基于移动焊接机器人动力学的焊缝轨迹跟踪控制

焊缝跟踪的高精度要求使得跟踪系统动力学问题愈加突出.建立了移动焊接机器人具有非完整力学系统形式的动力学模型,并设计了基于移动焊接机器人动力学和十字滑块协调控制的滑模变结构控制器,考虑了焊接机器人的惯性、电机动力学、工件表面不平度等因素对跟踪精度的影响.理论分析和系统仿真证明了动力学模型和滑模变结构控制算法在焊缝轨迹跟踪中的正确性和有效性.为智能控制方法在移动焊接机器人中离线编程、仿真和动态控制奠定了重要基础.     

热-机械载荷下U形对焊接头的安定性

结合非线性叠加法和通用有限元软件ABAQUS研究了内压和温度载荷下U形对焊接头的安定性,探讨了焊缝几何尺寸及焊接材料对压力管道安定性的影响.结果表明,当焊接材料的弹性模量、线膨胀系数和屈服应力与母材相差很大时,在焊接处产生较大的局部应力,可显著影响结构的安定性,而焊接坡口尺寸对安定域影响很小;建立了一种适于工程安定性评估的简化图解法.     

高压水环境模糊滑模焊缝跟踪

在搭建高压水环境旋转电弧焊接硬件平台的基础上,对高压舱中焊缝信息检测跟踪系统的组成进行了分析,得到系统传递函数和离散状态方程;基于此离散状态方程,分别用模糊和模糊滑模控制器对含噪声的阶跃信号进行了模拟跟踪,表明模糊滑模控制器有很好的抗干扰性能.设计了适宜的模糊滑模控制器,在高压水环境进行了实际焊缝跟踪试验.通过理论分析和试验结果,证明模糊滑模控制器在高压水环境下旋转电弧焊接焊缝跟踪控制中是有效的.     

基于高斯基模糊神经网络的移动焊接机器人焊缝实时跟踪

对所研制的焊接移动机器人建立了运动学模型并设计了基于高斯基模糊神经网络的焊缝跟踪控制器.采用Denavit-Hartenberg(D-H)齐次坐标变换法分析了机器人本体和滑块对焊炬点位姿的运动学行为,建立了较为完整地运动学模型.在此基础上.提出了采用高斯基模糊神经网络实现焊缝实时跟踪的方法.采用高斯函数作为隶属函数,以滑块位置和小车方位角作为输入,焊炬的转向调整角作为输出,利用神经网络的自学习和自适应能力,实现模糊隶属函数和控制规则的在线修改.焊缝跟踪试验验证了所设计控制器的有效性,其跟踪精度可始终控制在±0.5 mm以内,满足实际焊接工程的需要.     

基于模糊切换增益消抖的机械臂滑模控制设计与仿真

针对滑模控制算法本身固有的抖振问题,设计一种新的模糊滑模控制器。利用拉格朗日方法建立双关节机械臂的动力学模型;基于Lyapunov稳定性原理,根据滑模到达条件,利用模糊规则对切换增益模糊化并代替原切换增益,以此设计了新的模糊滑模控制器;用MATLAB/Simulink进行仿真,并与普通的滑模控制器做比较。结果与原控制器相比,在具有外界非线性干扰的情况下,模糊滑模控制器对抖振仍有很好的消除作用,具有更优良的控制性能,更好的跟踪效果,更快的响应速度。文中所做的研究对实际机械臂的运动控制具有一定的参考价值。     

移动机器人波纹板折线角焊缝跟踪控制

在对集装箱波纹板形式的焊缝进行焊接时,不仅要控制焊枪跟踪焊缝移动,同时还要保证焊枪相对于焊接面的倾角.设计了一种移动焊接机器人,该机器人以轮式移动小车作为平台,配以可以伸缩和转动的执行机构控制焊枪运动.采用旋转电弧作为传感器对焊枪偏差和倾角同时进行检测,通过控制三个关节协调动作,实现焊缝跟踪的同时对焊枪倾角进行调整.还对机器人的运动学模型进行了研究,在此基础上结合模糊控制理论设计了控制器,最后通过实际焊接试验证明了所提出的方法的有效性.     

轮式机器人折线焊缝跟踪协调控制方法

研究了以旋转电弧作为传感器,采用轮式移动机器人对折线焊缝进行跟踪的协调控制方法.设计了自适应模糊控制器对十字滑块和车轮进行协调控制,通过控制机器人移动对焊缝进行粗略跟踪,同时调整十字滑块带动焊枪对焊缝进行精确跟踪.为了使机器人的移动方向与焊缝走向一致,采用Sugeno型模糊逻辑系统作为滤波器对机器人本体的方位角偏差进行滤波处理,使机器人本体在跟踪焊缝的直线段时做直线运动,在跟踪焊缝的曲线段时做转弯运动.结果表明,该算法能够成功应用于最大为60°的折线焊缝和Z形焊缝的自动跟踪焊接.     

基于全阶滑模控制的双轮移动机器人跟踪误差研究

针对双轮移动机器人运动轨迹跟踪误差较大的问题,设计了全阶滑模控制器,并对控制输出误差进行仿真验证。建立双轮机器人简图模型,推导出移动机器人动力学方程式。介绍了移动机器人线速度和角速度的控制过程,对传统PI控制器进行改进,设计了全阶滑模控制器。采用李雅普诺夫函数对控制器的稳定性进行了证明,从而得到机器人运动线速度和角速度的输出误差收敛于零。在平面内,采用MATLAB软件对机器人运动线速度和角速度输出误差进行仿真实验,并与PI控制输出误差形成对比。结果显示:采用传统PI控制器,双轮机器人实际输出线速度和角速度误差较大;采用全阶滑模控制器,双轮机器人实际输出线速度和角速度误差较小。采用全阶滑模控制器用于双轮机器人控制系统,自适应抗干扰能力更强,可提高双轮机器人运动轨迹跟踪精度。     

基于H∞滑模控制的移动机器人轨迹跟踪研究

针对移动机器人轨迹跟踪过程中存在的诸多不确定性,利用Backstepping的思想和Lyapunov方法设计了H∞滑模控制。通过自适应模糊控制来优化滑模控制器的开关增益,从而消除滑模控制中存在的抖振现象。最后分别进行了直线、圆周、正弦三种轨迹跟踪仿真J_1实验,验证了系统的全局渐进稳定性和抗干扰性。证明了该控制算法的有效性。     

基于动态焊缝切线法的大曲率弯曲焊缝跟踪

针对轮式移动焊接机器人在造船、大型球罐焊接等工业生产中的大曲率弯曲焊缝跟踪问题,在采用小波实时降噪的基础上,结合焊缝切线法的思路和滑模变结构控制方法提出了动态焊缝切线法,并且通过Matlab仿真分析和试验验证,证明了该方法能够以固定步长实时修正焊接小车驱动轮的速度,保证焊炬沿大曲率弯曲焊缝轨迹跟踪效果较好的前提下切线速度大小基本不变,提高了焊缝质量,实现了弯曲焊缝的实时自动跟踪. 为轮式移动焊接机器人在复杂轨迹的焊缝自动跟踪应用方面提供了一种新的理论思路.     

狭小空间移动焊接机器人角焊缝跟踪的动力学控制

文中对移动焊接机器人在大型结构件中狭小空间的角焊缝跟踪控制问题进行了研究,首先,建立了焊接机器人在直角角焊缝处的运动学模型;然后,基于牛顿-欧拉方法分析了焊接机器人驱动轮、机器人移动本体及十字滑块的动力学行为,并建立了焊接机器人的整体动力学模型;最后,在对整体动力学模型合理简化的基础上,设计了焊接机器人焊缝跟踪控制的鲁棒PI控制器.应用MATLAB软件进行了仿真分析,并进行了试验研究,通过结果可以看出,该方法可实现移动焊接机器人在狭小空间内直角角焊缝的跟踪,且具有较高的跟踪精度.     

基于共享控制策略的遥控弧焊机器人焊缝跟踪

对应用于遥控弧焊机器人的共享控制技术进行了研究,建立了遥控机器人共享控制试验系统.激光视觉传感器基于三角测量原理,根据提取焊缝的特征点,实现焊缝的自主跟踪和焊接.根据解析速率控制算法,把手控器的控制命令与激光视觉传感器的自主控制命令在人控制器中进行融合,控制焊枪的六个自由度.弧焊机器人的控制权可以在局部自主控制和直接手动控制之间进行共享和交互,实现对远端非结构环境下的焊缝跟踪.结果表明,人机共享控制焊枪,实现未知环境的避障;提高了焊缝跟踪精度;把操作者从焊缝跟踪的底层操作中解放出来,减轻操作者的工作强度.     

大型构件水下焊接机器人系统

针对水下焊接环境要求,设计了一种履带式水下焊接机器人系统,该系统由机器人本体机构、激光视觉传感器、控制系统和焊接系统组成. 机器人本体机构由履带式移动平台和焊枪调节机构构成,运动灵活可靠,满足水下焊接焊缝跟踪要求. 完成了视觉传感器部件选型及光路设计,实现水下环境的焊缝自动识别. 设计了基于PLC机器人控制系统和协调控制方法,实现水下环境的焊缝跟踪控制. 同时在水下焊接试验平台完成焊接跟踪试验. 结果表明,机器人运行稳定,焊缝成形较好,焊接质量满足要求.     

小型移动焊接机器人结构设计

针对狭窄空间自动焊接问题,设计了一种小型移动焊接机器人机构.根据机器人结构的运动特点,运用模块化设计方法,把机器人机构分为轮式移动平台、焊炬调节机构和电弧传感器三部分.其中,轮式移动平台采用三轮式差速驱动结构形式,底部安装一可调磁吸附力装置,且控制器集成于移动平台上;焊炬调节机构由十字滑块和焊炬连接装置组成,十字滑块由两电机分别驱动,实现焊缝水平和高低方向精确跟踪;电弧传感器采用圆锥摆形式,且与焊枪设计成一体,使用方便.同时,建立机器人运动学方程,并对直角焊缝不同的转弯中心进行分析,确定水平滑块的行程参数,为机器人的焊缝跟踪控制提供参考.结果表明,该机器人机构满足弯曲焊缝跟踪要求,焊接质量良好.     

基于最小二乘法的小车方位角实时辨识

应用最小二乘法对移动焊接机器人传感器矢量与焊缝之间的位置关系进行了研究,提出了焊缝跟踪过程中小车方位角的实时辨识算法.为了确切表达传感器、焊缝、焊枪三者之间的空间位置关系,首先引入了传感器矢量的概念.然后根据前置传感器的特点,提出在焊缝跟踪的小邻域内,传感器矢量和焊缝之间的位置关系可以用一次多项式或二次多项式来完全表达.在此基础上,应用最小二乘法,建立了小车方位角的实时辨识算法并给出了算法的具体实现.最后通过实际的焊缝跟踪试验,验证了该算法的有效性.该算法的应用,为移动焊接机器人实现复杂曲线焊缝的实时跟踪奠定了重要的基础.     

3-RRR平面并联机器人神经网络滑模控制研究

针对具有强耦合和高非线性并联机器人的轨迹跟踪控制研究,设计了一种基于神经网络滑模控制器的控制系统。在传统滑模控制的基础上,利用神经网络算法实时修正系统非线性项和不确定参数的功能,有效抑制了SMC系统的抖振现象。建立了3-RRR平面并联机器人的结构简图和Matlab模型,并采用闭环矢量法得到了机器人的运动学反解,为控制系统提供了参考输入。基于机器人的简化动力学方程,设计了一种RBF神经网络滑模控制器,并构造Lyapunov函数证明控制器的稳定性。分别采用传统滑模和神经网络滑模控制方式对机器人的轨迹跟踪进行仿真分析。仿真结果表明:神经网络滑模控制器具有更好的轨迹跟踪精度和较小的稳态误差,验证了神经网络SMC控制器的有效性。     

基于模糊滑模的两轴伺服系统轮廓误差交叉耦合控制算法

针对两轴伺服系统轮廓误差控制问题,提出一种基于模糊滑模的交叉耦合轮廓误差控制方法。设计了单轴模糊滑模跟踪控制器,用于消除干扰作用。将模糊控制器用于自适应调节滑模控制器切换增益,减小滑模控制的抖振现象。采用交叉耦合控制算法进行两轴间的协调控制,解决轴间参数不匹配的问题,保证轮廓控制精度。仿真结果表明:该方法能有效提高跟踪精度和轮廓精度。     

焊接机器人轨迹跟踪研究现状

各类传感器和智能控制方法极大促进了机器人在焊缝跟踪中的应用,不仅提高了焊缝跟踪的精度,同时提高了焊接效率和保证了焊接质量。简述了机器人焊缝跟踪系统的结构,详述了焊缝跟踪过程中各类传感器的工作原理及其特点;阐述了图像处理技术在机器人焊缝轨迹跟踪过程中的研究进展,并对图像的预处理、图像分割与边缘检测和特征提取等研究方法进行了分析。最后,总结了智能控制方法在焊缝跟踪中研究进展及不同形状的焊缝跟踪情况。     

基于饱和函数的不确定机器人模糊自适应滑模控制

针对模型和参数不确定机器人系统轨迹跟踪问题,在模糊自适应控制的基础上提出了一种新的控制策略,该控制策略把饱和函数、模糊原理与滑模控制有机结合起来,设计了一种模糊自适应滑模控制器.该控制器利用模糊逻辑系统为机器人的动力学系统建模,设计自适应律调节未知参数,为保证控制力矩输出平滑有界,不存在一般滑模变结构中的抖振现象,采用双曲正切函数代替传统的符号函数.利用李亚普诺夫定理证明了闭环控制系统全局稳定,跟踪误差渐近收敛于零.仿真结果表明了所提出的控制算法的有效性.     

基于跟踪微分器的移动机器人轨迹规划与跟踪控制研究北大核心

针对移动机器人的轨迹规划和轨迹跟踪控制问题,提出一种加速度和速度约束情况下,通过贝塞尔曲线拟合参考轨迹,再利用跟踪微分器规划平滑速度的轨迹规划新方法;基于Backstepping方法,建立机器人位姿误差方程并进行控制器的设计,同时分析了控制参数对轨迹跟踪性能的影响;将轨迹规划方法和控制算法结合,并在仿真平台和移动机器人实物平台上进行实验验证。实验结果验证了轨迹规划算法和控制器的可靠性及有效性,相比于未进行速度规划、速度不连续和滑模控制等方法,提出的方法控制平稳且有效减少了位姿误差。