汽車(chē)變胞焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制器實(shí)現(xiàn)

胥剛　蘭新武

摘要：變胞機(jī)構(gòu)是基于機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中構(gòu)件數(shù)目的變化和自由度的變化為特征的機(jī)構(gòu)。本例以胞焊接機(jī)器人使用變胞源型綜合模型和李群李代數(shù)旋量理論進(jìn)行案例分析，并通過(guò)模型進(jìn)行控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：變胞機(jī)器人;控制器設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 ?變胞焊接機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)不足，現(xiàn)提出一種汽車(chē)變胞焊接機(jī)器人，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊，剛度好，承載力大，工作空間大，能夠滿(mǎn)足各種焊接作業(yè)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 ?虛擬仿真分析與控制器設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)選擇

本文所研究的焊接機(jī)器人均是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。在建立傳遞函數(shù)模型時(shí)，我們假設(shè)各個(gè)連桿和關(guān)節(jié)均是剛體，并且相鄰兩個(gè)連桿的自由度是單一的，即只有一個(gè)自由度。 操縱焊接機(jī)器人其沿某一軌跡運(yùn)動(dòng)，文中將采用A5A1A21型號(hào)的伺服電機(jī)進(jìn)行計(jì)算。在相鄰的兩個(gè)采樣周期（采樣周期10ms）內(nèi)，聯(lián)立相關(guān)公式可以得到各關(guān)節(jié)機(jī)械臂之間的傳遞函數(shù)：

2.2 控制模型仿真

機(jī)器人控制器的設(shè)計(jì)是基于ADAMS和MATLAB的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)控制來(lái)完成。在控制模型中，把狀態(tài)變量Torque作為輸入變量，把狀態(tài)變量Angle、Velocity和末端坐標(biāo)作為輸出變量。系統(tǒng)有六個(gè)主動(dòng)桿，所以有6個(gè)輸出變量，15個(gè)輸出變量。如圖2（a）、（b）、（c）所示。在MATLAB中編寫(xiě)焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡的M文件，對(duì)機(jī)器人末端進(jìn)行預(yù)定軌跡的設(shè)定，其M文件描述的軌跡預(yù)定軌跡為式（1）。

對(duì)建立的ADAMS和MATLAB/simulink聯(lián)合仿真模型進(jìn)行50s仿真，末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡。（圖3）

從分析中可以得出：利用Adams/Control和MATLAB/simulink對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行一般形式的PID控制器的設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人的聯(lián)合控制，可以得到：焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以通過(guò)預(yù)定的控制進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并且在控制過(guò)程中表示出良好的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能。

3 ?結(jié)論

新型變胞式焊接機(jī)器人的軌跡規(guī)劃是對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的一種肯定。通過(guò)對(duì)焊接機(jī)器人末端設(shè)定預(yù)定的連續(xù)的圓形螺旋線，焊接機(jī)器人的六個(gè)主動(dòng)桿在X、Y、Z三個(gè)方向的位移都呈現(xiàn)較為規(guī)律的變化。焊接機(jī)器人的六個(gè)主動(dòng)桿的角位移曲線隨著設(shè)定的軌跡呈現(xiàn)類(lèi)正余弦的規(guī)律性變化。在局部坐標(biāo)系里，即包含所要呈現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡的坐標(biāo)系里，末端標(biāo)記點(diǎn)都在以設(shè)定的軌跡想一致。同時(shí)三個(gè)具有微調(diào)功能的四桿子鏈在運(yùn)動(dòng)中，四個(gè)連桿組成的三個(gè)微調(diào)四桿機(jī)構(gòu)中，角速度變化曲線跟運(yùn)動(dòng)變化曲線相一致，且微調(diào)連桿的變化不大，實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)功能。通過(guò)算例在進(jìn)行軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)可以得到：此焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)性能方面能實(shí)現(xiàn)預(yù)定軌跡的運(yùn)動(dòng)，并且具有良好的靈活性和運(yùn)動(dòng)性能，并且在局部環(huán)境中，能針對(duì)所要實(shí)現(xiàn)的軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

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基金項(xiàng)目：湖南省教育廳資助科研項(xiàng)目（NO.17C0812）。

作者簡(jiǎn)介：胥剛（1987-），男，湖南株洲人，講師，碩士研究生，研究方向?yàn)槠?chē)職業(yè)教育與雙創(chuàng)教育。