可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，包括平移行走机构以及可在平移行走机构上按一定轨迹行走的机械手臂，该机械手臂为三臂杆五转轴自由度机构。大范围的平移机构可以满足焊接大尺度工件的需要；而三臂杆五自由度机构手臂可以进一步解耦成“两臂杆的三角运动”模型以及“一臂杆球状运动”模型的叠加，从而可以简化运动学求逆的方法，可以避免多解性，提高了计算速度，消灭了焊接机器人焊枪运动姿态盲点，可以使焊接机器人在完全开发的情况进行工作。
【专利说明】可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及一种焊接机器人，尤指一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人。
【背景技术】
[0002]焊接机器人技术是集机械与装备技术、电子与通讯技术、计算机科学、控制工程、传感器技术、人工智能、仿生学等学科为一体的综合技术，代表国家的综合科技实力。每一台焊接机器人，都是一个知识密集和技术密集的高科技机电一体化产尖端品。
[0003]汽车、造船、工程机械以及五金加工等行业是焊接机器人应用较为集中的市场，其它行业也有迅速扩散的趋势。
[0004]早期研制的机器人大多采用遥控式，移动平台和机械手臂都是由操作员来进行操作和控制的，上世纪80年代后期，由于新的控制方法、控制结构和控制思想的出现，研究人员开始研究具有一定自主能力的移动机器人，它可在操作人员的监视下自主运动，能进行有限的导航功能。到了 90年代，一些机器人逐渐向自主移动型发展，即依靠自身的智能自主导航，独立完成各种轨迹规划任务。但都不具备象人一样，在完全开放的环境下，观察环境状况、观测目标位置坐标，分析判断、智能自主完成任务的功能。究其原因:主要是以前的焊接机器人，不能实时反馈现场的变化，只能沿着规划的固定轨迹移动，按照预先给定的金属填充量进行焊接作业，而绝大部分的加工企业都不能保证工件尺寸、卡具是精准的。
[0005]因此在开放环境下，依据被焊接工件的现场位置、尺寸、立体形状的施焊目标，成为焊接机器人必须解决的问题。而解决这个问题的关键技术在于:①在开放环境下，能够观测到被焊接工件焊缝的实时空间位置，现在每个单一传感器都不能完全胜任这项工作，必须采用多传感器数据融合技术完成，此方面另行论述。②焊接机器人在开放工况下，能够到达工件焊缝的实时空间位置，也就是说:焊接机器人在焊缝三维(X，Y，Z)内处处可控，且速度要快。
[0006]目前国内外市场均沿用六自由度焊接机器人结构，该种机器人的致命缺点是运动学的逆问题必需通过求逆运动学齐次矩阵获得，运算速度慢、且多解，特别是当齐次转移矩阵奇异时，运动学的逆问题无解，也就是说，六自由度焊接机器人结构，在开放环境下使用，是存在盲点的，且在盲点附近运动学的逆问题求解精度也会大为降低。因此目前市场上的三臂杆六自由度焊接机器人只能采用机器人示教盒模式工作，示教是指由人工导引机器人末端执行器(如焊枪等)，来使机器人完成预期的动作，获得示教程序，机器人再现示教程序，按照之前示教的轨迹运动。所以，以示教模式工作的机器人，只能在预定的轨迹内运动，而不能在开放环境下工作。所以焊接机器人在中厚板焊接过程中，由于强弧光、高温、烟尘以及工件误差、装夹精度、表面状态和工件热变形等因素的影响下，经常出现焊偏及误动作等现象。这也是目前三臂杆六自由度焊接机器人不能广泛应用于工业的瓶颈所在。
[0007]本案发明人通过长期观察焊接机器人的工作模式，焊接机器人在轨迹规划时，焊枪总是要求垂直对准焊接表面，并且焊接过程要求不抖动，通常焊枪只是沿着焊缝一个方向大范围移动，在焊缝上、下、左、右、拉、伸方向移动较小。因此本发明人想到，能否将机器人的各自由度进行分解，简化运算程序，这样即可解决现有运动学求逆方法带来的多解或无解问题，本案由此而产生。
实用新型内容
[0008]本实用新型所要解决的是现有焊接机器人运动学求逆方法带来的多解或无解的技术问题，从而提供一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人。
[0009]为解决上述技术问题，本实用新型的技术解决方案是:
[0010]一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，包括平移行走机构以及可在平移行走机构上按一定轨迹行走的机械手臂，该机械手臂为三臂杆五转轴自由度机构。
[0011]所述机械手臂包括基座以及五个旋转装置，其中第一旋转装置直接安装在所述基座上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置为转动自由度、第二、三旋转装置为俯仰自由度、第四旋转装置为转动自由度、第五旋转装置为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆，第三、五自由度之间构成第二臂杆，第五自由度到末端构成第三臂杆，从而构成三臂杆五转轴自由度机构。
[0012]所述的五个旋转装置的具体结构均相同，其包括伺服电机、电机自带的增量编码器、用于固定电机的固定板、与电机输出轴联接的转接轴以及安装在该转接轴末端的绝对编码器，该绝对编码器通过L形安装板进行固定，而该L形安装板则固定在所述固定板上，所述的转接轴上还安装有活动板；各旋转装置通过共用固定板或者活动板、或者相邻装置的固定板与活动板连接，以实现各连接装置的连接。
[0013]所述平移行走机构的行走轨迹与焊缝的轨迹保持平行。
[0014]所述的平移行走机构包括底座、安装在底座上的导轨组件、可以在导轨组件上移动的底板，分别安装在底座上及底板上的相互啮合的齿条及齿轮以及可带动齿轮旋转的电机。
[0015]所述的平移行走机构还包括用以限定底板平移量的限位装置。
[0016]采用上述方案后，由于本实用新型将焊接机器人原有的三臂杆六自由度结构解耦成一个可大范围平移的行走机构及一个三臂杆五自由度机械手臂，这样做的目的是可使三臂杆五自由度机构手臂进一步解耦成为可能，即可以把“三臂杆五自由度机械手臂”解耦成两臂杆的三角运动和一臂杆球状运动的模型叠加。其中一臂杆球状运动可以使得焊枪尽量保持一个姿态，垂直对准焊接表面；而两臂杆的三角运动可以采用几何计算，简化了运动学求逆的方法，求解运动学的逆问题时，避免多解性，提高了计算速度，消灭了焊接机器人焊枪运动姿态盲点。而焊接机器人大范围平移机构，可以满足焊接大尺度工件的需要。从而根本上解决了焊接机器人在焊缝三维(X，Y，Z)空间内处处可控的问题，可以使焊接机器人在完全开发的情况进行工作，且实时速度大大加快。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1是本实用新型的立体结构示意图；
[0018]图2是本实用新型的主视图；[0019]图3是本实用新型的俯视图；
[0020]图4是本实用新型的左视图；
[0021]图5是本实用新型所述平移行走机构的主视图；
[0022]图6是本实用新型所述平移行走机构的俯视图；
[0023]图7是本实用新型所述平移行走机构的左视图；
[0024]图8是本实用新型所述机械手臂的主视图；
[0025]图9是本实用新型所述机械手臂的俯视图；
[0026]图10是本实用新型所述机械手臂的左视图；
[0027]图1OA是图10的局部放大图；
[0028]图11是本实用新型所述机构示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详述。
[0030]本实用新型所揭示的是一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，如图1至图11所示，为本实用新型的较佳实施例。所述的焊接机器人包括平移行走机构I以及可在平移行走机构I上按一定轨迹行走的机械手臂2，该机械手臂2为三臂杆五转轴自由度机构。其中:
[0031]所述的平移行走机构I是一个可以在单一方向大范围平移的机构，其可以采用多种结构形式，例如电机带动滚珠丝杠的结构。本实施例中，该平移行走机构I主要包括底座
11、安装在底座11上的导轨组件12、可以在导轨组件12上移动的底板13，分别安装在底座11上及底板13上的相互啮合的齿条14及齿轮15以及可带动齿轮15旋转的电机17。其还可以进一步包括用以限定底板13平移量的限位装置18。进一步的，所述平移行走机构的行走轨迹可以与焊缝的轨迹保持平行。
[0032]所述机械手臂2的具体结构可以为:其包括固定在所述底板13上的基座21以及五个旋转装置，其中第一旋转装置22直接安装在所述基座21上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置22为转动自由度、第二、三旋转装置23、24为俯仰自由度、第四旋转装置25为转动自由度、第五旋转装置26为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆L1，第三、五自由度之间构成第二臂杆L2,第五自由度到末端构成第三臂杆L3,从而构成三臂杆五轴自由度机构。
[0033]所述的五个旋转装置的具体结构可以都相同，以下以第二旋转装置23为例进行说明，如图1OA所示，所述的第二旋转装置23包括伺服电机231、电机自带的增量编码器232、用于固定电机的固定板233、与电机输出轴联接的转接轴234以及安装在该转接轴末端的绝对编码器235，该绝对编码器235通过L形安装板236进行固定，而该L形安装板236则固定在所述固定板233上，所述的转接轴234上还安装有活动板237。各旋转装置通过共用固定板或者活动板、或者相邻装置的固定板与活动板连接，实现各自由度的连接。这种内置增量编码器与外置绝对编码器的双编码器设计方式，可以实现真正的电流环、速度环与位置环的三闭环控制，定位更为精准，可以有效克服电机传动机构间隙的干扰。
[0034]以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型的技术范围作任何限制，故但凡依本实用新型的权利要求和说明书所做的变化或修饰，皆应属于本实用新型专利涵盖的范围之内。
【权利要求】
1.一种可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:包括平移行走机构以及可在平移行走机构上按一定轨迹行走的机械手臂，该机械手臂为三臂杆五转轴自由度机构。
2.根据权利要求1所述的可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:所述机械手臂包括基座以及五个旋转装置，其中第一旋转装置直接安装在所述基座上，而五个旋转装置从基座到末端依次为第一旋转装置为转动自由度、第二、三旋转装置为俯仰自由度、第四旋转装置为转动自由度、第五旋转装置为俯仰自由度，这样第二、三自由度之间构成第一臂杆，第三、五自由度之间构成第二臂杆，第五自由度到末端构成第三臂杆，从而构成三臂杆五转轴自由度机构。
3.根据权利要求2所述的可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:所述的五个旋转装置的具体结构均相同，其包括伺服电机、电机自带的增量编码器、用于固定电机的固定板、与电机输出轴联接的转接轴以及安装在该转接轴末端的绝对编码器，该绝对编码器通过L形安装板进行固定，而该L形安装板则固定在所述固定板上，所述的转接轴上还安装有活动板；各旋转装置通过共用固定板或者活动板、或者相邻装置的固定板与活动板连接，以实现各连接装置的连接。
4.根据权利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:所述平移行走机构的行走轨迹与焊缝的轨迹保持平行。
5.根据权利要求1-3之一所述的可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:所述的平移行走机构包括底座、安装在底座上的导轨组件、可以在导轨组件上移动的底板，分别安装在底座上及底板上的相互啮合的齿条及齿轮以及可带动齿轮旋转的电机。
6.根据权利要求5所述的可模型解耦的三臂杆五自由度加大范围平移焊接机器人，其特征在于:所述的平移行走机构还包括用以限定底板平移量的限位装置。
【文档编号】B23K37/02GK203649702SQ201320852753
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】富巍, 周承仙, 陈彦 申请人:厦门理工学院