六自由度弧焊機器人運動及位姿控制

張文明，云秀超，李曉旭，姜家高

ZHANG Wen-ming, YUN Xiu-chao, LI Xiao-xu, JIANG Jia-gao

(沈陽大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110044)

0 引言

弧焊機器人技術(shù)代表了機電一體化技術(shù)的最高研究成果，涉及機械工程，電子技術(shù)，計算機技術(shù)，自動控制理論及人工智能等多門學(xué)科，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。機器人的運動學(xué)是機器人進(jìn)行運動控制基礎(chǔ)，著重研究機器人各個坐標(biāo)系之間的運動關(guān)系。為了控制機器人的運動，首先需要在機器人中建立不同坐標(biāo)系。例如，在弧焊機器人中，作為參考的坐標(biāo)系叫基坐標(biāo)系，描述工件擺放位置叫工件坐標(biāo)系。描述末端位置和姿態(tài)的笛卡兒坐標(biāo)系等。

1 坐標(biāo)系

1.1 坐標(biāo)系說明

在說明機器人運動學(xué)前，必須對坐標(biāo)系有所了解，在不同坐標(biāo)系下姿態(tài)描述表達(dá)出的結(jié)果也不同。為了規(guī)范起見，有必要給機器人和工作空間專門命名和確定專門的標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。接下來，介紹的5個坐標(biāo)系的命名以及隨后在機器人的編程和控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。所有機器人的運動都將在這些坐標(biāo)系下進(jìn)行描述。

1.2 坐標(biāo)系命名

1）基坐標(biāo)系{B}基坐標(biāo)系{B}位于操作臂的基座上。

2）工作臺坐標(biāo)系{S}工作臺坐標(biāo)系{S}的位置與任務(wù)相關(guān)。

3）腕部坐標(biāo)系{W}腕部坐標(biāo)系{W}附于操作臂的末端連桿。

4）工具坐標(biāo)系{T}工具坐標(biāo)系{T}附于機器人夾持工具的末端。

5）目標(biāo)坐標(biāo)系{G}目標(biāo)坐標(biāo)系{G}是機器人移動工具時對工具位置的描述。各個坐標(biāo)系關(guān)系由圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系

2 機器人運動學(xué)

2.1 位置的描述

對于直角坐標(biāo)系{A}，空間任一點P的位置可用3×1的列矢量AP表示。其中，Px，Py，Pz，是點P在{A}中的3個坐標(biāo)分量。稱AP為位置矢量。如圖2所示。位置矢量AP的前置上標(biāo)“A”表示位置矢量的參照坐標(biāo)系。

圖2 位置矢量

2.2 姿態(tài)的描述

在基坐標(biāo)系基礎(chǔ)上建立另個坐標(biāo)系，設(shè)為{H}。新的坐標(biāo)系單位矢量為n，o，a，把單位矢量向基坐標(biāo)系做投影，就是取方向余弦。區(qū)分每個方向余弦，會加下標(biāo)作為區(qū)分。記作nx，ny，nz；Ox，Oy，Oz和ax，ay，az。不同方向取的方向余弦不同，用這種方法可以在基坐標(biāo)系下表示姿態(tài)。如圖3所示。

圖3 姿態(tài)表示

通過以上介紹，弧焊機器人的工作軌跡可以有多個點組成，每個點又可以控制位置和姿態(tài)。每個點可以用標(biāo)準(zhǔn)矩陣表示，通過位置點矩陣和姿態(tài)點矩陣進(jìn)行表示，為了在計算時方便我們用4×4矩陣表示，即T。

2.3 齊次坐標(biāo)變換

坐標(biāo)系{B}與坐標(biāo)系{A}各個坐標(biāo)軸平行，但是坐標(biāo)原點位置不同，已知BP，想在A坐標(biāo)系中表示點P，這種變換叫平移坐標(biāo)變換，可由B坐標(biāo)直接加兩個原點的差值即可獲得。

坐標(biāo)系{B}與坐標(biāo)系{A}的原點相同，但是各個軸的方向不同，同樣，點P在{B}坐標(biāo)系中已知BP，想在坐標(biāo)系{A}中表示，稱為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變換。任何復(fù)雜旋轉(zhuǎn)都可由繞X，Y，Z，旋轉(zhuǎn)獲得，為了方便讀者，總結(jié)出簡單矩陣如下，找好旋轉(zhuǎn)順序，依次左乘矩陣即可。

3 在SR_CAM_SOFTWARE（新松機器人軟件）中位姿控制的應(yīng)用

利用橫滾（R），俯仰（P）和偏轉(zhuǎn)（Y）角表示剛體的姿態(tài)，可以認(rèn)為是在笛卡兒坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，先繞Z軸旋轉(zhuǎn)角度，在繞新的Y軸（'Y）旋轉(zhuǎn)角度，在繞新的X軸旋轉(zhuǎn)角度旋轉(zhuǎn)角度和稱為RPY角，以此表示所有姿態(tài)。RPY變換在基坐標(biāo)系中的表示為。

作業(yè)：以一個正方形為例，以45度角焊接一個正方形，如何控制簡單行走，和姿態(tài)控制方法如下：

步驟1：打開軟件，建立一個作業(yè)，填寫名稱，備注，說明等。并選擇與實物匹配的機器人型號。

步驟2：標(biāo)定出用戶坐標(biāo)，工件坐標(biāo)，通過NOAP轉(zhuǎn)換，確定坐標(biāo)系，在軟件中導(dǎo)入掛靠與實體表現(xiàn)一致。

步驟3：點擊“虛擬試教”→“目標(biāo)”→“試教目標(biāo)”創(chuàng)建第一點，右鍵點擊目標(biāo)點，“調(diào)整位姿”填寫坐標(biāo)，確定第一點位置，“記錄當(dāng)前位置”。點擊機器人名稱，用直線JOG進(jìn)行運動，調(diào)整X方向數(shù)值。同樣方法做出4個點。按照作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，做出個符合大小要求的正方形。此過程只是走出大小一致的運動軌跡，沒有對位姿加以調(diào)整，在焊接過程中，位姿的控制與軌跡控制一樣重要。對這個簡單作業(yè)，先介紹一下想法，在每個頂點處在建立個點坐標(biāo)的位置是相同的，就是位置點是相同的，但是這兩個點的位姿是不同的，通過作業(yè)要求改變點的位姿，一共7個點，1和2點控制行走第一條軌跡的位姿，2和3點重合，但是3和4點控制行走第二條軌跡的位姿，依次循環(huán)，即可完成作業(yè)中所有要求。還需說明是在行走過程中的速度通過焊接工藝要求來確定，在同一點的運動速度要快，是為了作業(yè)要求而添加的，如果焊接工藝要求嚴(yán)格，可以在焊接過程中，斷弧，在引弧保證工藝的要求。

對具體操作進(jìn)行簡單說明。為了完成作業(yè)要求我們需要把每個點姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，就是把點的角度進(jìn)行修改。在軟件中，工具坐標(biāo)要與軌跡坐標(biāo)重合，調(diào)整角度，即把每個頂點改成焊接工藝實際角度即可。以第一點為例，如圖4所示，最上面為選擇坐標(biāo)系，有3個選項，為了方便使用選擇Local，是相對于建立好的點進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整為想要的角度。Parent是相對于基坐標(biāo)系改變點的角度與位置，在觀察時通常用第2，3個命令進(jìn)行觀察。第2選項是坐標(biāo)選項就是描述點的位置，此作業(yè)是由上面交代完，不需要調(diào)整，在此處說明，是為后面改點坐標(biāo)時使用。第3選項，需要著重簡述，是調(diào)整角度主要使用部分，也就是控制位姿。調(diào)整時，注意要相對某個坐標(biāo)進(jìn)行改動，不同的參考系，調(diào)整后結(jié)果也是不同的，要對每個坐標(biāo)系有清晰的認(rèn)識。還要對X,Y,Z有清晰了解，在調(diào)整角度時，證據(jù)具體需要進(jìn)行調(diào)整。1和2點的位置坐標(biāo)不同但是角度相同，即為所需要的姿態(tài)，2和3點坐標(biāo)相同，但是姿態(tài)不同，是為了和下一點構(gòu)成要求姿態(tài)的軌跡。后面點以此類推?？赏瓿勺鳂I(yè)。三維顯示窗口顯示為軌跡頂點坐標(biāo)，如圖5所示。

圖4 調(diào)整位姿

圖5 仿真軌跡

步驟4：在軟件中進(jìn)行仿真，檢查是否符合作業(yè)要求。通過觀察機器人的行走軌跡和姿態(tài)來確定作業(yè)是否完成，還要觀察下面提示框是否有錯誤，每個軸自由度是否在工作范圍內(nèi)，是否有突變，是否有奇異點等，具體情況因作業(yè)而定，確定作業(yè)正確。

步驟5：點擊“虛擬控制器”把軟件與機器人實體進(jìn)行連接，完成仿真。

4 結(jié)束語

在老師指導(dǎo)下，經(jīng)過多次試驗，并且對大量文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀，在其他人的研究結(jié)果下，通過與實踐相結(jié)合，文章中對知識進(jìn)行簡單解讀同時展現(xiàn)了實驗仿真結(jié)果。經(jīng)過此論文說明，讀者可對弧焊機器人的使用進(jìn)一步了解，在焊接機器人位姿與運動的相關(guān)問題可以作為知識基礎(chǔ)進(jìn)行參考。最后，謝謝老師細(xì)心指導(dǎo)！

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