可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂桿五轉軸自由度機構。大范圍的平移機構可以滿足焊接大尺度工件的需要；而三臂桿五自由度機構手臂可以進一步解耦成“兩臂桿的三角運動”模型以及“一臂桿球狀運動”模型的疊加，從而可以簡化運動學求逆的方法，可以避免多解性，提高了計算速度，消滅了焊接機器人焊槍運動姿態盲點，可以使焊接機器人在完全開發的情況進行工作。
【專利說明】可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人
【技術領域】
[0001 ] 本實用新型涉及一種焊接機器人，尤指一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人。
【背景技術】
[0002]焊接機器人技術是集機械與裝備技術、電子與通訊技術、計算機科學、控制工程、傳感器技術、人工智能、仿生學等學科為一體的綜合技術，代表國家的綜合科技實力。每一臺焊接機器人，都是一個知識密集和技術密集的高科技機電一體化產尖端品。
[0003]汽車、造船、工程機械以及五金加工等行業是焊接機器人應用較為集中的市場，其它行業也有迅速擴散的趨勢。
[0004]早期研制的機器人大多采用遙控式，移動平臺和機械手臂都是由操作員來進行操作和控制的，上世紀80年代后期，由于新的控制方法、控制結構和控制思想的出現，研究人員開始研究具有一定自主能力的移動機器人，它可在操作人員的監視下自主運動，能進行有限的導航功能。到了 90年代，一些機器人逐漸向自主移動型發展，即依靠自身的智能自主導航，獨立完成各種軌跡規劃任務。但都不具備象人一樣，在完全開放的環境下，觀察環境狀況、觀測目標位置坐標，分析判斷、智能自主完成任務的功能。究其原因:主要是以前的焊接機器人，不能實時反饋現場的變化，只能沿著規劃的固定軌跡移動，按照預先給定的金屬填充量進行焊接作業，而絕大部分的加工企業都不能保證工件尺寸、卡具是精準的。
[0005]因此在開放環境下，依據被焊接工件的現場位置、尺寸、立體形狀的施焊目標，成為焊接機器人必須解決的問題。而解決這個問題的關鍵技術在于:①在開放環境下，能夠觀測到被焊接工件焊縫的實時空間位置，現在每個單一傳感器都不能完全勝任這項工作，必須采用多傳感器數據融合技術完成，此方面另行論述。②焊接機器人在開放工況下，能夠到達工件焊縫的實時空間位置，也就是說:焊接機器人在焊縫三維(X，Y，Z)內處處可控，且速度要快。
[0006]目前國內外市場均沿用六自由度焊接機器人結構，該種機器人的致命缺點是運動學的逆問題必需通過求逆運動學齊次矩陣獲得，運算速度慢、且多解，特別是當齊次轉移矩陣奇異時，運動學的逆問題無解，也就是說，六自由度焊接機器人結構，在開放環境下使用，是存在盲點的，且在盲點附近運動學的逆問題求解精度也會大為降低。因此目前市場上的三臂桿六自由度焊接機器人只能采用機器人示教盒模式工作，示教是指由人工導引機器人末端執行器(如焊槍等)，來使機器人完成預期的動作，獲得示教程序，機器人再現示教程序，按照之前示教的軌跡運動。所以，以示教模式工作的機器人，只能在預定的軌跡內運動，而不能在開放環境下工作。所以焊接機器人在中厚板焊接過程中，由于強弧光、高溫、煙塵以及工件誤差、裝夾精度、表面狀態和工件熱變形等因素的影響下，經常出現焊偏及誤動作等現象。這也是目前三臂桿六自由度焊接機器人不能廣泛應用于工業的瓶頸所在。
[0007]本案發明人通過長期觀察焊接機器人的工作模式，焊接機器人在軌跡規劃時，焊槍總是要求垂直對準焊接表面，并且焊接過程要求不抖動，通常焊槍只是沿著焊縫一個方向大范圍移動，在焊縫上、下、左、右、拉、伸方向移動較小。因此本發明人想到，能否將機器人的各自由度進行分解，簡化運算程序，這樣即可解決現有運動學求逆方法帶來的多解或無解問題，本案由此而產生。
實用新型內容
[0008]本實用新型所要解決的是現有焊接機器人運動學求逆方法帶來的多解或無解的技術問題，從而提供一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人。
[0009]為解決上述技術問題，本實用新型的技術解決方案是:
[0010]一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂桿五轉軸自由度機構。
[0011]所述機械手臂包括基座以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置直接安裝在所述基座上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置為轉動自由度、第二、三旋轉裝置為俯仰自由度、第四旋轉裝置為轉動自由度、第五旋轉裝置為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂桿，第三、五自由度之間構成第二臂桿，第五自由度到末端構成第三臂桿，從而構成三臂桿五轉軸自由度機構。
[0012]所述的五個旋轉裝置的具體結構均相同，其包括伺服電機、電機自帶的增量編碼器、用于固定電機的固定板、與電機輸出軸聯接的轉接軸以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器，該絕對編碼器通過L形安裝板進行固定，而該L形安裝板則固定在所述固定板上，所述的轉接軸上還安裝有活動板；各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，以實現各連接裝置的連接。
[0013]所述平移行走機構的行走軌跡與焊縫的軌跡保持平行。
[0014]所述的平移行走機構包括底座、安裝在底座上的導軌組件、可以在導軌組件上移動的底板，分別安裝在底座上及底板上的相互嚙合的齒條及齒輪以及可帶動齒輪旋轉的電機。
[0015]所述的平移行走機構還包括用以限定底板平移量的限位裝置。
[0016]采用上述方案后，由于本實用新型將焊接機器人原有的三臂桿六自由度結構解耦成一個可大范圍平移的行走機構及一個三臂桿五自由度機械手臂，這樣做的目的是可使三臂桿五自由度機構手臂進一步解耦成為可能，即可以把“三臂桿五自由度機械手臂”解耦成兩臂桿的三角運動和一臂桿球狀運動的模型疊加。其中一臂桿球狀運動可以使得焊槍盡量保持一個姿態，垂直對準焊接表面；而兩臂桿的三角運動可以采用幾何計算，簡化了運動學求逆的方法，求解運動學的逆問題時，避免多解性，提高了計算速度，消滅了焊接機器人焊槍運動姿態盲點。而焊接機器人大范圍平移機構，可以滿足焊接大尺度工件的需要。從而根本上解決了焊接機器人在焊縫三維(X，Y，Z)空間內處處可控的問題，可以使焊接機器人在完全開發的情況進行工作，且實時速度大大加快。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本實用新型的立體結構示意圖；
[0018]圖2是本實用新型的主視圖；[0019]圖3是本實用新型的俯視圖；
[0020]圖4是本實用新型的左視圖；
[0021]圖5是本實用新型所述平移行走機構的主視圖；
[0022]圖6是本實用新型所述平移行走機構的俯視圖；
[0023]圖7是本實用新型所述平移行走機構的左視圖；
[0024]圖8是本實用新型所述機械手臂的主視圖；
[0025]圖9是本實用新型所述機械手臂的俯視圖；
[0026]圖10是本實用新型所述機械手臂的左視圖；
[0027]圖1OA是圖10的局部放大圖；
[0028]圖11是本實用新型所述機構示意圖。
【具體實施方式】
[0029]下面結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳述。
[0030]本實用新型所揭示的是一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，如圖1至圖11所示，為本實用新型的較佳實施例。所述的焊接機器人包括平移行走機構I以及可在平移行走機構I上按一定軌跡行走的機械手臂2，該機械手臂2為三臂桿五轉軸自由度機構。其中:
[0031]所述的平移行走機構I是一個可以在單一方向大范圍平移的機構，其可以采用多種結構形式，例如電機帶動滾珠絲杠的結構。本實施例中，該平移行走機構I主要包括底座
11、安裝在底座11上的導軌組件12、可以在導軌組件12上移動的底板13，分別安裝在底座11上及底板13上的相互嚙合的齒條14及齒輪15以及可帶動齒輪15旋轉的電機17。其還可以進一步包括用以限定底板13平移量的限位裝置18。進一步的，所述平移行走機構的行走軌跡可以與焊縫的軌跡保持平行。
[0032]所述機械手臂2的具體結構可以為:其包括固定在所述底板13上的基座21以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置22直接安裝在所述基座21上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置22為轉動自由度、第二、三旋轉裝置23、24為俯仰自由度、第四旋轉裝置25為轉動自由度、第五旋轉裝置26為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂桿L1，第三、五自由度之間構成第二臂桿L2,第五自由度到末端構成第三臂桿L3,從而構成三臂桿五軸自由度機構。
[0033]所述的五個旋轉裝置的具體結構可以都相同，以下以第二旋轉裝置23為例進行說明，如圖1OA所示，所述的第二旋轉裝置23包括伺服電機231、電機自帶的增量編碼器232、用于固定電機的固定板233、與電機輸出軸聯接的轉接軸234以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器235，該絕對編碼器235通過L形安裝板236進行固定，而該L形安裝板236則固定在所述固定板233上，所述的轉接軸234上還安裝有活動板237。各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，實現各自由度的連接。這種內置增量編碼器與外置絕對編碼器的雙編碼器設計方式，可以實現真正的電流環、速度環與位置環的三閉環控制，定位更為精準，可以有效克服電機傳動機構間隙的干擾。
[0034]以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型的技術范圍作任何限制，故但凡依本實用新型的權利要求和說明書所做的變化或修飾，皆應屬于本實用新型專利涵蓋的范圍之內。
【權利要求】
1.一種可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:包括平移行走機構以及可在平移行走機構上按一定軌跡行走的機械手臂，該機械手臂為三臂桿五轉軸自由度機構。
2.根據權利要求1所述的可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:所述機械手臂包括基座以及五個旋轉裝置，其中第一旋轉裝置直接安裝在所述基座上，而五個旋轉裝置從基座到末端依次為第一旋轉裝置為轉動自由度、第二、三旋轉裝置為俯仰自由度、第四旋轉裝置為轉動自由度、第五旋轉裝置為俯仰自由度，這樣第二、三自由度之間構成第一臂桿，第三、五自由度之間構成第二臂桿，第五自由度到末端構成第三臂桿，從而構成三臂桿五轉軸自由度機構。
3.根據權利要求2所述的可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:所述的五個旋轉裝置的具體結構均相同，其包括伺服電機、電機自帶的增量編碼器、用于固定電機的固定板、與電機輸出軸聯接的轉接軸以及安裝在該轉接軸末端的絕對編碼器，該絕對編碼器通過L形安裝板進行固定，而該L形安裝板則固定在所述固定板上，所述的轉接軸上還安裝有活動板；各旋轉裝置通過共用固定板或者活動板、或者相鄰裝置的固定板與活動板連接，以實現各連接裝置的連接。
4.根據權利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:所述平移行走機構的行走軌跡與焊縫的軌跡保持平行。
5.根據權利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:所述的平移行走機構包括底座、安裝在底座上的導軌組件、可以在導軌組件上移動的底板，分別安裝在底座上及底板上的相互嚙合的齒條及齒輪以及可帶動齒輪旋轉的電機。
6.根據權利要求5所述的可模型解耦的三臂桿五自由度加大范圍平移焊接機器人，其特征在于:所述的平移行走機構還包括用以限定底板平移量的限位裝置。
【文檔編號】B23K37/02GK203649702SQ201320852753
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月23日 優先權日:2013年12月23日
【發明者】富巍, 周承仙, 陳彥 申請人:廈門理工學院