移動焊接機器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

(云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆明 650203)

移動焊接機器人焊縫跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

李林會李琳

(云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,昆明 650203)

為提高移動焊接機器人的焊縫跟蹤精度，結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制設(shè)計了一種焊縫跟蹤控制系統(tǒng)。介紹了焊接機器人系統(tǒng)組成并建立了相應(yīng)的運動學(xué)模型，重點論述了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及控制器的設(shè)計方法。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識梯度信息，根據(jù)梯度信息在線調(diào)整比例、積分、微分系數(shù)，以提高系統(tǒng)控制性能。仿真結(jié)果表明：采用所述控制方法，能較好地實現(xiàn)復(fù)雜軌跡跟蹤。在焊縫跟蹤過程中，移動焊接機器人運行平穩(wěn)，具有較高跟蹤精度。

焊接機器人焊縫跟蹤RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制

0 序 言

移動焊接機器人通常具備結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強等特性，所以比較適合非結(jié)構(gòu)作業(yè)環(huán)境，在大型球罐焊接、造船等領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛[1-2]。為提高焊縫跟蹤精度、確保焊接質(zhì)量，設(shè)計一種性能優(yōu)良的焊接機器人控制系統(tǒng)具有一定理論和實際意義[3]。然而，現(xiàn)有的控制方法大多以焊接機器人的運動學(xué)模型為基礎(chǔ)，而且其實際工作環(huán)境比較復(fù)雜，受機器人本身特性及外部干擾等因素的影響，無法得到滿意的控制結(jié)果[4-7]。為解決此問題，可以考慮引入智能控制算法。

理想情況下，焊接機器人應(yīng)具有一定的抗干擾能力和魯棒性，以保證焊槍沿焊縫中心線穩(wěn)定運行，同時滿足相應(yīng)的位姿和速度要求[8]。輪式移動焊接機器人是一種典型的非完整約束系統(tǒng)，其約束條件不可積。近幾年，結(jié)合積分Backstepping方法及Lyapunov穩(wěn)定性原理受到諸多學(xué)者的高度重視，該方法可在一定程度上解決非完整約束系統(tǒng)的軌跡跟蹤控制問題[9-10]。但是跟蹤過程的平滑度不夠，盡管有一些相關(guān)改進算法，仍無法解決外界擾動的影響[11]。

在建立移動焊接機器人運動學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，以實現(xiàn)焊縫跟蹤控制。通過仿真驗證所述控制方法能夠有效改善跟蹤效果。

1 焊接機器人

1.1 簡 介

移動焊接機器人焊縫跟蹤系統(tǒng)主要包括移動機器人、工控計算機、送絲機、弧焊電源、旋轉(zhuǎn)電弧傳感器、DA輸出卡和數(shù)據(jù)采集卡等，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作過程可以描述為：通過霍爾傳感器采集焊接電流的變化，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡將其傳送至工控計算機；運算處理后，可獲得當(dāng)前時刻焊槍位置偏差和傾角值；經(jīng)控制器處理后可得到車輪和十字滑塊的控制量，經(jīng)DA轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)相應(yīng)伺服電動機的控制，進而完成焊縫跟蹤。

圖1 焊接機器人

選用輪式移動焊接機器人，其主要由移動小車和十字滑塊構(gòu)成，具備4個自由度，可對折線、彎曲、直線等類型焊縫進行跟蹤。移動小車結(jié)構(gòu)為萬向輪前后對稱布置，驅(qū)動輪位于中間采用差速驅(qū)動，十字滑塊位于驅(qū)動輪軸線上。偏差檢測裝置采用旋轉(zhuǎn)電弧傳感器，可直接作焊槍使用；同時其與十字滑塊連接，所以可在水平和垂直兩個方向上移動。

1.2 運動學(xué)模型

移動機器人運動學(xué)模型如圖2所示。從圖2可以看出：Oxy表示固定坐標(biāo)系；Cx1y1表示移動坐標(biāo)系，選取移動機器人中心作為坐標(biāo)原點。定義機器人中心坐標(biāo)為(xc,yc)T；移動速度大小為vc;其與x軸夾角為θc；角速度大小為wc；目標(biāo)位置為r點，對應(yīng)參考速度大小為(vr,wr)T，其方向與焊縫軌跡切線重合。固定坐標(biāo)系下，焊槍前端位置可表示為(xw,yw,θw)T。

圖2 焊接機器人運動學(xué)模型

利用n維坐標(biāo)矢量q=(q1,q2,…，qn)T來描述機器人系統(tǒng)，如果受到m個約束，那么可表示為：

(1)

當(dāng)運動學(xué)模型為非完整約束時，上式可寫成：

q=J(q)z

(2)

式(2)中J(q)為n×(n-m)矩陣，同時滿足

JT(q)AT(q)=0;z∈Rn-m

(3)

如果移動焊接機器人驅(qū)動輪的運動為純滾動，那么式(1)中A(q)可描述為：

A(q)=(-sinθccosθc0)

(4)

式(2)中速度矢量z可描述為：

z=(vcωc)T

(5)

J(q)可表示為：

(6)

根據(jù)輪式移動焊接機器人中心點可得焊槍前端的運動學(xué)方程：

(7)

對上式求導(dǎo)可得：

(8)

2 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器設(shè)計

結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)PID控制設(shè)計了一種控制方法。與傳統(tǒng)PID相比，該控制方法具有很好的抗干擾性能；與BP網(wǎng)絡(luò)相比，同樣可以解決輸入和輸出之間的非線性映射問題，不過其隱含層和輸出層之間為線性映射，能夠避免局部極小問題而且可以加快學(xué)習(xí)速度。

2.1 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

對于RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其輸入向量可表示為X=[x1,x2,…,xn]T；徑向基向量為h=[h1,h2,…,hm]T，其中hj為高斯函數(shù)：

(9)

式中，bj表示第j個節(jié)點基寬度參數(shù)而且非負；cj表示第j個節(jié)點的中心矢量的變化量。

RBF網(wǎng)絡(luò)辨識輸出可表示為：

qm(k)=w1h1+w2h2+…+wjhj+…+wmhm

(10)

式中，wj表示網(wǎng)絡(luò)權(quán)向量的變化量。

網(wǎng)絡(luò)辨識器性能指標(biāo)函數(shù)可表示為：

(11)

式中，q(k)表示系統(tǒng)實際輸出?；赗BF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)原理如圖3所示。梯度信息可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線辨識獲得，那么PID控制器三個參數(shù)則能夠根據(jù)梯度信息實時調(diào)整，進而適應(yīng)相關(guān)變化，從而提高系統(tǒng)的控制性能。

圖3 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制系統(tǒng)原理

2.2 控制器設(shè)計

定義焊縫跟蹤誤差為e(k)=qd(k)-q(k)，其中qd(k)表示k時刻焊縫位置；q(t)表示k時刻焊槍前端實際位置。

PID控制器的輸入可表示為：

(12)

那么PID控制算法可描述為：

u(k)=Δu(k)+u(k-1)

(13)

Δu(k)=kpX1(k)+kiX2(k)+kdX3(k)

(14)

利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID控制器系數(shù)kp，ki，kd，整定性能指標(biāo)函數(shù)可表示為：

(15)

根據(jù)梯度下降法可得到相關(guān)調(diào)整公式為：

(16)

(17)

3 仿真研究

為驗證所設(shè)計控制算法的有效性，文中進行軌跡跟蹤仿真試驗。設(shè)定跟蹤軌跡為圓形焊縫，其直徑為2 m；移動焊接機器人本體逆時針沿圓弧轉(zhuǎn)動；焊槍期望速度為20 mm/s；本體最大調(diào)整角速度為0.02 rad/s；采樣周期為0.2 s；機器人焊槍初始位姿為(-5 mm,10 mm,2°)。

設(shè)定PID控制器初始參數(shù)如下：kp=1，ki=0，kd=0；網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速率η1，η2，η3均為0.45。仿真結(jié)果如圖4所示，其中圖4a為軌跡跟蹤結(jié)果，圖4b為焊槍線速度。

圖4 仿真結(jié)果

在焊接工作過程中，受工件表面不平、摩擦等因素的影響，驅(qū)動輪半徑會發(fā)生變化。另外，負載變化容易導(dǎo)致系統(tǒng)質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量出現(xiàn)變化。同時焊接誤差信號具有隨機性，所以在仿真過程中將隨機干擾信號加入到對應(yīng)項中。由仿真結(jié)果可以看出：焊槍軌跡跟蹤誤差可以控制在±0.2 mm范圍內(nèi)；焊槍線速度為20±0.02 mm/s，跟蹤效果比較理想。

[][]

綜上所述，采用所述控制方法能較好地實現(xiàn)復(fù)雜軌跡跟蹤，而且跟蹤精度較高。

4 結(jié) 論

(1)移動焊接機器人結(jié)構(gòu)簡單,適應(yīng)性強，比較適合大焊縫、復(fù)雜焊縫。簡述了移動焊接機器人結(jié)構(gòu)及其運動學(xué)模型，結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和PID控制設(shè)計了一種焊縫跟蹤控制器，該控制器具有一定抗干擾性。

(2)仿真結(jié)果表明：機器人運動性能穩(wěn)定且具有較高的跟蹤精度。移動焊接機器人軌跡跟蹤嵌入式控制系統(tǒng)對提高焊接自動化具有一定借鑒意義。

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2017-06-21

TG404

李林會，1964年出生，大學(xué)本科，副教授。主要從事自動控制技術(shù)及機電一體化技術(shù)研究。