基于遥操作的焊接机器人连续轨迹系统设计

酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻第2期圆园19年2月基于遥操作的焊接机器人连续轨迹系统设计卢明林1，张宇1，张攀峰2，蒋梁中2

（1.华南理工大学计算机科学与工程学院，广东广州510006；2.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州5100）

摘要：为提高焊接机器人的作业精度和灵活性，通过对Motoman-UP6机器人运动学的分析和求解，结合焊接子系统，

研发了以远程遥控操作方式进行示教取点的焊接机器人连续轨迹控制系统。首先建立了遥操作下焊接机器人连续作业控制流程与数学模型，进而结合操纵杆与焊接子系统等硬件设备，对焊接机器人进行任意曲线远程示教。最后，采用了插值拟合的方法实现了焊接过程中匀速控制。实验表明，本方法操作灵活，焊接轨迹平滑均匀且焊缝质量可靠，同时也解决了机器人示教过程中的可操作性问题，提高了焊接机器人的作业精度。关键词：遥操作；焊接机器人；连续轨迹；Motoman-UP6；远程示教中图分类号：TH16；TP242.2文献标识码：A

文章编号：员园园员-3997（圆园19）02-0238-04

TheContinuousPathControlSystemDesignofWeldingRobotBasedonTele-Operation

（1.SchoolofComputerScienceandEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，GuangdongGuangzhou510006，China；2.SchoolofMechanicalandAutomotiveEngineering，SouthChinaUniversityofTechnology，GuangdongGuangzhou5100，China）

LUMing-lin1，ZHANGYu1，ZHANGPan-feng2，JIANGLiang-zhong2

粤遭泽贼则葬糟贼：Toimprovetheaccuracyandflexibilityofworkbyweldingrobot，acontinuouspathcontrolsystemofweldingrobotbasedontele-operationisdeveloped，usinganalysisandsolutionofkinematicswithrobotMotoman-UP6，accomplishedwithweldingsubsystem.First，theworkflowandmathematicalmodelofcontinuouspathcontrolsystemareconducted，thenremotelyteachingtheweldingrobottolearnanycurvelinecombinedwithjoysticksandweldingsubsystemandotherhardware.Finally，adaptingthemethodofinterpolationfittingtomakesuretheweldingprocessataconstantspeed.Experimentalresultsindicatethat（1）thecontrolmethodisveryflexible，andweldingpathissmooth，andthequalityofweldingseamisreliable；（2）theproblemofcontrollablerobotteachingissolved，andtheworkaccuracyofweldingrobotisimproved.KeyWords：Tele-Operation；WeldingRobot；ContinuousPath；Motoman-UP6；RemotelyTeaching

1引言

研究，文献[1-2]采用基于虚拟现实的仿真环境空间进行机器人遥操作规划。示教盒用来注册和存储机械运动的可编程模块没有运用机器人运动学的正逆解分析方法，实际操作起来比较繁琐，灵活性也比较低[3]。与之相比，基于遥操作的焊接机器人可实现机器人由笛卡尔空间规划映射到关节空间规划上，大大降低了操作人员的工作难度，实际操作简单、方便，效果显著。因此，提出了基于遥操作的焊接机器人连续轨迹规划方法，以遥控示教的方式计算得到实时的任意曲线各示教点关节角度的联动变化，进而采用线性遥操插值的方法控制机器人实现关节空间的多点连续轨迹运动。作关节空间连续轨迹规划方法不仅可用于单关节空间运动，还能适用于其他多关节空间运动。

随着工业自动化技术的飞速发展，焊接机器人取代人工焊

机械自接工程作业已经成为了必然的趋势。它结合了电子技术、机械工程等高能动化、计算机科学等高新技术，主要运用于核电、耗行业。提出的基于遥操作的焊接机器人运用机器人运动学正逆解的方法，实现了从操作空间规划转换到关节空间规划上，完成了远程操作机器人连续轨迹示教取点的功能，从而执行机器人自动焊接工作。基于遥操作的焊接机器人具有以下几个优点：（1）降低了对工人实时作业操作，增加了安全性；（2）提高了焊接质量，（3）保证其均一性；增强了焊接工程的灵活性。

目前，机器人连续轨迹规划主要采用图形仿真的方式模拟

来稿日期：2018-08-07

（NY20140202）基金项目：国家能源应用技术研究及工程示范项目

作者简介：卢明林，（1992原），男，广西桂林人，硕士研究生，主要研究方向：机器人学；

（1975-）张攀峰，，男，天津人，博士后，主要研究方向：遥操作机器人

第2期卢明林等：基于遥操作的焊接机器人连续轨迹系统设计239

22.1系统的系统硬件总组体成

设计PCIe-6320系统采数用的主要据采集卡硬；（件3）有CAN：（1）总线YJ600通信型工卡；（业4操）安纵川杆机械；（2）臂NI

子Motoman-UP6系统[4]共同完；（成5）弧伺焊服工驱作动，控通制过柜数；（据采6）计集算卡主机。获取操最纵终杆结的实合焊时接

状态，将AD信号量传递给计算主机，以实现机械臂的运动学正逆解运算，最后以伺服电机驱动机械臂各关节的运动。

本系统采用两个YJ600型工业操纵杆，共6个操作方向，分别控制机械臂的X，Y，Z三个方向的运动和末端姿态4，5轴的变换，以及遥操作步长的调整，如图1所示。

2.2Fig.1工StructureDiagram图1双of操纵Dual杆控Joysticks制机械臂for结构Controlling图作流程

RobotArm

系统的工作流程图，如图2所示。具体操作涉及示教取点和连续轨迹焊接两部分。工作流程如下：（1）操作员启动伺服电机；2）调整机械臂各关节到初始位置；（3）进入示教取点模式；（4）使用遥控杆操作机械臂运动到第一个示教点；（5）依次利用遥控杆操作机械臂取完所有示教点，并将各点存入数据文件中；（6）加载各轴关节数据；（7）机械臂回到第一个焊接点位置；（8）检测焊接子系统是否正常运转，是则进行下一步，否则等待；（9）开始弧焊工作；（10）机械臂返回初始位置，结束。伺服启动加载数各轴据调整初始各轴位置到示轴教数点据各示教取点NY示教是否结束第运焊N一动到个点上否接准子备系统是就绪Y开始弧焊工作伺服关闭Fig.2TheWorkflow图2of基Continuous于遥操作的Path连续Control轨迹控制流3Based程图onTele-Operation

3.1遥操作与连续轨迹规划

3.1.1遥操焊三维作

接机器空人是间位在姿操描作述

空间执行作业任务的，操作空间采用

笛卡尔坐标系，而关节驱动是在关节空间上完成的。因此，必须建立机器人各连杆的坐标系、笛卡尔坐标和关节位置的转换关系。

为简化机器人模型，设机械臂初始位置姿态P0=（x0，y0，z0，琢0，茁字0，0），初始坐标点（x独控制。0，yMotoman-up60，z0）为4轴末端点位置，姿态（琢，茁，字）可由示4，.5其，6坐轴标单系，如图3所示。

机器人的D-H参数，如表1所

表1Motoman-UP6机器人D-H参数

Tab.1D-HParametersofRobotMotoman-UP6

关节1序号

变量兹i（/毅）琢i-1（/毅）琢i-12兹′1兹′

+90

0/mmdi/mm3-900215004兹-905700

5兹31306兹4-900

兹50006

-9090000xZe

XEZxYEEdx6兹Z45xtax43Z3y4Zy兹5xeZt兹3y3y4ye兹5Z666dt

ytZ33Z1a2兹0x1y12兹Zx0y0ax112

22yh20Fig.3图3Motoman-UP6CoordinateofRobot机器人Motoman-UP6

D-H坐标系

3.1.2其机中，器XE人运，YE动，ZE学组正成解

视觉引导下遥操作控制的坐标系。

连杆坐标系｛i｝相对于｛i-1｝的变换i-1

i-1

iT称为连杆变换，iT

与ai-1，琢i-1，di，兹i这四个连杆参数有关[5]。

杉山

山山c兹i

-s兹i

0ai-1

煽衫

衫i-1衫T的通式为：i-1

山山1c兹ic琢i-1i-1衫衫i

iT=

山山s兹ic琢i-山山山s琢s琢-s琢i-1-dis琢s兹衫

（1）

ii-1c兹ii-1c琢i-d琢i-1衫衫山衫

山衫删

衫衫各个连杆变换矩阵i-1

0

0

0

1

is1

闪

iT（i=1，2，…，n）相乘，进而得到手臂变

换矩阵n0

T，它是n个关节变量q杆坐标系｛n｝相对于基座标系｛0｝1，q的2，…，qn的函数，表示末端连

0描述。

T（q）n-1

n

1，q2，…，qn）=0

1T（q的11

2T

（qD-H2）…nT（qn）（2）

利用式（1）和表1所列连杆参数可以算出各个连杆的变换矩阵：

杉山

山c兹1-s兹10煽衫衫杉0

山山山衫山c兹煽衫山衫山山衫山山2山1T=

s兹0山衫山衫山山山衫1山山衫T=

山10

衫衫衫衫衫衫山衫2山衫山01c兹100衫山-s0

-s兹200兹0

衫删衫衫闪山杉山0

2-c兹2衫山00衫删

衫衫山杉山c00兹0

1001

c兹闪

山0

01

山山煽s兹3山-cs兹兹30a2煽衫衫衫山衫山衫山衫山山0

4-s0

兹401ad

3衫衫2

山山3T=

T=

山山山山山-s兹4衫衫衫山衫山山衫山03衫衫衫3衫删

003000

1001

衫4衫衫衫闪

山衫山0

4-c兹0

40001

衫山衫删衫衫闪

（240

机械设计与制造

No.2Feb.2019

杉山山c兹5-s兹50煽衫杉-s兹600煽衫

衫4

山山山衫山衫衫衫5T=

山衫山山衫山c兹山s兹衫T=

山6衫山00

-10

0衫衫山衫山衫5山衫山衫山-s0

兹0

10

衫山5c兹01衫6山山衫山删

根据式0

衫山衫山闪

山山删

（2）0

500

运算后可得坐标0

6-c兹系｛060006｝相对于1

衫衫衫衫闪

基坐标系｛0｝的空间点坐标：

扇设

设设px=c兹1（a1+c兹2a2+c兹23a3-s兹23d4）缮设设设设py=s兹（3）

墒

设设设z兹=-s1（a兹1+c兹兹2a2+c兹23a3-s兹23d4）p2a2-c23a3-d4c兹23

式中：s23—sin（兹2+兹3）；c兹23—cos（兹2+兹3），其余依次类推。

3.1.3机机器器人逆人运向运动动学学逆求解解

的过程就是根据已知的末端连杆相对

于参考坐标系的位姿，求解出关节变量（兹1，兹2，兹3，兹4，兹5，兹6）的过程，它是机器人运动规划和轨迹控制的基础。Motoman-UP6机械臂的逆解方法有多种[6-7]，由于本系统将机械臂分成腕部位置（兹1，兹2，兹3）和腕部姿态（兹4，兹5，兹6），可运用三角函数的几何法求解机器人的腕部位置（兹1，兹2，兹3），腕部姿态（兹4，兹5，兹6）通过遥杆单独控制，求逆解过程如下。

关节角兹1：兹1=arctanppy（4）

x

关节角兹2：令k1xcka2

=p1+a2

1+pys2+p2

1

2=

z+k1222

2

籽2=姨pz2+（k2-aa3-d4-2a1k11-a1）

2兹2=arctank1p-a1z-arctan

姨1-（k2k/籽2/2

籽2）

2-仔关节角兹2（5）

3：

令籽2k3=3+d4

23=c2（姨paxc1+pys1）-pzs2-ak1c2-a2兹3=arctan

ad334

-arctan姨1-（k/籽3（6）

3.1.43/籽3）2双示遥教杆，取点

如图1所示。左操纵杆的左右摇摆控制机械臂的

X+，X-，Y+，Y-四个方向，当机械臂需要宏控操作时，可通过调整左操纵杆的旋转按钮，增大移动步长；若需要微控操作时，可反向旋转，减小移动步长，精度可达1mm。右操纵杆可控制机械臂Z+，Z-方向的运动，以及4，5轴调整焊到合适的角度姿态变化，焊接时并未用到6轴的姿态，故无需考虑。利用上述的机器人运动学逆解方法，可实现由遥控杆操作机械臂在笛卡尔坐标系的三维空间运动。机械臂的起始位置为4轴末端端点处，故此空间的

运动只涉及到兹z1，兹2，兹3的转动。设机械臂初始位姿态P0=（x0，y0，驻0，琢x，y0，茁0，字0），若要使机械臂向x轴移动驻x，则该点的位姿P=（x00，z0，琢0，茁0，字0），将（x0+驻x，y0，z0）带入式（4）、式（5）、式（6）+可求解出兹1，兹2，兹3，同理可计算出y，z轴方向的运动参数，机械

臂手腕的姿态由兹4，兹5，兹6单独控制。经过遥操作控制机械臂到指

定示教点Pi=（xi，yi，zi，琢i，茁i，字i）后，其各关节兹1，兹2，兹3，兹4，兹5，兹6角度可通过机械臂运动控制程序读出以便存储。

3.2.13.2连续轨迹轨迹用的轨规迹划

控制

采规划方法将笛卡尔空间轨迹规划转换为关节空

间轨迹规划[8-9]，解决问题更加简单、容易。首先依据拟人化思想，采用连续轨迹分段规划方法。由焊缝的关键点和焊缝轨迹主体位

姿确定焊末端位姿，利用遥操作逐个选取焊缝的最佳焊接点，焊从初始位置到达预焊接位置后，保持焊空间姿态固定，从预作业位置匀速移动到下一个预焊接位置。

利用上述示教取点的数据，对每个关节插值拟合一个光滑函数，使之从起始点开始，依次通过所有路径点，最后达到目标点。轨迹插值方法有多种[10-12]，本系统主要采用线性插值法。对于每一段路径焊所运行的速度相同，且各个关节运行的时间均相同，这样保证所有关节同时匀速地到达路径点和终止点[5]。

3.2.2对于线性各关插节值而法

言，运动轨迹的描述可用起始点关节角与终

止点关节角的线性插值函数兹（t）来表示。兹（t）在t0=0时刻的值是

起始关节角度兹0，在终止时刻tf的值是终止关节角度兹f。那么其线性关系如下：

兹（t）=兹棕为该0关+棕节·转动t

的角速度，这里忽略了起始点的加速度和（7）

终止点的减速度，近似地看成轨迹的运动是匀速直线模式。若示教点个数较多，且每段的直角坐标系的欧式距离长度不一，为保证焊接过程各段路径匀速焊接，那么两示教点（Pi，Pi+1）的焊接时

间ti，i+1可根据各段的实际长度li，i+1计算，

如下：ti，i+1=li，i+1·t0，1/l0，1

（8）li，i+1=，1—姨预（设xi+1的-焊xi）2接时间+姨（；yi+1l-yi）2+0，1—预设的姨（焊zi+1接-长度zi）2（9）

式中：t0。假设每段路

径的插补点个数为k，相邻插补点的时间间隔则为ti，i+1/k。将各个插补点的时间值代入拟合函数（7），求得插补点的各

关节的角度值。运动控制卡以PT模式运行，故送往运动控制卡的参数为时间和对应的关节角度值。线性插值法简单44.1实方便实验验，易结果

结果于理解与，在分关析

节空间的规划保证了轨迹的连续性。

实验中基于VisualC++的MFC工程，结合数据采集卡，运动控制卡，CAN卡，操纵杆等硬件设计出了一款基于遥操作的连续轨迹控制系统，软件主界面，如图4所示。焊接前可调整焊接速度示教再现多次，以检验系统的安全性。实验中选取了一条直线和一条弧线进行示教，直线焊接的示教取点数据，如表2所示。弧线焊接的示教取点数据，如表3所示。最终，配合焊接子系统成功弧焊了这两段路径，焊接参数主要有：弧焊电压为55V，弧焊电流为所76A示，。焊直接线速焊度接为时间2.8mm/s为41s，送，曲线丝速焊度接5.9mm/s时间为。43s焊。接由效此果说，明如图本系5

No.2Feb.2019

机械设计与制造

241统结合弧焊技术，实际焊接的这两条线段焊接效果良好，焊缝均匀，轨迹连续可靠。

表2直线示教取点数据

Tab.2SampledPointsbyDataRobotofStraightTeaching

Line

关节变量示教兹兹1-90毅-7.39教点1示2+90兹毅21.3919.130.79点2兹37.819兹4-0.024.84-0.025

-2.00-2.00表3圆弧示教取点数据Tab.3SampledPointsbyDataRobotofTeaching

ArcLine关节示教示教示教示教示教示教示教示教示教示教示教兹变量点1点2.322点3点4点5点点兹1-90+90毅2兹毅16.552.7717.618.561.716点7点8点919.231.050.35-0.29-0.87-1.57-2.27-2.8710点1119.34-3.42兹3兹4-0.016.53-0.015.195

-2.06-2.06-0.013.97-2.06-0.013.1119.82-2.06-0.012.3520.1220.2320.1519.90-2.04-0.011.961.821.912.25-2.04-0.01-2.04-0.01-2.04-0.01-2.04-0.012.9718.6-2.04-0.013.93-2.04Fig.4Home图of4基Continuous于遥操作的Path连续Control轨迹控Based制软件主on界Tele-Operation面

4.2实验分Fig.5析

Welding图5Results直线和of弧Straight线焊接效Line果图andArcLine

实验中示教的直线轨迹仅需两个示教点，使用遥操作控制记录下起点和终点的各关节角度值。

机械臂的初始位置为4轴末端处，根据正解式（3）可求出其笛卡尔空间坐标为（0，790，700），

单位为mm。同理，可求得该直线段起点（示教点1）的坐标为（127，981距离，3长度），为终141.41点（示教mm点，2实际）坐标长度为（为-13145，966mm，3，误差），经主要计算来源其空于间机

械臂初始位置的偏差[13]。焊接过程中的关节角度时间曲线，如图6

a）所示。由图像数据上可看出各关节角度是线性增长的，这也说明了关节的转动是匀速的；同时，图6（c）也描述了各关节的转动

速度变化，各关节速度变化曲线和各关节角度变化曲线实时对

应。弧线轨迹记录了11个示教点的数据，各示教点间采用线性插值的方法，其关节角度时间曲线，如图6（b）所示。各关节的角度弯曲部位正好为弧线的弯曲部分；关节速度曲线，如图6（d）所

示。可以看出对于11个示教点而言，每段轨迹各关节匀速转动。由图6（b）和图6（d）也可看出在25s左右的时候，关节2，3角度曲线的切线斜率为零，对应的关节速度也为0。

25

202515关节2

20

10关节3

15

5关节4

10

关节205

关节3-5

关节1关节5

0

5101520-50

关节4关节5

t/s

253030

0

5101520关节1t/s

253030

（a）示教直线各关节角

（b）示教弧线各关节0.020度时间曲线图

角度时间曲线图

0.015关节10.030.0100.02关节20.005关节3

0.01关节4、5

关节4、5-0.0050.000

-0.010.00

-0.010关节2

-0.020

5101520t/s

253030

-0.03关节3

关节1

0

5101520t/s

253030

（c）示教直线各关节（d）示教弧线各关节角度速度曲线图速度时间曲线图

图6Fig.6直线5结论

LineJoint-Angle和弧线示教andArcand再现LineJoint-Velocity中各关节角度时间DuringTeachingCurves，速Playback

of度时间Straight

曲线图基于遥操作的连续轨迹控制在焊接机器人上的弧焊效果良

好，具有较强的操作性，使用起来简单、方便、灵活。机器人运动学的分析为本课题提供了结实的理论基础，对于6个自由度的机器

人而言，运动学反解复杂。设计中巧妙地运用了机器人运动学逆解方法，将机器人的腕部位置和腕部姿态分离开，保证了反解的唯一性，避免了多解和奇异解的出现。最后，本系统集成了遥控杆、机械臂、数据采集卡、CAN卡等硬件设备，充分发挥了各部件的作用。同时结合国内较成熟的弧焊技术，实现了自主研发的遥操作控制焊接机器人系统设计，具有一定的创新性。

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6008001000

错臂距离x（mm）

12001400

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150100500

200

（c）k=80mm

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6008001000错臂距离x（mm）

1200

1400

（4）同时为了分析在k值对越障效果的影响，结合式，计算出了机器人在不同k的取值情况下，受力的大小和消耗时间，如表1所示。

表1不同k值下最大受力和越障耗时

Tab.1MaximumForceandTimeConsumption

ofUsingDifferentk

40mm47

60mm7539

80mm9838

100mm11729

（d）k=100mm

图9间距Pd随着错臂距离x的变化图Fig.9RelationshipBetweenthePdandx

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