具有3P3R串行机械手的移动式焊接机器人的优化设计和工作区分析外文翻译资料

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具有3P3R串行机械手的移动式焊接机器人的优化设计和工作区分析

摘 要

本文基于对工作空间的分析，提出了焊接机器人的设计优化方案。已经开发出一种焊接机器人以用于船舶的双壳结构中，并且显示出良好的焊接功能。但是需要优化运动学变量以确保满足船只所需的焊接功能。定义了面向任务的工作空间，即允许特定旋转的工作空间以验证机器人的焊接能力并结合所需的旋转能力。为了计算工作空间，采用了一种同时考虑俯仰和偏航角的几何方法。基于工作空间分析编制一个方案以考虑质量减少以及设计参数与工作空间之间的比率，并限制工作空间的边界。所提出的优化过程包括粗略搜索和精细搜索两个步骤。在粗略搜索步骤中，定义了一个满足几何设计约束的可行参数区域（FPR），无需考虑目标函数即可获得该参数区域。在精细搜索步骤中，通过在整个FPR中使用共轭梯度法的优化技术来确定设计参数。建议的计算面向任务的工作空间的方法以及最佳设计的过程有望应用于一般工业机器人。

1. 介绍

1.1. 造船业的焊接机器人

在过去的几十年中，在造船过程中进行了大量的自动化焊接尝试。我们想介绍焊接机器人系统中的最新技术。表1-A显示了智能移动焊车。这些小车由两个（表1-A（a），[1]）或三个（表1-A（b），[2]）棱柱形（P）和两个旋转（R）接头组成。他们使用差速器驱动轮在横向方向上定位。因此，如果不存在用于高定位精度的某种鲁棒算法，则差动驱动由于滑移而不能保证重复多道次焊接中的直线度。

如果是开放式机架，则可以使用高架龙门将多轴铰接式机器人放置在开放式机架中起重机。表1-B所示的DANDY [3]已开发并成功用于韩国大宇造船与海洋工程有限公司的造船厂。在机器人完成单个焊接任务后，使用安装在船厂天花板上的高架龙门起重机将机器人移至下一个焊接位置。如图1所示，由于高架起重机无法接近封闭式块的内部，因此机器人的适用区域仅限于开放式块。此外，控制器位于开放块的外部，因此需要从外部来的许多电缆。这在处理封闭结构中的几根电缆时会带来困难。如[7,8]中所述，还有更多当前可用系统的示例，这些系统是多轴机器人系统与桥式起重机的组合。在这一点上，我们想强调嵌入式控制器在造船环境中的重要性。在焊接过程中，使用电流在基材和可消耗电极棒之间产生电弧。在那一刻，众所周知，随着零件的焊接，承载电流的电子会随机运动，这会影响连接机器人和控制器的信号电缆。此外，在同一块中同时焊接有多个机器人。因此，可以认为模块化控制器有助防止各种噪声对整个系统造成负面影响。基于到目前为止已阐明的这些事实，已经设计了便携式焊接机器人的集成系统，该系统具有模块化控制器和辅助运输装置，作为在封闭结构内部工作的移动机器人的最终替代方案。

表1-C（a）显示了由日本的Hitachi Zosen船厂开发的数控（NC）喷涂机器人[4]。使用可扩展的放置器将6轴喷漆机器人和自动驾驶车一起放置在封闭的模块中。但是，此机器人系统需要一个大的检修孔，尺寸为800*1600 mm2。由于进入孔的大小与船舶设计安全规定有关，因此任何扩大都需要获得船东的许可，几乎是不可能实现的。这种机器人喷漆系统的另一个严重问题是它不能在封闭的砖块内沿横向自由移动。西班牙工业自动化研究所（IAI）开发了一种称为ROWER 1的机器人系统，该系统可用于封闭式区域[5]；机器人像蜘蛛一样运动，并具有四根可伸展和收缩的腿。它可以自动移动，因此可以克服在封闭式模块中遇到的许多焊接障碍，但是必须先将其拆解为七个模块，然后才能将其放置在封闭式模块中，然后就地重新组装。重新组装大约需要15分钟，这足以严重影响系统的生产率[9]。

SNU [6]的RRX平台克服了以前机器人的所有缺点，最近已经建立，并且其焊接和移动功能的性能已经通过一年的现场测试得到了验证。但是，值得注意的是即使满足尺寸限制，该系统仍难以操作以放入500*700 mm2检修孔或从中取出。主要原因是它的规模相对于人工规模而言相对较大。

A：智能焊接车 B：铰接式焊接机械手 （a）四轴支架【1】 （b）5轴支架【2】 6轴机械手DANDY 【3】 C：自动行走焊接机器人（a）数控喷漆工具【4】（b）西班牙IAL的ROWER 1【5】（c）韩国SNU的RRX【6】

1.2.机械手优化

运动学设计在机器人操纵器设计中占有重要地位，因为系统在工作空间、速度和精度方面的性能受其几何特征支配。主要通过优化非线性代价函数来确定操纵器的几何参数的尺寸，该非线性代价函数受到一组适当约束的约束。作为判断机械手质量的标准，人们对机械手的运动学特性（例如工作空间特征，调节指数和灵巧性标准）的兴趣日益浓厚。

1.2.1.工作空间

已经有很多研究来优化机械手的工作空间[10,11]。Kumar和Waldron [12]提出可到达的灵巧工作空间的最佳设计和分析，Kumar等人将其用于几何优化。[13]。可到达的工作空间是指末端执行器的位置组，在其中无需考虑方向即可达到的末端执行器；灵巧的工作空间是末端执行器的位置组，在其中最终执行器可以完全旋转的能力到达。Haug等提出了一个复合工作空间，该工作空间要求所有点集在关节空间中具有指定的工作能力[14,15]，并提出了一种雅可比方法，该方法根据等级不足确定工作空间边界。Pond和Carretero还提出了一种雅可比方法，该方法根据雅可比矩阵的条件数确定工作空间[16]。Bonev和Ryu提出了定向工作空间：一组围绕固定点的末端执行器所有可达到的定向[17]。

1.2.2.调整和灵巧

另一方面，用于评估工作空间的运动质量的性能指标的各种研究也已长期出版。Salibury和Craig [18]使用雅可比矩阵的条件数作为优化标准来评估工作空间质量。吉川[19]提出了雅可比矩阵的行列式作为可操作性（MOM）的量度，而斯托顿和科金尼斯[20]则使用了最小奇异值和条件数。需要特别注意的一点是，工作区的先前概念与任务无关：它们不能保证特定任务的最佳操纵器。因此，直接考虑末端执行器的规定旋转能力的任务特异性在确定特定任务所需的工作空间边界时表现出良好的性能。并且MOM可以用作数学工具来验证与奇异点的距离，而条件数可以用作实际测量工作空间的不良状况[21]和机械手在其上的运动学准确性[22]整个工作区。因此，在本文中就避免在机械手尺寸的缩放下出现奇异性的可能性提出了可操作性措施的需求。

1.3.研究目的

在这项研究中，面向任务的工作空间及其部分工作空间对于有效地获得最佳设计至关重要。由于我们仅需要35°的旋转能力即可完成U形焊接任务，因此可以通过排除末端执行器的无用方向来获得面向任务的工作空间（TOW）。在此，TOW可以被定义为末端执行器的位置组，使得末端执行器可以达到预定的旋转能力。即使我们仅考虑末端执行器空间中的规定方向，工作区搜索仍然是一个耗时的过程。因此，为了减少计算成本，提出了可以被认为是TOW的横截面积的部分工作空间（PW）来计算TOW和U形焊接部件之间的距离，而无须详尽地搜索。在整个面向任务的工作空间中可能的职位候选人。在文献中很少发现对机械手工作空间提出的几何处理的研究。但是，此主题似乎是一个值得研究的主题，应该对优化设计有很大帮助。在机械手上使用建议的几何处理，在工作空间中，我们同时将结构质量和设计效率作为目标函数，以最大程度地减少质量并最大程度地减少设计效率的损失。设计涉及两个步骤：粗略搜索和精细搜索。在粗略搜索步骤中，我们找到了满足预定义约束的可行参数区域（FPR）。在查找搜索步骤中，我们分析FPR中的目标函数以获得最终的最佳参数集。通过分离复杂的约束和目标函数，建议的两步过程简化了最佳设计问题。

最佳设计的另一个重要方面是可操作性度量，如1.2节所述。实际上可操作性仅用于避免在最佳设计过程中出现奇异之处。但是，由于可操作性对于确定焊接工艺的质量非常重要，因此在本文结尾处我们将对可操作性进行独立分析。确定最佳关节值，例如Zacharias等人的方法。[23]，也是一个尚待解决的问题。

2.问题描述

本节介绍了RRX移动焊接机器人以及在工作空间计算中使用的运动学分析。还描述了U形线焊接操作的实验结果以定义所需的旋转。

2.1移动式焊接机器人：RRX

2.1.1RRX系统的描述

图2（a）显示了RRX焊接机器人的组成，该机器人由三个子系统组成，包括移动平台，串行焊接机械手和嵌入式控制器。可移动平台使机器人能够在双壳模块内沿横向和纵向方向运动，并且该运动的详细过程已经在先前的出版物[6]中进行了说明。在移动到U形焊接线的前部之后，可移动平台停止在固定位置，并且操作焊接机械手。焊接机械手由三个棱柱形接头和三个旋转接头组成，以实现6自由度空间运动。组装好的RRX焊接机器人的第四版本，即RRX4如图2（b）它具有一些优点与以前的嵌入式控制器型号相比，减少了噪音水平及其更好的密封特性，可以用于危险环境。但是，最佳设计运动学参数仍然是成功的剩余问题船舶双壳结构内部的焊接性能。

2.1.2.焊接机械手的运动学分析

图3. 6自由度焊接机械手的运动学模型。

图3显示了RRX焊接部分的运动学模型机器人系统，包括一个3P3R机械手，包括一个PPRPRR序列链，其中P和R表示棱柱和旋转关节。棱柱主动关节表示为d1、d2和d4，转动主动关节表示为theta;3、theta;5、theta;6。正运动学问题被定义为定义关节值时确定末端效应器的姿势因此，可以对串联机器人的正向运动学进行计算利用齐次变换矩阵易于求解（HTM），定义如下[24]：

（1）

和代表方向和位置，第（i minus; 1）帧。可以通过将HTM从基础帧（零帧）到末端执行器的帧（第七帧）依次相乘，来计算RRX末端执行器的姿态。（2）。表2中显 示了所得矩阵的组成，其中ci，si，calpha;和salpha;分别表示cos（theta;i），sin（theta;i），cos（alpha;）和sin（alpha;） 。有关详细推导，请参见[6]。

（2）

逆运动学问题是在给定末端执行器的姿势时，寻找关节值的问题。一般来说，串联机器人的运动学逆问题是一个非线性联立方程，因此可以采用一些数值方法来计算其解。然而，RRX平台的逆运动学可以通过HTMin公式（2）解析求解，其中关节值通过使用HTM的组件计算，如公式（3）所示。逆运动学分析的结果将用于计算第3节中的工作空间。

（3）

2.2. 焊接U形边界任务的定义

机器人的焊接任务和工作环境如图4所示。RRX在纵向加劲肋上移动，并接近U形焊缝。RRX的移动平台在预定的固定距离处停止其运动，然后焊接机械手开始焊接U形焊缝。焊接管段后，RRX移动到下一条U形线的前部，并恢复焊接。

U形焊接线尺寸因双壳块的类型而异。尺寸范围如图4的右侧所示。从给定尺寸出发，可定义900times;800times;10mm体积焊接所需的平行六面体位置工作空间，即最大（WL）times;最大（HL）times;最大（WT），其中WT为横向腹板地板上焊道宽度。

在沿焊缝焊接过程中，应将向待焊对象提供热量、气体和材料的焊炬在焊点周围连续旋转，使焊接过程中的附着质量更加可靠。由于连续焊接过程中旋转角度不同，因此沿U形焊缝焊接块时，必须测量旋转角。由于滚动运动不影响焊接性能，因此应定义与基座框架相关的俯仰和侧倾运动所需的角度。

一般来说，焊接所需的偏航角和俯仰角是由技术人员的经验决定的，因此很难从观察手工加工操作中确定准确的角度。因此，本研究采用RRX获得所需的偏航角和俯仰角，以便RRX沿U形线成功焊接，并通过从接头角度的正向运动学记录焊枪的旋转角度测量。焊接结果由经验丰富的技术人员密切检查。由于所需的角有较大的裕度，因此，一个合适的解决方案是使用从关节角度测量的正向运动关系编码器。编码器焊接质量也由经验丰富的人员进行检查技术人员

图.5（a）显示焊炬沿U形焊缝的运动，其中框架｛B｝表示基础框架，框架｛T｝表示工具架。焊接过程｛T0｝的初始刀架定义为相对于机架｛B｝旋转（90°、0°、114°），以具有对称偏航俯仰角。焊枪相对于框架｛T0｝的测量偏航俯仰角表示为从原点到YZ平面的长度，如图5（b）所示。在整个焊接过程中，所需的偏航角为35°左右Z{T0}。

为了成功实施焊接工艺，应保证35°的偏航－俯仰旋转能力。因此，本文的目标可以定义为优化运动学参数，以提高设计效率，同时满足35°旋转能力。在优化过程之前，第3节介绍了一种确定面向任务工作空间的新方法。

1. 确定面向任务的工作空间
   1. 考虑组合偏航角的几何方法

本节提出了一种考虑面向对象的新方法，用于计算面向MIIP的Uultor的面向任务的工作空间。通常，机械手的方向由旋转矩阵定义，旋转矩阵由空间方向向量组成，该旋转矩阵通过乘法进行变换。然而，通过使用通常的约定，工具框架｛T｝的表示对于从指定任务确定指定范围的方向集来说并不直观。这是因为，使用旋转矩阵的惯例是通过正常的欧拉角进行三次旋转。

在这种方法中，工具框架｛T｝相对于基本框架｛B｝的特定方向范围是通过简单的向量计算生成的。该方法将固定末端效应器位置的方向视为一组计算

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