汽车变胞焊接机器人结构设计与控制器实现

胥刚　兰新武

摘要：变胞机构是基于机构运动过程中构件数目的变化和自由度的变化为特征的机构。本例以胞焊接机器人使用变胞源型综合模型和李群李代数旋量理论进行案例分析，并通过模型进行控制器结构设计与实现。

关键词：变胞机器人;控制器设计;结构设计

1  变胞焊接机器人结构设计

为了克服现有技术不足，现提出一种汽车变胞焊接机器人，重量轻，结构紧凑，刚度好，承载力大，工作空间大，能够满足各种焊接作业。其结构如图1所示。

2  虚拟仿真分析与控制器设计

2.1 电机选择

本文所研究的焊接机器人均是旋转关节组成。在建立传递函数模型时，我们假设各个连杆和关节均是刚体，并且相邻两个连杆的自由度是单一的，即只有一个自由度。 操纵焊接机器人其沿某一轨迹运动，文中将采用A5A1A21型号的伺服电机进行计算。在相邻的两个采样周期（采样周期10ms）内，联立相关公式可以得到各关节机械臂之间的传递函数：

2.2 控制模型仿真

机器人控制器的设计是基于ADAMS和MATLAB的联合运动控制来完成。在控制模型中，把状态变量Torque作为输入变量，把状态变量Angle、Velocity和末端坐标作为输出变量。系统有六个主动杆，所以有6个输出变量，15个输出变量。如图2（a）、（b）、（c）所示。在MATLAB中编写焊接机器人运动轨迹的M文件，对机器人末端进行预定轨迹的设定，其M文件描述的轨迹预定轨迹为式（1）。

对建立的ADAMS和MATLAB/simulink联合仿真模型进行50s仿真，末端执行器运动轨迹。（图3）

从分析中可以得出：利用Adams/Control和MATLAB/simulink对焊接机器人进行一般形式的PID控制器的设计。通过对焊接机器人的联合控制，可以得到：焊接机器人机构可以通过预定的控制进行运动，并且在控制过程中表示出良好的运動和动力性能。

3  结论

新型变胞式焊接机器人的轨迹规划是对机器人运动状态的一种肯定。通过对焊接机器人末端设定预定的连续的圆形螺旋线，焊接机器人的六个主动杆在X、Y、Z三个方向的位移都呈现较为规律的变化。焊接机器人的六个主动杆的角位移曲线随着设定的轨迹呈现类正余弦的规律性变化。在局部坐标系里，即包含所要呈现的运动轨迹的坐标系里，末端标记点都在以设定的轨迹想一致。同时三个具有微调功能的四杆子链在运动中，四个连杆组成的三个微调四杆机构中，角速度变化曲线跟运动变化曲线相一致，且微调连杆的变化不大，实现了调节功能。通过算例在进行轨迹运动时可以得到：此焊接机器人机构在运动性能方面能实现预定轨迹的运动，并且具有良好的灵活性和运动性能，并且在局部环境中，能针对所要实现的轨迹进行运动。

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基金项目：湖南省教育厅资助科研项目（NO.17C0812）。

作者简介：胥刚（1987-），男，湖南株洲人，讲师，硕士研究生，研究方向为汽车职业教育与双创教育。