焊接机器人机构运动学

2 焊接机器人机构运动学分析
机器人运动学分析指的是机器人末端执行部件（手爪）的位移分析、速度分析及加速度分析。根据机器人各个关节变量qi（i=1，2，3，…，n）的值，便可计算出机器人末端的位姿方程，称为机器人的运动学分析（正向运动学）；反之，为了使机器人所握工具相对参考系的位置满足给定的要求，计算相应的关节变量，这一过程称为运动学逆解。从工程应用的角度来看，运动学逆解往往更加重要，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。
在该课题里，很显然这里是已知末端执行器端点（焊枪）的位移，速度及焊枪与焊缝间的夹角关系，来求三个关节的协调运动，即三个关节的运动规律，故为运动学逆解。
2.1 运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换）
2.1.1 齐次坐标
将直角坐标系中坐标轴上的单元格的量值w作为第四个元素，用有四个数所组成的列向量

2.2 变换方程的建立
2.2.1 机构运动原理
如图2.1所示，机器人采用三个运动关节：左右平移的焊接机器人本体1，前后平移的十字滑块和做旋转运动的末端效应器3。通过三个关节之间的协调运动，来保证末端效应器的姿态发生变化时，焊接速度保持不变，焊枪与焊缝间的夹角保持垂直关系，来做到直线段与波内斜边段焊缝成形的一致。

图2.1 三自由度焊接机器人运动简图（俯视图）
2.5 本章小结
由逆解过程可以看出三自由度焊接机器人三个运动关节按照一定的运动规律协调动作，即可以保证焊枪以一定的位姿与焊接速率进行焊接，将较好的解决波纹直线焊缝与波内斜边焊缝成形不能保持一致的难题。各段关节的运动规律如下：
AB段（过渡段1）
(1) 直线段
该小阶段旋转关节逆时针旋转，并保证焊接速度v相对于焊缝为恒定。
(2) 圆弧段
该小阶段旋转关节不旋转，
(3) 斜线段
该直线段旋转关节又逆时针旋转角度。
BC段（波内斜边段1）
这一阶段旋转关节3不转动，。
CD段（过渡段2）
这一阶段里的处理思想方法与过渡段1是一样的。
其中，C→C斜线段旋转关节顺时针旋转角度，C→D圆弧段旋转关节不旋转，D →D直线段旋转关节又顺时针旋转角度。
DE段（直线段1）
这一阶段旋转关节3不转动，。
EF段（过渡段3）
这一阶段里的处理思想方法与过渡段1是一样的。
其中，E→E斜线段旋转关节顺时针旋转角度，E→F圆弧段旋转关节不旋转，F →F直线段旋转关节又顺时针旋转角度。
FG段（波内斜边段2）
该阶段：；并满足焊接速度相对焊缝恒定，焊枪与焊缝保持垂直关系。
GH段（过渡段4）
这一阶段里的处理思想方法与过渡段1是一样的。
这里分三个小运动阶段，其中，G→G斜线段旋转关节逆时针旋转角度，G→H圆弧段旋转关节不旋转，H →H直线段旋转关节又逆时针旋转角度。
HI段（直线段2）
该阶段运动：；并满足焊接速度相对于焊缝保持恒定，焊枪与焊缝的夹角保持垂直关系。
同时，所求焊接过渡段中的过渡运动能较好的衔接直线段与波内斜边段的运动。

3 结构设计
3.1 小车行走结构设计
这里主要是做了三方面的工作：对小车行走机构的结构方案的比较与选择；对电机功率的估计并选择出小车的驱动电机；对根据结构设计的齿轮、齿条传动的接触疲劳强度、弯曲疲劳强度校核。
3.1.1 车体结构方案的比较与选择
根据一些移动机器人本体设计的研究文献及直动关节的知识可获得两个车体结构方案。这两个方案的示意图如图所示：
方案1：其中传动顺序为：电机齿轮箱车轮轴上齿轮（通过车轮轴）驱动轮。这也是在移动机器人本体结构设计上较为常用的一种车体结构方案，布置比较对称合理。
方案2：其中传动顺序为：电机圆柱齿轮固定齿条（通过反推动）车体结构。这里的设计有借鉴将旋转运动转化为直线运动里有齿轮、齿条这么一种传动方式，结构比较简单，设计比较容易。
方案间的比较：
表1 两车体机构方案的比较