機(jī)械手-集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)
機(jī)械手-集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu),機(jī)械手,集裝箱,波紋,焊接,機(jī)器人,機(jī)構(gòu),運(yùn)動(dòng)學(xué),分析,車體,結(jié)構(gòu)
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
姓名：錢瑞 學(xué)號(hào)：0501510131
指導(dǎo)教師：吳晟
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(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的角度完成一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，求出三個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，還有三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)機(jī)器人的總體設(shè)。通過對(duì)小車的受力分析完成對(duì)車輪、車體的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對(duì)完成對(duì)電機(jī)的選擇。最后對(duì)所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(chǎng)作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動(dòng)焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動(dòng)將機(jī)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(jī)器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力。
未來的發(fā)展趨勢(shì)為三個(gè)方面：選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c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(duì)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(dòng)焊接機(jī)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(dòng)焊專機(jī)，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(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(jìn)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(jìn)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
1 機(jī)構(gòu)方案
(1) 根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3（如圖2）。
圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）
(2) 求出三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動(dòng)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。
2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于在這里借用了一個(gè)現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計(jì)主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1）。
所要解決的問題及任務(wù)：
小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇傳動(dòng)的校核。
其它：擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。
3 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析指的是機(jī)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(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計(jì)算出機(jī)器人末端的位姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（正向運(yùn)動(dòng)學(xué)）；反之，為了使機(jī)器人所握工具相對(duì)參考系的位置滿足給定的要求，計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(diǎn)（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。
3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡化
由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動(dòng)：焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)，對(duì)實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對(duì)其采取等效處理：
(1) 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機(jī)器人本體1）與關(guān)節(jié)2（前后移動(dòng)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(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離視為零，這對(duì)分析結(jié)果是等效的。
(2) 對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進(jìn)行等效。
3.2 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系
據(jù)簡化后的模型可獲得各個(gè)坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個(gè)坐標(biāo)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(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都處在Z=0平面上。
3.3 求其次變換
3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的結(jié)果
由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)動(dòng)作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律如下（一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3）：
圖3 波紋的一個(gè)周期的各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)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(shí)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(dòng)，。
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(shí)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(shí)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(dòng)，。
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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)小運(yùn)動(dòng)階段，其中，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。
HI段（直線段2）
該階段運(yùn)動(dòng)：；并滿足焊接速度相對(duì)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(jì)
車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核等內(nèi)容。
具體的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)如下：
傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過反推動(dòng)）車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，設(shè)計(jì)比較容易。
根據(jù)實(shí)際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機(jī)、齒輪如下：
選用的電機(jī)參數(shù)如下：
（1）傳動(dòng)電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：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(yùn)行頻率；
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：。
（2）擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號(hào)是Maxon 組合體系：
電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為40W；
行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)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(xiàn)
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[6] 熊有倫.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ).武漢：華中科技大學(xué)出版社，1996.
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集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
姓名：錢瑞 學(xué)號(hào)：0501510131
指導(dǎo)教師：吳晟
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(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的角度完成一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，求出三個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，還有三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)機(jī)器人的總體設(shè)。通過對(duì)小車的受力分析完成對(duì)車輪、車體的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對(duì)完成對(duì)電機(jī)的選擇。最后對(duì)所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞 焊接機(jī)器人發(fā)展 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(chǎng)作業(yè),如大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。
當(dāng)前絕大多數(shù)移動(dòng)焊接機(jī)器人還能焊縫跟蹤,焊前必須通過人為的方式,把機(jī)器人放到坡口附近合適的位置,并且通過手動(dòng)將機(jī)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(jī)器人的自主性還很低,基本上還不具有自主的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能力。
未來的發(fā)展趨勢(shì)為三個(gè)方面：選擇視覺傳感器來進(jìn)行傳感跟蹤，因?yàn)榕c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(duì)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(dòng)焊接機(jī)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(dòng)焊專機(jī)，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(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(jìn)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(jìn)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，該機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
1 機(jī)構(gòu)方案
(1) 根據(jù)實(shí)際的集裝箱波紋板的焊接條件，我們采用三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人：左右平移的焊接機(jī)器人本體1、上下平移的十字滑塊2和做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3（如圖2）。
圖2 三自由度焊接機(jī)器人關(guān)節(jié)模型（俯視圖）
(2) 求出三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的方法、建立運(yùn)動(dòng)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。
2 焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于在這里借用了一個(gè)現(xiàn)成的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)上下平移的十字滑塊，故這里所做的設(shè)計(jì)主要為小車行走機(jī)構(gòu)（即左右平移的焊接機(jī)器人本體1）。
所要解決的問題及任務(wù)：
小車行走機(jī)構(gòu)：車體結(jié)構(gòu)方案的確定，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇傳動(dòng)的校核。
其它：擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的選擇等。
3 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析指的是機(jī)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(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可計(jì)算出機(jī)器人末端的位姿方程，稱為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析（正向運(yùn)動(dòng)學(xué)）；反之，為了使機(jī)器人所握工具相對(duì)參考系的位置滿足給定的要求，計(jì)算相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量，這一過程稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。從工程應(yīng)用的角度來看，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解往往更加重要，它是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(diǎn)（焊槍）的位移，速度及焊槍與焊縫間的夾角關(guān)系，來求三個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，故為運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。
3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型簡化
由于該機(jī)器人是為了實(shí)現(xiàn)這樣一種運(yùn)動(dòng)：焊槍末端運(yùn)動(dòng)軌跡一定，焊接速度恒定，故可以在運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解時(shí)，對(duì)實(shí)際的關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這里將對(duì)其采取等效處理：
(1) 將關(guān)節(jié)1（左右平移的焊接機(jī)器人本體1）與關(guān)節(jié)2（前后移動(dòng)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(yùn)動(dòng)的末端效應(yīng)器3）的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)的距離視為零，這對(duì)分析結(jié)果是等效的。
(2) 對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)焊槍投影在X-Y平面上進(jìn)行等效。
3.2 設(shè)定機(jī)器人各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系
據(jù)簡化后的模型可獲得各個(gè)坐標(biāo)系及其之間的關(guān)系，各個(gè)坐標(biāo)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(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都處在Z=0平面上。
3.3 求其次變換
3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的結(jié)果
由逆解過程可以看出三自由度焊接機(jī)器人三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)動(dòng)作，即可以保證焊槍以一定的位姿與焊接速率進(jìn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律如下（一個(gè)周期內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3）：
圖3 波紋的一個(gè)周期的各個(gè)運(yùn)動(dòng)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(shí)針旋轉(zhuǎn)，并保證焊接速度v相對(duì)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(shí)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(dòng)，。
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(shí)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(shí)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(dòng)，。
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(shí)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(shí)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(duì)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(gè)小運(yùn)動(dòng)階段，其中，G→G斜線段旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)逆時(shí)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(shí)針旋轉(zhuǎn)角度。
HI段（直線段2）
該階段運(yùn)動(dòng)：；并滿足焊接速度相對(duì)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(jì)
車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括方案選擇；功率估計(jì)；電機(jī)選擇；校核等內(nèi)容。
具體的設(shè)計(jì)方案及參數(shù)如下：
傳動(dòng)順序?yàn)椋弘姍C(jī)圓柱齒輪固定齒條（通過反推動(dòng)）車體結(jié)構(gòu)。主要利用齒輪、齒條將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，設(shè)計(jì)比較容易。
根據(jù)實(shí)際操作中遇到的情況并經(jīng)校核選用的電機(jī)、齒輪如下：
選用的電機(jī)參數(shù)如下：
（1）傳動(dòng)電機(jī)這里選用的是杭州日升生產(chǎn)的永磁感應(yīng)子式步進(jìn)電機(jī)
型號(hào)：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(yùn)行頻率；
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：。
（2）擺動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)選擇的型號(hào)是Maxon 組合體系：
電機(jī)：Maxon DC Motor F2260 功率為40W；
行星輪減速箱：GP 62（11501）傳動(dòng)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(duì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)總結(jié)如下：
(1)對(duì)該集裝箱波紋板三自由度焊接機(jī)器人進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，并對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)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(jì)：車體結(jié)構(gòu)方案的比較與選擇；驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率的估計(jì)計(jì)算與選擇；齒輪齒條傳動(dòng)的接觸疲勞強(qiáng)度與彎曲疲勞強(qiáng)度校核。還有擺動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。
(3)其它方面：車輪與選用導(dǎo)軌的匹配設(shè)計(jì)，關(guān)節(jié)間的聯(lián)接匹配設(shè)計(jì)。這些都是直接在圖紙上設(shè)計(jì)出來了。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 原 魁.工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].MC 現(xiàn)代零部件,2007,(01):33～34.
[2] 張效祖.工業(yè)機(jī)器人的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J] . WMEM,2007,(05):25～26.
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[11] I.OM.索羅門采夫.工業(yè)機(jī)器人圖冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.
[12] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．
[13] 孔宇，戴明，吳林．機(jī)器人結(jié)構(gòu)光視覺三點(diǎn)焊縫定位技術(shù)[J]．焊接學(xué)報(bào)，1997．
[14] 王軍波等．基于CCD傳感器的球罐焊接機(jī)器人焊縫跟蹤[J]．焊接學(xué)報(bào)，2001．
[15] 徐培全等．基于機(jī)器人焊接的視覺傳感系統(tǒng)綜述[J]．焊接，2005．
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
學(xué)生姓名
錢瑞
學(xué) 號(hào)
0501510131
指導(dǎo)教師
武培軍 吳晟
選題情況
課題名稱
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析
及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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(wù)書
有
√
無
開題報(bào)告
有
√
無
外文翻譯質(zhì)量
優(yōu)
良
√
中
差
學(xué)習(xí)態(tài)度、出勤情況
好
√
一般
差
工作進(jìn)度
快
按計(jì)劃進(jìn)行
√
慢
中期工作匯報(bào)及解答問題情況
優(yōu)
良
√
中
差
中期成績?cè)u(píng)定：良
所在專業(yè)意見：
學(xué)習(xí)較主動(dòng)、積極，態(tài)度認(rèn)真，階段成果較明顯。
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(論文)
作 者:
錢瑞
學(xué) 號(hào)：
0501510131
系 部:
機(jī)械工程系
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動(dòng)化
題 目:
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
助教
吳晟
指導(dǎo)者：
評(píng)閱者：
2009 年 6 月
畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yīng)用越來越多,其中大量的焊接工作必須在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè),如集裝箱波紋板焊接機(jī)器人、大型艦船艙體、甲板的焊接、大型球罐(儲(chǔ)罐)的焊接等。而這些焊接場(chǎng)合下，焊接機(jī)器人要適應(yīng)焊縫的變化，才能做到提高焊接自動(dòng)化的水平。無疑,將機(jī)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(dòng)化焊接難題。因此機(jī)器人的設(shè)計(jì)對(duì)于解決這一難題至關(guān)重要。
本課題主要完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的逆解、車體的總體設(shè)計(jì)、電機(jī)的選擇等方面。主要從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的角度完成一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，求出三個(gè)關(guān)節(jié)應(yīng)按照什么運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，還有三個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)之間的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)機(jī)器人的總體設(shè)。通過對(duì)小車的受力分析完成對(duì)車輪、車體的設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)際操作中遇到的問題對(duì)完成對(duì)電機(jī)的選擇。最后對(duì)所選的齒輪進(jìn)行校核，使之能完成具體的操作要求。
關(guān)鍵詞 機(jī)器人技術(shù) 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 強(qiáng)度校核
畢業(yè)設(shè)計(jì)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(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
系 部：
機(jī)械工程系
專 業(yè)：
機(jī)械工程及自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
錢瑞
學(xué) 號(hào)：
0501510131
設(shè)計(jì)(論文)題目：
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
起 迄 日 期:
2009年 3 月09日 ~ 6月14日
設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
武培軍 吳 晟
專業(yè)負(fù)責(zé)人:
龔光容
發(fā)任務(wù)書日期: 2009年 2 月 26 日
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題應(yīng)達(dá)到的目的：
針對(duì)集裝箱波紋板焊接自動(dòng)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(dòng)焊專機(jī)，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(dǎo)致焊縫成形不能保持一致，進(jìn)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(jìn)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(jì)（論文）課題任務(wù)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(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過十字滑塊選用，進(jìn)而組成的焊接機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)；
2、設(shè)計(jì)出該焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)逆界，證明所選方案可行；
3、設(shè)計(jì)出小車車體結(jié)構(gòu)，并在圖紙上繪制出機(jī)器人的裝配圖。
應(yīng)達(dá)到的技術(shù)要求如下：
1、所求焊接過渡段中的過渡運(yùn)動(dòng)能較好的銜接直線段與波內(nèi)斜邊段的運(yùn)動(dòng)；
2、三自由度焊接機(jī)器人三個(gè)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)可按照一定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律協(xié)調(diào)動(dòng)作。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括畢業(yè)設(shè)計(jì)論文、圖表、實(shí)物樣品等〕：
1、相關(guān)資料的英文翻譯與文獻(xiàn)綜述；
2、焊接機(jī)器人的機(jī)構(gòu)方案；
3、小車車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)零件圖、裝配圖；
4、畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
畢業(yè)設(shè)計(jì)成果以設(shè)計(jì)圖樣和說明書形式提交。要求圖樣規(guī)范，符合國家標(biāo)準(zhǔn)；說明書層次分明、論據(jù)可靠、計(jì)算正確、圖標(biāo)規(guī)范、語句通順。
4．主要參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭相鋒，胡小建．弧焊機(jī)器人焊接區(qū)視覺信息傳感與控制技術(shù)[J]．電焊機(jī)，2005．
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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書
5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)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(zhǔn)備相關(guān)資料，完成資料翻譯
完成文獻(xiàn)綜述，撰寫開題報(bào)告，熟悉AutoCAD、Pro/Engineer等繪圖軟件
掌握焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，完成三自由度焊接機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解
完成車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，畫出相關(guān)的零件圖和裝配圖
撰寫并打印設(shè)計(jì)說明書，整理相關(guān)資料
準(zhǔn)備論文答辯
所在專業(yè)審查意見：
負(fù)責(zé)人：
2008年 月 日
系部意見：
系部主任：
2008年 月 日
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)前期工作材料
學(xué)生姓名:
錢瑞
學(xué) 號(hào)：
0501510131
系 部:
機(jī)械工程系
專 業(yè):
機(jī)械工程及自動(dòng)化
設(shè)計(jì)(論文)題目:
集裝箱波紋板焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師:
武培軍高工
吳晟助教
材 料 目 錄
序號(hào)
名 稱
數(shù)量
備 注
1
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)選題、審題表
1
2
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
1
3
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告〔含文獻(xiàn)綜述〕
1
4
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯〔含原文〕
1
5
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
1
2009年5月
南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動(dòng)化
姓 名： 錢 瑞
學(xué) 號(hào)： 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(dǎo)教師評(píng)語：
簽名：
年 月 日
注：請(qǐng)將該封面與附件裝訂成冊(cè)。
附件1：外文資料翻譯譯文
應(yīng)用坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)姿態(tài)的標(biāo)定
這篇文章報(bào)到的是用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定中能獲得全部姿態(tài)的操作裝置——坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型由于操作器得到發(fā)展, 它們關(guān)系到基坐標(biāo)和工件。 工件姿態(tài)是從實(shí)驗(yàn)測(cè)量中引出的討論, 同樣地是識(shí)別方法學(xué)。允許定義觀察策略的完全模擬實(shí)驗(yàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)工作的目的是描寫參數(shù)辨認(rèn)和精確確認(rèn)。用推論原則的那方法能得到在重復(fù)時(shí)近連續(xù)地校準(zhǔn)機(jī)器人。
關(guān)鍵字：機(jī)器人標(biāo)定 坐標(biāo)測(cè)量 參數(shù)辨認(rèn) 模擬學(xué)習(xí) 精確增進(jìn)
1. 前言
機(jī)器手有合理的重復(fù)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(shí)現(xiàn)機(jī)器手精確性，機(jī)器人可能要校準(zhǔn)也是好理解 。 在標(biāo)定過程中， 幾個(gè)連續(xù)的步驟能夠精確地識(shí)別機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，提高精確性。這些步驟為如下描述：
1 操作器的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和標(biāo)定過程本身是發(fā)展，和通常有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的工具實(shí)現(xiàn)的。作為結(jié)果的模型是定義基于廠商的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤量, 和識(shí)別未知的,實(shí)際的參數(shù)設(shè)置。
2 機(jī)器人姿態(tài)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量法(部分的或完成) 是拿走為了獲得從聯(lián)系到實(shí)際機(jī)器人的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)。
3 實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)識(shí)別是系統(tǒng)地改變參數(shù)設(shè)置和減少在模型階段錯(cuò)誤量的定義。一個(gè)接近完成辨認(rèn)由分析不同中間姿態(tài)變量P和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)K的微分關(guān)系決定：
于是等價(jià)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(cuò)誤功能到零點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)設(shè)置被改變。這是標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械手控制中的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)識(shí)別和在學(xué)習(xí)之下的硬件系統(tǒng)的詳細(xì)資料。
包含實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的這張紙用于標(biāo)度過程。 可獲得的幾個(gè)方法是可用于完成這任務(wù), 雖然他們相當(dāng)復(fù)雜，獲得數(shù)據(jù)需要大量的成本和時(shí)間。這樣的技術(shù)包括使用可視化的和自動(dòng)化機(jī)械 ，伺服控制激光干涉計(jì)，有關(guān)聲音的傳感器和視覺傳感器 。理想測(cè)量系統(tǒng)將獲得操作器的全部姿態(tài)(位置和方向)，因?yàn)檫@將合并機(jī)械臂各個(gè)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(biāo)度過程到進(jìn)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(cè)量的，雖然進(jìn)行幾個(gè)中間測(cè)量，是為了獲得姿態(tài)。測(cè)量姿態(tài)使用裝置是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM),它是三軸的，棱鏡測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到0.01毫米的精確。機(jī)器人操作器是能校準(zhǔn)的，PUMA 560，放置接近于CMM，特殊的操作裝置能到達(dá)邊緣。圖1顯示了系統(tǒng)不同部分安排。在這部分運(yùn)動(dòng)學(xué)模型將是發(fā)展, 解釋姿態(tài)估算法，和參數(shù)辨認(rèn)方法。
2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)
在這部分，操作器的基本運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)構(gòu)將被規(guī)定，它關(guān)系到完全坐標(biāo)系統(tǒng)的討論, 和終點(diǎn)模型。從這些模型，用于可能的技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的識(shí)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(jì)劃，停泊處 和當(dāng)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(yùn)動(dòng)學(xué)中需要從一個(gè)坐標(biāo)到另一個(gè)坐標(biāo)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(gè)基本變化操作實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系n-1到結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系n的變化。只有需要找到與前一個(gè)的關(guān)系的四個(gè)變化是必需的，在那個(gè)時(shí)候連續(xù)的軸是不平行的，定義為零點(diǎn)。
當(dāng)應(yīng)用于一個(gè)結(jié)構(gòu)到下一個(gè)結(jié)構(gòu)的等價(jià)變化坐標(biāo)系與更改Denavit-Hartenberg系相一致時(shí)，它們將被書寫成矩陣元素實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)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(duì)于多連接的, 例如機(jī)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(gè)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(jī)器人在Denavit-Hartenberg系中每一連桿，完全坐標(biāo)系和工具結(jié)構(gòu)。變化從世界坐標(biāo)系到機(jī)器人底部結(jié)構(gòu)需要仔細(xì)考慮過，因?yàn)闈撛诘膮?shù)取決于被選擇的改變類型?？紤]到圖4,世界坐標(biāo)，在D-H系中定義的從世界坐標(biāo)到機(jī)器人基坐標(biāo)，坐標(biāo)是PUMA機(jī)器人定義的基坐標(biāo)和機(jī)器人第二個(gè)D-H結(jié)構(gòu)中坐標(biāo)。我們感興趣的是從世界坐標(biāo)到必需的最小的參數(shù)數(shù)量。實(shí)現(xiàn)這種變化有兩種路徑：路徑1，從到D-H變化包括四個(gè)參數(shù)，接著從到的變化將牽連二個(gè)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(gè)參數(shù)其中和兩個(gè)參數(shù)是關(guān)于軸Z0因此不能獨(dú)立地識(shí)別， 和是沿著軸Z0因此也不能是獨(dú)立地識(shí)別。因此，用這路徑它需要從世界坐標(biāo)到PUMA機(jī)器人的第一個(gè)坐標(biāo)有八個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。路徑2，同樣地二中擇一，從世界坐標(biāo)到底部結(jié)構(gòu)坐標(biāo)的變化可以是直接定義。因此坐標(biāo)變換需要六個(gè)參數(shù)，如Euler形式：
下面是從到D－H變化中的四個(gè)參數(shù)，但與相關(guān)聯(lián)，與相關(guān)聯(lián)，減少成兩個(gè)參數(shù)。很顯然這種路徑和路徑1一樣需要八個(gè)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(biāo)系到PUMA機(jī)器人的第二結(jié)構(gòu)的移動(dòng)中。在這工作中，選擇路徑2。工具改變引起需要六個(gè)特殊參數(shù)的改變的Euler形式：
用于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的參數(shù)總數(shù)變成30，他們定義于表1
2.2 辨認(rèn)方法學(xué)
運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)辨認(rèn)將是進(jìn)行多維的消去過程, 因此避免了雅可比系統(tǒng)的標(biāo)定，過程如下：
1. 首先假設(shè)運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù), 例如標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。
2. 為選擇任意關(guān)節(jié)角的設(shè)置。
3. 計(jì)算PUMA機(jī)器人末端操作器。
4. 測(cè)量PUMA機(jī)器人末端操作器的位姿如關(guān)節(jié)角，通常標(biāo)準(zhǔn)的和預(yù)言的位姿將是不同的。
5. 為了最好使預(yù)言位姿達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的位姿，在整齊的方式更改運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)。
這個(gè)過程應(yīng)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(cè)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(shí)別的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的數(shù)量
N是測(cè)量位姿的數(shù)
Dr是測(cè)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(zèng)值為
因此全部位姿是測(cè)量的。在實(shí)踐中，更多的測(cè)量應(yīng)該是在實(shí)驗(yàn)測(cè)量法去掉補(bǔ)償結(jié)果。優(yōu)化程序使用命名為ZXSSO，和標(biāo)準(zhǔn)庫功能的IMSL。
2.3 位姿測(cè)量法
顯然它是從上面的方法確定PUMA機(jī)器人全部位姿是必需的為了實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。這種方法現(xiàn)在將詳細(xì)地描寫。如圖5所示，末端操作器由五個(gè)確定的工具組成。 考慮到借助于工具坐標(biāo)和世界坐標(biāo)中間各個(gè)坐標(biāo)的形式，如圖6
這些坐標(biāo)的關(guān)系如下：
是關(guān)于世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的第i個(gè)球的4x1列向量坐標(biāo), Pi是關(guān)于工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)第i個(gè)球的4x1坐標(biāo)的列向量, T是從世界坐標(biāo)結(jié)構(gòu)到工具坐標(biāo)結(jié)構(gòu)變化的4x4矩陣。
設(shè)定Pi，測(cè)量出，然后算出T，使用于在標(biāo)定過程的位姿的測(cè)量。它是不會(huì)很簡單，但是不可能由等式(11)反求出T。上面的過程由四個(gè)球A, B, C和D來實(shí)現(xiàn)，如下：
或?yàn)?
由于P`, T和P全部相符合，反解求的位姿矩陣
在實(shí)踐中當(dāng)PUMA機(jī)器人放置在確定的位置上，對(duì)于CMM由四個(gè)球決定Pi是困難的。準(zhǔn)確的測(cè)量三個(gè)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(biāo)的是基于球表面點(diǎn)的測(cè)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(gè)球表面點(diǎn)的坐標(biāo)且是球的半徑。在測(cè)試過程中，發(fā)現(xiàn)只測(cè)量四個(gè)表面上的點(diǎn)來確定中心點(diǎn)是非常有效的。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
Full-Pose Calibration of a Robot Manipulator Using a Coordinate-
Measuring Machine
The work reported in this article addresses the kinematic
calibration of a robot manipulator using a coordinate measuring
machine (CMM) which is able to obtain the full pose of
the end-effector. A kinematic model is developed for the
manipulator, its relationship to the world coordinate frame and
the tool. The derivation of the tool pose from experimental
measurements is discussed, as is the identification methodology.
A complete simulation of the experiment is performed, allowing
the observation strategy to be defined. The experimental work
is described together with the parameter identification and
accuracy verification. The principal conclusion is that the
method is able to calibrate the robot successfully, with a
resulting accuracy approaching that of its repeatability.
Keywords: Robot calibration; Coordinate measurement; Parameter
identification; Simulation study; Accuracy enhancement
1. Introduction
It is well known that robot manipulators typically have
reasonable repeatability (0.3 ram), yet exhibit poor accuracy
(10.0 mm). The process by which robots may be calibrated
in order to achieve accuracies approaching that of the
manipulator is also well understood . In the calibration
process, several sequential steps enable the precise kinematic
parameters of the manipulator to be identified, leading to
improved accuracy. These steps may be described as follows:
1. A kinematic model of the manipulator and the calibration
process itself is developed and is usually accomplished with
standard kinematic modelling tools. The resulting model
is used to define an error quantity based on a nominal
(manufacturer's) kinematic parameter set, and an unknown,
actual parameter set which is to be identified.
2. Experimental measurements of the robot pose (partial or
complete) are taken in order to obtain data relating to the
actual parameter set for the robot.
3.The actual kinematic parameters are identified by systematically
changing the nominal parameter set so as to reduce
the error quantity defined in the modelling phase. One
approach to achieving this identification is determining
the analytical differential relationship between the pose
variables P and the kinematic parameters K in the form
of a Jacobian,
and then inverting the equation to calculate the deviation of
the kinematic parameters from their nominal values
Alternatively, the problem can be viewed as a multidimensional
optimisation task, in which the kinematic parameter
set is changed in order to reduce some defined error function
to zero. This is a standard optimisation problem and may
be solved using well-known methods.
4. The final step involves the incorporation of the identified
kinematic parameters in the controller of the robot arm,
the details of which are rather specific to the hardware of
the system under study.
This paper addresses the issue of gathering the experimental
data used in the calibration process. Several methods are
available to perform this task, although they vary in complexity,
cost and the time taken to acquire the data. Examples of
such techniques include the use of visual and automatic
theodolites, servocontrolled laser interferometers ,
acoustic sensors and vidual sensors . An ideal measuring
system would acquire the full pose of the manipulator (position
and orientation), because this would incorporate the maximum
information for each position of the arm. All of the methods
mentioned above use only the partial pose, requiring more
data to be taken for the calibration process to proceed.
2. Theory
In the method described in this paper, for each position in
which the manipulator is placed, the full pose is measured,
although several intermediate measurements have to be taken
in order to arrive at the pose. The device used for the pose
measurement is a coordinate-measuring machine (CMM),
which is a three-axis, prismatic measuring system with a
quoted accuracy of 0.01 ram. The robot manipulator to be
calibrated, a PUMA 560, is placed close to the CMM, and a
special end-effector is attached to the flange. Fig. 1 shows
the arrangement of the various parts of the system. In this
section the kinematic model will be developed, the pose
estimation algorithms explained, and the parameter identification
methodology outlined.
2.1 Kinematic Parameters
In this section, the basic kinematic structure of the manipulator
will be specified, its relation to a user-defined world coordinate
system discussed, and the end-point toil modelled. From these
models, the kinematic parameters which may be identified
using the proposed technique will be specified, and a method
for determining those parameters described.
The fundamental modelling tool used to describe the spatial
relationship between the various objects and locations in the
manipulator 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. As
shown in Fig. 2, this method places a coordinate frame on
each object or manipulator link of interest, and the kinematics
are defined by the homogeneous transformation required to
change one coordinate frame into the next. This transformation
takes the familiar form
The above equation may be interpreted as a means to
transform frame n-1 into frame n by means of four out of
the five operations indicated. It is known that only four
transformations are needed to locate a coordinate frame with
respect to the previous one. When consecutive axes are not
parallel, the value of/3. is defined to be zero, while for the
case when consecutive axes are parallel, d. is the variable
chosen to be zero.
When coordinate frames are placed in conformance with
the modified Denavit-Hartenberg method, the transformations
given in the above equation will apply to all transforms of
one frame into the next, and these may be written in a
generic matrix form, where the elements of the matrix are
functions of the kinematic parameters. These parameters are
simply the variables of the transformations: the joint angle
0., the common normal offset d., the link length a., the angle
of twist a., and the angle /3.. The matrix form is usually
expressed as follows:
For a serial linkage, such as a robot manipulator, a coordinate
frame is attached to each consecutive link so that both the
instantaneous position together with the invariant geometry
are described by the previous matrix transformation. 'The
transformation from the base link to the nth link will therefore
be given by
Fig. 3 shows the PUMA manipulator with the
Denavit-Hartenberg frames attached to each link, together
with world coordinate frame and a tool frame. The transformation
from the world frame to the base frame of the
manipulator needs to be considered carefully, since there are
potential parameter dependencies if certain types of transforms
are chosen. Consider Fig. 4, which shows the world frame
xw, y,, z,, the frame Xo, Yo, z0 which is defined by a DH
transform from the world frame to the first joint axis of
the manipulator, frame Xb, Yb, Zb, which is the PUMA
manufacturer's defined base frame, and frame xl, Yl, zl which
is the second DH frame of the manipulator. We are interested
in determining the minimum number of parameters required
to move from the world frame to the frame x~, Yl, z~. There
are two transformation paths that will accomplish this goal:
Path 1: A DH transform from x,, y,, z,, to x0, Yo, zo
involving four parameters, followed by another transform
from xo, Yo, z0 to Xb, Yb, Zb which will involve only two
parameters ~b' and d' in the transform
Finally, another DH transform from xb, Yb, Zb to Xt, y~, Z~
which involves four parameters except that A01 and 4~' are
both about the axis zo and cannot therefore be identified
independently, and Adl and d' are both along the axis zo and
also cannot be identified independently. It requires, therefore,
only eight independent kinematic parameters to go from the
world frame to the first frame of the PUMA using this path.
Path 2: As an alternative, a transform may be defined directly
from the world frame to the base frame Xb, Yb, Zb. Since this
is a frame-to-frame transform it requires six parameters, such
as the Euler form:
The following DH transform from xb, Yb, zb tO Xl, Yl, zl
would involve four parameters, but A0~ may be resolved into
4~,, 0b, ~, and Ad~ resolved into Pxb, Pyb, Pzb, reducing the
parameter count to two. It is seen that this path also requires
eight parameters as in path i, but a different set.
Either of the above methods may be used to move from
the world frame to the second frame of the PUMA. In this
work, the second path is chosen. The tool transform is an
Euler transform which requires the specification of six
parameters:
The total number of parameters used in the kinematic model
becomes 30, and their nominal values are defined in Table 1.
2.2 Identification Methodology
The kinematic parameter identification will be performed as
a multidimensional minimisation process, since this avoids the
calculation of the system Jacobian. The process is as follows:
1. Begin with a guess set of kinematic parameters, such as
the 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 for
the same set of joint angles. In general, the measured and
predicted pose will be different.
5. Modify the kinematic parameters in an orderly manner in
order to best fit (in a least-squares sense) the measured
pose to the predicted pose.
The process is applied not to a single set of joint angles but
to a number of joint angles. The total number of joint angle
sets required, which also equals the number of physical
measurement made, must satisfy
Kp is the number of kinematic parameters to be identified
N is the number of measurements (poses) taken
Dr represents the number of degrees of freedom present in
each measurement.
In the system described in this paper, the number of degrees
of freedom is given by
since full pose is measured. In practice, many more measurements
should be taken to offset the effect of noise in the
experimental measurements. The optimisation procedure used
is known as ZXSSO, and is a standard library function in the
IMSL package .
2.3 Pose Measurement
It is apparent from the above that a means to determine the
full pose of the PUMA is required in order to perform the
calibration. This method will now be described in detail. The
end-effector consists of an arrangement of five precisiontooling
balls as shown in Fig. 5. Consider the coordinates of
the 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 written
as:
where Pi' is the 4 x 1 column vector of the coordinates of
the ith ball expressed with respect to the world frame, P~ is
the 4 x 1 column vector of the coordinates of the ith ball
expressed with respect to the tool frame, and T is the 4 ? 4
homogenious transform from the world frame to the tool
frame.
Then may be found, and used as the measured pose in the
calibration process. It is not quite that simple, however, since
it is not possible to invert equation (11) to obtain T. The
above process is performed for the four balls, A, B, C and
D, and the positions ordered as:
or in the form:
Since P', T and P are all now square, the pose matrix may
be obtained by inversion:
In practice it may be difficult for the CMM to access four
bails to determine P~ when the PUMA is placed in certain
configurations. Three balls are actually measured and a fourth
ball is fictitiously located according to the vector cross product:
Regarding the determination of the coordinates of the
centre of a ball based on measured points on its surface,
no analytical procedures are available. Another numerical
optimisation scheme was used for this purpose such that the
penalty function:
was minimised, where (u, v, w) are the coordinates of the
centre of the ball to he determined, (x/, y~, z~) are the
coordinates of the ith point on the surface of the ball and r
is the ball diameter. In the tests performed, it was found
sufficient to measure only four points (i = 4) on the surface
to determine the ball centre.
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