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轮足组合爬壁焊接机器人运动控制系统的研究

作　者: 吴珂科
导　师: 赵言正
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 爬壁焊接机器人五自由度机械手控制系统运动学仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

焊接作为工业中的“裁缝”,是工业生产中非常重要的加工手段。越来越多的焊接机器人广泛的投入使用,使焊接的效率和精度得到了很大的提高。为了解决大型装备在装配和维护过程中所涉及的非结构环境的焊接问题,本文研究了在大范围复杂作业面具有爬壁与越障等运动能力,并能完成角焊缝等复杂结构焊接作业任务的焊接机器人。轮足组合爬壁焊接机器人既有轮式机器人快速灵活的特点,又有腿足式机器人越障性能好的优点,能够满足在非结构环境越障和全位置运动的要求。本文对轮足组合爬壁焊接机器人进行了系统地研究,主要工作包括以下几个方面:首先,分析了爬壁焊接机器人的研究现状,并根据课题要求,提出了总体设计方案。其次,介绍了本爬壁焊接机器人的机构组成,并对其中的五自由度机械手、升降机构、车轮机构和吸附机构等重要部分进行了详细介绍。并通过仿真证明了该方案的可行性。然后,对机器人进行了分析与仿真。通过对五自由度机械手建模及仿真,验证了方案的正确性。又对六轮驱动平台差动转向的运动学建模,在有干扰环境中仿真,证明了机器人的可转向性。最后,搭建了基于CAN总线的控制系统。并编写了相应的控制程序,以及本爬壁焊接机器人专用的人机界面。进行相关实验,取得了理想的机器人运动和焊接的效果。对本爬壁焊接机器人的仿真和实验结果证明本焊接人满足预期的设计要求,初步具备较好的完成非结构环境焊接任务的能力。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第一章绪论  12-24
  1.1 课题来源  12
  1.2 引言  12-13
  1.3 焊接机器人研究现状  13-16
  1.4 国内外研究现状  16-21
    1.4.1 焊接机器人研究现状  16-19
    1.4.2 爬壁机器人研究现状  19-21
  1.5 课题要求与研究内容  21-23
    1.5.1 本课题研究内容  21-22
    1.5.2 本文的主要研究内容  22-23
  1.6 本章小结  23-24
第二章轮足组合爬壁焊接机器人的机构设计  24-36
  2.1 焊接机器人的工作要求  24-25
  2.2 机器人概念结构设计  25-26
  2.3 机器人机构设计  26-34
    2.3.1 机械手设计方案  27-30
      2.3.1.1 机械手所需自由度分析  27-28
      2.3.1.2 机械手的结构设计  28-29
      2.3.1.3 机械手电机、减速器选型  29-30
    2.3.2 轮组的机构设计  30-31
    2.3.3 抬升装置机构设计  31-32
    2.3.4 吸附装置的设计  32-34
  2.4 本章小结  34-36
第三章轮足组合爬壁焊接机器人运动学建模  36-55
  3.1 五自由度机械手运动学建模  36-49
    3.1.1 机械手运动学的D-H 表示法  36-38
    3.1.2 机械手运动学正解  38-40
    3.1.3 机械手运动学逆解  40-43
    3.1.4 机械手雅克比矩阵求解  43-47
    3.1.5 机械手运动学仿真  47-49
  3.2 小车差动转向运动学建模  49-53
    3.2.1 小车四轮驱动转向转速分析  49-51
    3.2.2 小车转向运动仿真  51-53
  3.3 本章小结  53-55
第四章轮足组合爬壁焊接机器人控制系统设计  55-70
  4.1 控制系统的结构  55-56
  4.2 CAN 总线的搭建  56-59
    4.2.1 CAN 总线介绍  56
    4.2.2 CAN 总线的技术特点  56-57
    4.2.3 CAN 总线的设计  57-59
  4.3 机器人电机控制  59-60
  4.4 多传感器网络设计  60-69
    4.4.1 传感器的选择  60-62
    4.4.2 超声波传感器  62-64
      4.4.2.1 超声波传感器原理  62
      4.4.2.2 超声波传感器选择  62-64
    4.4.3 红外传感器  64-66
      4.4.3.1 红外传感器介绍  64
      4.4.3.2 红外传感器选择  64-66
    4.4.4 系统硬件设计  66-69
      4.4.4.1 传感器的安装  66
      4.4.4.2 传感器信息采集  66-69
  4.5 信号传输方式  69
  4.6 本章小结  69-70
第五章轮足组合爬壁焊接机器人软件设计及实验  70-87
  5.1 多传感器网络的程序设计  70-75
    5.1.1 检测障碍物程序设计  70-73
    5.1.2 越过障碍物程序设计  73-75
  5.2 伺服控制器的配置  75-77
  5.3 控制软件界面介绍  77-80
  5.4 机器人运动焊接实验  80-86
    5.4.1 越障实验  80-82
    5.4.2 六轮驱动转向实验  82-84
    5.4.3 机械人焊接实验  84-86
  5.5 本章小结  86-87
第六章总结与展望  87-89
  6.1 全文总结  87-88
  6.2 研究展望  88-89
参考文献  89-92
致谢  92-93
攻读学位期间发表的学术论文  93

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