狀是大而不強。為了全面提升我國制造業(yè)的競爭力，實現(xiàn)從制造業(yè)大國向制造業(yè)強國的轉(zhuǎn)變，必須加快推進制造業(yè)信息化。將網(wǎng)絡機器人技術(shù)應用于機械制造業(yè)。這對于實現(xiàn)我國制造業(yè)信息化、提高本國制造業(yè)的國際影響力，完成“用信息化帶動制造業(yè)現(xiàn)代化，用高新技術(shù)改造制造業(yè)，以實現(xiàn)制造業(yè)跨越發(fā)展”的戰(zhàn)略目標，有著顯著的現(xiàn)實意義，應用前景十分廣闊，將來大有可為 [11]。 6 結(jié)束語 我國的工業(yè)機器人研究從“七五”開始起步，近十幾年來在國家“863”計劃的支持下已經(jīng)取得了長足進步。雖然因為工業(yè)基礎(chǔ)方面的原因，我國在工業(yè)機器人本體的生產(chǎn)水平方面與國外還有較大差距，但在機器人應用技術(shù)和系統(tǒng)集成等方面，與國外先進水平的差距已經(jīng)不大。國內(nèi)部分企業(yè)在許多工業(yè)機器人應用的招標項目中已經(jīng)可以和國外著名企業(yè)抗衡。目前國內(nèi)的工業(yè)機器人市場已經(jīng)逐步走向成熟，應用范圍也越來越廣。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國內(nèi)外市場競爭將更加激烈，制造業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率的要求越來越高，人力成本也將不斷提高，作為全球制造工廠的我國制造業(yè)對工業(yè)機器人的需求也將會在較短時間內(nèi)進入快速發(fā)展時期。 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):33～34. [2] 張效祖．工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]． WMEM,2007,(05):25～26. [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):43～45. [4] 吳林．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):56～57. [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)：124～125. [8] 周伯英．工業(yè)機器人設計[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，2005． [13]　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，1997． [14]　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，2001． [15]　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．  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 ２．本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 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。即末端執(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)律解決。內(nèi)容如下： 1、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，完成三自由度焊接機器人的運動學逆解 2、三個自由度的實現(xiàn) 3、設計出小車車體結(jié)構(gòu)，并在圖紙上繪制出機器人的裝配圖 在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上,針對上述問題有了以下設計思路： 1、焊接機器人的結(jié)構(gòu)設計，完成三自由度焊接機器人的運動學逆解 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，前后平移的十字滑塊和做旋轉(zhuǎn)運動的末端效應器。通過三個關(guān)節(jié)之間的協(xié)調(diào)運動，來保證末端效應器的姿態(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。 2、三個自由度實現(xiàn) 機器人采用兩個移動關(guān)節(jié)一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)來實現(xiàn)。 3、完成車體結(jié)構(gòu)設計，畫出相關(guān)的零件圖和裝配圖 運用AutoCAD、Pro/engineer等機械繪圖軟件分別繪制出車體結(jié)構(gòu)及相關(guān)的零件圖和裝配圖。  畢 業(yè) 設 計（論 文）開 題 報 告 指導教師意見： 1．對“文獻綜述”的評語： 2．對本課題的深度、廣度及工作量的意見和對設計（論文）結(jié)果的預測： 指導教師： 年 月 日 所在專業(yè)審查意見： 負責人： 年 月 日 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)設計,姓名：錢瑞學號：0501510131指導教師：吳晟,本課題的研究設計內(nèi)容,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)的運動學分析及該機器人車體結(jié)構(gòu)的設計。,焊接機器人機構(gòu)運動學分析,,齊次變換（D-H變換）,運用齊次變換可求得活動坐標系中某點在參考坐標系的坐標值。這種思想為下面的運動學逆解提供了重要的理論依據(jù)。,,一個周期內(nèi)運動軌跡,,變換方程的建立,機構(gòu)運動原理運動學模型,,機構(gòu)運動原理,,運動學模型,,過渡段運動學分析處理方法,運動學逆解結(jié)果,逆解出焊接波紋板一個周期內(nèi)機器人的三個關(guān)節(jié)應按照什么運動規(guī)律進行運動，和三個關(guān)節(jié)的運動之間的函數(shù)關(guān)系。,,結(jié)構(gòu)設計,,,謝謝大家！, 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 I 頁 共 I 頁 目 錄 1 緒論 1 1.1 選題的依據(jù)及意義 1 1.2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1 1.3 本課題的研究設計內(nèi)容及方法 3 1.4 課題的完成情況 5 2 焊接機器人機構(gòu)運動學分析 6 2.1 運動學分析數(shù)學基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換） 6 2.2 變換方程的建立 7 2.3 運動學分析處理方法 9 2.4 逆解過程 10 2.5 本章小結(jié) 28 3 結(jié)構(gòu)設計 30 3.1 小車行走結(jié)構(gòu)設計 30 3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇 36 3.3 本章小結(jié) 36 結(jié)束語 38 致 謝 39 參考文獻 40 附 錄 41 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 41 頁 共 41 頁 1 緒論 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[1]。 圖1.1 集裝箱波紋板示意圖 1.1.2 選題的意義 通過完成該課題，即設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，提高集裝箱的生產(chǎn)質(zhì)量。 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)設計方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；關(guān)于運動學分析的常用方法[5]。 1.2.1 移動焊接機器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 這里所設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用，是該領(lǐng)域的焊接自動化水平低的緣故，而當前的移動焊接機器人技術(shù)有相當?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確對準焊縫的情況下,能夠自動調(diào)整機器人本體和十字滑塊的位置[4]。 (2) 日本慶應大學學者 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[5]。 (3) 日本慶應大學學者 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到正確的焊接位置[5]。 (4) 清華大學機械工程系與北京石油化工學院裝備技術(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±0.5mm,能夠滿足實際工程應用[3]。 (5) 上海交通大學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[8]。 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。 1.2.2 焊接機器人機構(gòu)設計的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 在當前，機器人的機構(gòu)設計絕大部分還是采用依據(jù)具體的情況來設計專用焊接機器人，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)。下面為當前一些人所做的研究： (1) Benhabib等人建立的機器人庫,將模塊分成模塊單元連接器、連桿模塊、主關(guān)節(jié)模塊和末端關(guān)節(jié)模塊四類[13]； (2) 1999年DanielaRus等提出了一種由晶體結(jié)構(gòu)“分子”組成的可自重構(gòu)機器人系統(tǒng)[13]； (3) 上海交通大學的費燕瓊和沈陽航空工業(yè)學院的張艷麗等對模塊化機器人的構(gòu)形設計進行了研究[13]。 1.2.3 運動學分析的常用方法 機器人逆運動學問題在機器人運動學、動力學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確性。逆運動學問題就是根據(jù)已知的末端執(zhí)行器的位姿(位置和姿態(tài))，求解相應的關(guān)節(jié)變量。 目前機器人運動學逆解方法有三種： (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（齊次變換法）。 (3) 智能求解方法。 該方法典型的有：基于學習的算法和神經(jīng)網(wǎng)絡算法；基于擴散方程的學習算法。 1.3 本課題的研究設計內(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)的運動學分析，該機器人車體結(jié)構(gòu)的設計。 1.3.1 三自由度焊接機器人機構(gòu)運動學分析 (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。 1.3.2 焊接機器人結(jié)構(gòu)設計 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。 1.4 課題的完成情況 (1) 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)存在運動學逆解，并求出，該解滿足集裝箱波紋板的焊接要求。 (2) 做出了車體結(jié)構(gòu)設計與校核。 2 焊接機器人機構(gòu)運動學分析 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。 2.1 運動學分析數(shù)學基礎(chǔ)-齊次變換（D-H變換） 2.1.1 齊次坐標 將直角坐標系中坐標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。 這里所建立的直角坐標系的坐標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）表示活動坐標系在參考系中的方向余旋陣，即坐標變換中的旋轉(zhuǎn)量；而式（2.3）表示活動坐標系原點在參考系中的位置，即坐標變換中的平移量。 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 運動學模型 (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： (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2.1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}中的坐標值。 根據(jù)公式（2.4）、（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，即參考坐標系與設置的動坐標位置矢量。S為坐標系{1}原點在一定時間t.t內(nèi)沿X方向的位移，且,為關(guān)節(jié)1的移動速度。S為坐標系{2}點在一定時間t.t內(nèi)沿Y向的位移，且,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系{0}及{3}的坐標值之間的變換矩陣。 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越小；反之亦然。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： 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(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□）代表該點在基坐標系上的坐標。 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) 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（2.8）得 （2.10） 將以上兩式對t求導并整理可得： （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（2.8）得： （2.13） 將以上兩式對t求導并整理可得： （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（3.8）得： （2.16） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （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（2.8）得： （2.19） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （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（2.8）得： （2.22） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （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（3.8）得： （2.25） 將以上兩式對t求導并整理可得： （2.26） 又由速度合成知識可得：，帶入上式可解得：。 將這結(jié)果帶入式（2.13）可轉(zhuǎn)化為： （） （2.27） 其中的運動規(guī)律如圖2.14所示： 圖2.14 C→D圓弧段的運動規(guī)律 (3) D→D直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 根據(jù)圖2.15可得： （2.28） 圖2.15 D→D直線段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.28）帶入變換方程（3.8）得 (2.29) 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (2.30) 其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.16所示： 圖2.16 D→D直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖 2.4.4 DE段（直線段1） 這一階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3不轉(zhuǎn)動，。 又根據(jù)約束（焊槍與焊縫垂直，相對于焊縫焊接速度恒定，焊縫軌跡為水平直線）和運動合成知識可得出： （） (2.31） 2.4.5 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，E→E斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，E→F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。 (1) E→E直線段 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2.17可得： (2.32） 圖2.17 E→E直線段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.32）帶入變換方程（3.8）得 (2.33） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (2.34) 其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.18所示： 圖2.18 E→E直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖 (2) E→F圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。 根據(jù)圖2.19及平面幾何知識可得： (2.35） 圖2.19 E→F圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.35）帶入變換方程（2.8）得： (2.36） 將以上兩式對t求導并整理可得： (2.37） 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（2.37）可轉(zhuǎn)化為： （） (2.38） 其中、的運動規(guī)律如圖2.20所示： 圖2.20 E→F圓弧段的運動規(guī)律 (3) F→F斜線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又順時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 根據(jù)圖2.21可得： (2.39） 圖2.21 F→F斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.39）帶入變換方程（2.8）得： （2.40） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （2.41） 其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.22所示： 圖2.22 F→F斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖 2.4.6 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。 因此根據(jù)速度合成知識（如圖2.23所示）可得： （） （2.42） 圖2.23 FG段波內(nèi)斜邊段的速度合成圖 2.4.7 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，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，G→H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。 (1) G→G斜線段 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2.24可得： （2.43） 圖2.24G→G斜線段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.43）帶入變換方程（3.8）得： （2.44） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） （2.45） 其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律(.t,.t)如圖2.25所示： 圖2.25 G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖 (2) G→H圓弧段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)不旋轉(zhuǎn)，。 根據(jù)圖2.26及平面幾何知識可得： （2.46） 圖2.26 G→H圓弧段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.46）帶入變換方程（2.8）得： （2.47） 將以上兩式對t求導并整理可得： （2.48） 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（2.48）可轉(zhuǎn)化為： （） （2.49） 其中、的運動規(guī)律如圖2.27所示： 圖2.27 C→D圓弧段的運動規(guī)律 (3) H→H直線段 該小階段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又逆時針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對于焊縫為恒定。 根據(jù)圖2.28可得： （2.50） 圖2.28 H→H直線段焊接點位置關(guān)系示意圖 將式（2.50）帶入變換方程（3.8）得 （2.51） 將以上兩式對t求導并整理可得： （） (2.52) 其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3的運動規(guī)律(,)如圖2-29所示： 圖2.28 H→H直線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運動規(guī)律示意圖 2.4.8 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。 根據(jù)速度合成知識可得： （） （2.53） 以上即為焊接集裝箱一個周期波紋板的運動學逆解。 2.5 本章小結(jié) 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： 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，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。 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，E→E斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)順時針旋轉(zhuǎn)角度，E→F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，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時針旋轉(zhuǎn)角度，G→H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。 同時，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。 3 結(jié)構(gòu)設計 3.1 小車行走結(jié)構(gòu)設計 這里主要是做了三方面的工作：對小車行走機構(gòu)的結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；對電機功率的估計并選擇出小車的驅(qū)動電機；對根據(jù)結(jié)構(gòu)設計的齒輪、齒條傳動的接觸疲勞強度、彎曲疲勞強度校核。 3.1.1 車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇 根據(jù)一些移動機器人本體設計的研究文獻及直動關(guān)節(jié)的知識可獲得兩個車體結(jié)構(gòu)方案。這兩個方案的示意圖如圖所示： 方案1：其中傳動順序為：電機齒輪箱車輪軸上齒輪（通過車輪軸）驅(qū)動輪。這也是在移動機器人本體結(jié)構(gòu)設計上較為常用的一種車體結(jié)構(gòu)方案，布置比較對稱合理。 方案2：其中傳動順序為：電機圓柱齒輪固定齒條（通過反推動）車體結(jié)構(gòu)。這里的設計有借鑒將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動里有齒輪、齒條這么一種傳動方式，結(jié)構(gòu)比較簡單，設計比較容易。 方案間的比較： 表1 兩車體機構(gòu)方案的比較 方案比較 方案1 方案2 設計方面 較復雜 較簡單 結(jié)構(gòu)方面 稍復雜 稍簡單 布置方面 對稱點 有點偏移 效率方面 較低 較高 精度方面 高 稍差 用材方面 一般 有長齒條 根據(jù)實際的工作條件：希望設計能夠比較簡單，結(jié)構(gòu)比較簡單，焊接小車的移動效率高一點，精度要求并不是很高，。故可從表1可選擇出方案2作為該小車的設計結(jié)構(gòu)方案。 3.1.2 小車驅(qū)動電機功率的確定 (1) 電機功率的估計 根據(jù)機器人的重量、小車運行速度、輪胎直徑來確定驅(qū)動電機的功率。 假定小車在軌道上行走，不考慮小車行駛中的空氣阻力，分析小車的受力情況，以便估計小車所需的驅(qū)動力矩。此時，應把輪胎看成一個彈性體來考慮。 前面也提到了，在這里，由于電機的驅(qū)動是通過齒輪、齒條的嚙合來驅(qū)動，故該小車的四輪都為從動輪。 這里先分析車輪的受力情況： 圖3.1 車輪受力簡圖 假設在運動過程中，輪子做純滾動。 設小車運動時的加速度為，相應的車輪角加速度為。 根據(jù)可推得： 其中v為小車速度，w為車輪角速度，r為車輪的半徑。 圖3.1畫出了該小車的車輪在運動過程中的受力簡圖，圖中 P車輪上的載荷，m 車輪的質(zhì)量，N地面對車輪的法向反作用力，U為車輪的切向反作用力，X車輪軸的車輪的推力。 根據(jù)平衡條件有 （3.1） （3.2） 為車輪滾動阻力矩，其值為；J為車輪的轉(zhuǎn)動慣量。 根據(jù)式（3.1）、（3.2）有 （3.3） 由此可知，推動車輪前進要克服兩種阻力，即車輪的滾動阻力和車輪的加速阻力。而后者又由平移質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力和由旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生的加速阻力所組成。 齒輪、齒條傳動作為該小車的驅(qū)動機構(gòu)，故驅(qū)動力矩設為， 進而可將理解為小車的實際驅(qū)動力，為齒輪的半徑。 故以小車車體做分析對象，在水平方向上，應用牛頓第二定律可得： （3.4） 其中為機器人總質(zhì)量。 將式（3.4）中的X帶入上式得； （3.5） 由上式可得出結(jié)論為：小車的驅(qū)動力用來克服車輪的滾動阻力和機器人的平移質(zhì)量的加速阻力和車輪的旋轉(zhuǎn)阻力。 可根據(jù)式（3.5）粗估出驅(qū)動力矩： 其中：車輪半徑 ，（查理論力學 P120 表5.2 滾動摩阻系數(shù)。），； 估為40kg ,車輪質(zhì)量估計為0.8kg ,J估計為，N； 由于這里的焊接速度為，故可一定程度上估出。 將上述數(shù)據(jù)帶入式（3.5）得： 進而根據(jù)要求的運行速度為v ,初步確定電機的功率P： （3.6） 其中：K為估計系數(shù)，考慮到該焊接機器人其上的關(guān)節(jié)的運動，可取為5。 解之得：P =645w (2) 電機的選擇 前面已初步估計出了驅(qū)動力矩，電機的功率。 在實際的操作中，機器人的驅(qū)動，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機等?？紤]到步進電機通過改變脈沖頻率來調(diào)速。能夠快速啟動、制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的抗力。又由于這里的位置精度要求并不高，而步進電機在機器人無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。 這里選定步進電機為驅(qū)動電機，考慮到在實際的選擇中應考慮到一定的裕度。 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：； 3.1.3 齒輪、齒條傳動的校核 這里齒輪、齒條的傳動是按照結(jié)構(gòu)聯(lián)系上來設計的，故這里對齒輪進行彎曲強度校核、接觸強度校核。 其參數(shù)為：齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為，齒數(shù)為80。 前面也對驅(qū)動力矩做出估計并給出轉(zhuǎn)速，，。 這里參考《機械設計》P209里的帶式輸送機減速器的齒輪傳動設計進行校核。 由于這里的齒條可以理解為半徑無窮大的圓柱齒輪，故不存在疲勞強度是否符合要求，對齒條的強度無需校核，這里只需校核齒輪的彎曲疲勞強度、接觸疲勞強度。 3.3.3.1 選定齒輪類型、精度等級、材料 (1) 這里以直齒圓柱齒輪齒條傳動。 (2) 該焊接機器人速度不高，故選用7級精度（GB10095-8）。 (3) 由《機械設計》表10.7選擇齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，齒條材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。 3.3.3.2 按齒面接觸強度校核 按照《機械設計》公式（10.9a）進行校核： （3.7） (1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 (a) 計算載荷系數(shù)K 根據(jù)，7級精度，由表10.8查得動載系數(shù)； 由《機械設計》表10.2查得使用系數(shù)； 直齒輪，調(diào)質(zhì)，及。查《機械設計》表10.8的； 由《機械設計》表10.4查的7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時， 將數(shù)據(jù)帶入后得： 由查《機械設計》圖10.3得； 故載荷系數(shù) 。 （b）齒寬系數(shù)。 （c）由《機械設計》表10.6查得材料的彈性影響系數(shù)。 （d）由《機械設計》圖10.21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 。 （e）由《機械設計》式10.13計算應力循環(huán)次數(shù) 。 （f）由《機械設計》圖10.19查得接觸疲勞系數(shù)。 （g）JI計算接觸疲勞許用應力 取失效概率1%，安全系數(shù)，由《機械設計》式（10.12）得 （h）由于這里是齒輪、齒條傳動，故可認為傳動比 將上面計算的各項數(shù)據(jù)帶入式（3.7）得： 而這里設計該傳動的齒輪半徑，顯然滿足接觸疲勞強度。 3.3.3.3 按齒根彎曲疲勞強度校核 這里按照《機械設計》公式（10.5）進行校核： (1) 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 (a) 由《機械設計》圖10.20c查得齒輪的彎曲疲勞強度極限 (b) 由《機械設計》圖1.18查得彎曲疲勞壽命系數(shù) (c) 計算彎曲疲勞許用應力 取彎曲疲勞安全系數(shù)，由式（10.12）得 (d) 計算載荷系數(shù)K (e) 查取齒形系數(shù) 由《機械設計》表10.5查得 （f）查取應力校正系數(shù) 由《機械設計》表10.5可查的得 (2）計算 而這里設計的是，顯然滿足彎曲疲勞強度，故校核結(jié)果符合要求。 3.3.3.4 結(jié)論 綜上，所設計的齒輪參數(shù)(齒輪直徑，齒寬為，模數(shù)為)符合要求。 3.2 擺動關(guān)節(jié)電機選擇 考慮到擺動關(guān)節(jié)的實際情況，對電機的要求：質(zhì)量輕，體積小，頻繁的正反轉(zhuǎn)，換向性能好，較好的運動控制精度，功率為二十多瓦。故這里選擇直流伺服電機中的印刷繞組直流永磁式。 該類型直流伺服電機又稱盤式電機，有特點：快速響應性能好；可以頻繁的起動、制動、正反轉(zhuǎn)工作；轉(zhuǎn)子無鐵損，效率高；換向性能好；壽命長；負載變化時轉(zhuǎn)速變化率小，輸出力矩平穩(wěn)。 這里選擇的型號是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。 3.3 本章小結(jié) 本章主要進行了車體結(jié)構(gòu)設計，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，設計比較容易。 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。 結(jié)束語 畢業(yè)設計是對大學學期間所學的知識的一次系統(tǒng)全面性的總結(jié)，通過本次畢業(yè)設計將理論與實踐充分結(jié)合，是難得的一次機會。通過這次畢業(yè)設計為今后能更好的適應今后工作墊定了良好的基礎(chǔ)。針對本次畢業(yè)設計總結(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計，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設計。這些都是直接在圖紙上設計出來了。  致 謝 本文是在吳晟老師精心指導和大力支持下完成的。吳晟老師以其嚴謹求實的治學態(tài)度、高度的敬業(yè)精神、兢兢業(yè)業(yè)、孜孜以求的工作作風和大膽創(chuàng)新的進取精神對我產(chǎn)生重要影響。他淵博的知識、開闊的視野和敏銳的思維給了我深深的啟迪。同時，在此次畢業(yè)設計過程中我也學到了許多了關(guān)于機械設計方面的知識，實驗技能有了很大的提高。 另外，我還要特別感謝師姐對我實驗以及論文寫作的指導，她為我完成這篇論文提供了巨大的幫助。還要感謝，周小明和施道偉同學對我的無私幫助，使我得以順利完成論文。同時實驗室的武培軍老師也時常幫助我，在此我也衷心的感謝他。 最后，再次對關(guān)心、幫助我的老師和同學表示衷心地感謝！  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):33～34. [2] 張效祖．工業(yè)機器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. WMEM,2007,(05):25～26. [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):43～45. [4] 吳林．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):56～57. [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)[M].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)：124～125. [8] 周伯英．工業(yè)機器人設計[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，2005． [13]　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，1997． [14]　章向明等．工程力學教程[M]．北京：科學出版社，2007． [15]　濮良貴等．機械設計[M]．北京：高等教育出版社，2007． [16] 孫恒，陳作模等．.機械原理[M]．北京：高等教育出版社，2007． 附 錄 1總體設計圖 ZTSJ-00…………………………A0 2移動小車裝配圖 ZP01 ……………………………A0 3擺動關(guān)節(jié)裝配圖 ZP02 ……………………………A1 4車輪軸 LJ01 ……………………………A4 5車體 LJ02 ……………………………A4 6齒輪 LJ03 ……………………………A4 7電機安裝板 LJ04 ……………………………A4 8電機夾具 LJ05 ……………………………A4 9焊槍夾具 LJ06 ……………………………A4 10十字滑塊支架 LJ07 ……………………………A4 11車輪 LJ08 ……………………………A4 12擺動關(guān)節(jié)支板 LJ09 ……………………………A4