朱甲射，孫振國(guó)，黃渭，陳強(qiáng)

(清華大學(xué),北京 100084)

0 前言

水電站引水壓力鋼管受限于其規(guī)格尺寸與現(xiàn)有運(yùn)輸條件，在制造車(chē)間組成單節(jié)后需運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)安裝組焊。其現(xiàn)場(chǎng)組焊一般采用焊條電弧焊的方式，雖然焊接工藝已經(jīng)較為成熟，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率較低，且對(duì)焊工要求較高，焊縫質(zhì)量受作業(yè)人員狀態(tài)波動(dòng)影響較大。采用機(jī)器人焊接的方式，可以改善作業(yè)工人勞動(dòng)環(huán)境，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高焊接效率[1-2]。文中設(shè)計(jì)了一種主從式爬壁焊接機(jī)器人系統(tǒng)，用以取代人工焊接。

首先介紹了主從式爬壁焊接機(jī)器人系統(tǒng)的基本組成和功能，然后通過(guò)對(duì)機(jī)器人的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，優(yōu)化了永磁吸附模塊的吸附力與布局設(shè)計(jì)，最后介紹了基于ROS的機(jī)器人控制系統(tǒng)以及采用深度相機(jī)進(jìn)行焊縫坡口識(shí)別跟蹤效果。

1 主從式爬壁焊接機(jī)器人系統(tǒng)

主從式爬壁焊接機(jī)器人系統(tǒng)由主機(jī)器人、從機(jī)器人和地面監(jiān)控站三部分組成。

主機(jī)器人搭載焊槍并跟蹤焊縫運(yùn)動(dòng)，負(fù)責(zé)完成引水壓力鋼管環(huán)縫焊接。其設(shè)計(jì)思路以靈活、穩(wěn)定為目的。機(jī)器人僅包含必要的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，最大程度地降低其負(fù)載，從而提升機(jī)器人姿態(tài)與焊槍位置調(diào)節(jié)的靈活性。

從機(jī)器人搭載送絲機(jī)、焊絲盤(pán)等焊接相關(guān)設(shè)備，并承載與地面監(jiān)控站之間線纜的拖曳力，跟隨主機(jī)器人運(yùn)動(dòng)以支持焊接作業(yè)的完成。其設(shè)計(jì)思路以重載、穩(wěn)定為目的。

由于從機(jī)器人承受了與監(jiān)控站間的線纜拖曳力，因此主機(jī)器人負(fù)載在焊接部位高度不斷變化的情況下仍能保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而提升運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量。

主機(jī)器人與從機(jī)器人均采用采用永磁間隙吸附[3]及兩輪差動(dòng)式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[4]，將吸附機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)分離，保證了機(jī)器人的穩(wěn)定的吸附能力和運(yùn)動(dòng)的靈活性，從而使機(jī)器人可以快速到達(dá)預(yù)焊位置，并能在焊接作業(yè)中靈活調(diào)節(jié)機(jī)器人整體姿態(tài)與焊接機(jī)構(gòu)的位置。

主機(jī)器人所搭載的焊接機(jī)構(gòu)主要包括焊槍、夾持運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與視覺(jué)跟蹤模塊。夾持運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包含一個(gè)十字滑臺(tái)和焊槍夾持機(jī)構(gòu)，十字滑臺(tái)為焊槍提供兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)空間。視覺(jué)跟蹤模塊采用深度相機(jī)，用以獲取焊接作業(yè)區(qū)域的彩色圖像與深度圖像。利用深度圖像可對(duì)焊縫坡口進(jìn)行檢測(cè)和提取，獲取位置、寬度、深度等信息，從而根據(jù)坡口信息調(diào)節(jié)滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的跟蹤。

2 機(jī)器人全位置作業(yè)分析

為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在引水壓力鋼管表面的全位置焊接作業(yè)，吸附機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)為機(jī)器人提供充分的吸附力，而過(guò)大的吸附力又會(huì)影響機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性。因此通過(guò)對(duì)機(jī)器人在作業(yè)壁面全位置全姿態(tài)的運(yùn)行情況進(jìn)行靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)機(jī)器人可能的失效情況的臨界條件獲得吸附機(jī)構(gòu)的許用吸附力范圍，對(duì)吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)做出優(yōu)化。

在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與作業(yè)過(guò)程中，可能出現(xiàn)如下6種失效情況：整體滑移失效、整體法向脫離、縱向傾覆失效、沿驅(qū)動(dòng)輪傾覆失效、單驅(qū)動(dòng)輪傾覆和驅(qū)動(dòng)輪打滑。在靜力學(xué)分析中對(duì)前5種失效情況進(jìn)行分析，在動(dòng)力學(xué)分析中對(duì)驅(qū)動(dòng)輪打滑情況進(jìn)行分析。分析中機(jī)器人的等效模型如圖1所示。其中：K表示吸附模塊到驅(qū)動(dòng)輪軸的縱向距離；W表示驅(qū)動(dòng)輪到中心線的距離；L表示從動(dòng)輪到驅(qū)動(dòng)輪軸的距離；s表示重心c到驅(qū)動(dòng)輪軸的距離。

圖1 機(jī)器人等效分析模型

由于引水壓力鋼管壁面曲率半徑較大，機(jī)器人所覆蓋的工作壁面高度變化較小，因此將工作壁面近似為平直表面。機(jī)器人在壁面作業(yè)時(shí)的分析模型如圖2所示。

圖2 機(jī)器人在壁面作業(yè)時(shí)的分析模型

其中：β為機(jī)器人當(dāng)前位置壁面的傾斜角度；θ為焊接機(jī)器人相對(duì)環(huán)向焊縫的夾角。機(jī)器人在oxRyRzR坐標(biāo)系下的重力分量為：

(1)

機(jī)器人在oxyz坐標(biāo)系下的重力分量為：

(2)

2.1 靜力學(xué)分析

在靜力學(xué)分析中，以整體滑移失效為例進(jìn)行分析。對(duì)機(jī)器人在xoy平面和yoz平面內(nèi)的受力進(jìn)行分析，其受力情況如圖3所示。

圖3 機(jī)器人受力情況

其中：Fm表示單個(gè)吸附模塊提供的吸附力，由此可得機(jī)器人靜力學(xué)方程如下：

(3)

機(jī)器人受到重力分量GyR作用，當(dāng)各輪上靜摩擦力不足時(shí)，機(jī)器人發(fā)生整體滑移失效。因此其臨界條件為:

Fl≤GyR

(4)

將臨界條件代入靜力學(xué)模型可得：

(5)

式中:μs和μR分別表示包膠輪與壓力鋼管壁面間的靜摩擦系數(shù)和滾動(dòng)摩擦系數(shù)。從中可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人的整體滑移失效與壁面角度β,機(jī)器人姿態(tài)角θ及吸附模塊縱向位置K有關(guān)。當(dāng)θ=0°即機(jī)器人沿環(huán)向焊縫前進(jìn)時(shí)，右式取得最大值，此時(shí)可得機(jī)器人在壁面全位置作業(yè)不發(fā)生整體滑移失效的許用吸附力范圍為：

(6)

同理，對(duì)其余靜力學(xué)失效形式進(jìn)行分析可得吸附模塊的許用吸附力范圍如下，式中，[Fm]L1對(duì)應(yīng)沿驅(qū)動(dòng)輪軸縱向傾覆失效；[Fm]L2對(duì)應(yīng)沿從動(dòng)輪縱向傾覆失效；[Fm]T對(duì)應(yīng)沿驅(qū)動(dòng)輪傾覆失效；[Fm]C對(duì)應(yīng)單驅(qū)動(dòng)輪傾覆失效：

(7)

2.2 動(dòng)力學(xué)分析

根據(jù)試驗(yàn)情況可知，機(jī)器人對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)力要求最大的情況發(fā)生在原地轉(zhuǎn)向時(shí)，也即為最容易發(fā)生運(yùn)動(dòng)失效的情況。此時(shí)焊接機(jī)器人的受力情況如圖4所示。

圖4 焊接機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析

其中:FL,FR分別為兩驅(qū)動(dòng)輪上的驅(qū)動(dòng)力;FfL,FfR，F(xiàn)fs分別為各輪上的滾動(dòng)摩擦阻力?？傻煤附訖C(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)方程為：

(8)

(9)

焊接機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)向時(shí)不發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪的打滑，則必須滿(mǎn)足如下條件：

(10)

代入動(dòng)力學(xué)方程，可得到機(jī)器人不發(fā)生驅(qū)動(dòng)輪打滑的許用吸附力范圍為：

(11)

2.3 吸附機(jī)構(gòu)優(yōu)化

在上述各失效情況下的許用吸附力范圍中，代入機(jī)器人相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行數(shù)值仿真，分別選取許用吸附力在各壁面角度和機(jī)器人姿態(tài)角下的最大值，即可得到在滿(mǎn)足焊接機(jī)器人全位置全姿態(tài)工作的條件下，永磁吸附模塊的許用吸附力[Fm]與吸附模塊縱向位置參數(shù)K的關(guān)系。

以主機(jī)器人為例，代入的參數(shù)分別為：L=300 mm，W=250 mm，s=200 mm，μs=0.5，μr=0.05，m=20 kg，H=200 mm。所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 吸附模塊布局與許用吸附力關(guān)系

由結(jié)果可知，機(jī)器人吸附模塊布局位置主要由沿驅(qū)動(dòng)輪軸傾覆失效條件與驅(qū)動(dòng)輪打滑條件決定。在不發(fā)生上述失效情況的條件下，當(dāng)吸附模塊與驅(qū)動(dòng)輪軸距離為K=57.5 mm時(shí)許用吸附力可取得最小值，最小許用吸附力[Fm]=486.1N。這一理論最優(yōu)解為機(jī)器人吸附模塊吸附力與機(jī)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)

機(jī)器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中監(jiān)控平臺(tái)采用工業(yè)平板電腦，便于焊接作業(yè)人員的觀測(cè)與操作。

圖6 機(jī)器人控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

控制平臺(tái)軟件采用ROS(Robot operating system)作為主要架構(gòu)，以適應(yīng)機(jī)器人系統(tǒng)多功能模塊協(xié)作的特點(diǎn)[5]。通過(guò)對(duì)各控制節(jié)點(diǎn)的分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)與節(jié)點(diǎn)間通信消息話題的合理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)調(diào)合作，編寫(xiě)開(kāi)發(fā)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)、焊接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、監(jiān)控平臺(tái)、界面信息交互等7個(gè)控制節(jié)點(diǎn)及1個(gè)QT圖形交互界面。各節(jié)點(diǎn)間通過(guò)焊接機(jī)構(gòu)控制參數(shù)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制參數(shù)、界面操作參數(shù)等話題下的ROS消息進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遙控運(yùn)動(dòng)、焊接機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、操作人員界面交互等功能。

4 樣機(jī)性能試驗(yàn)

4.1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，文中研制搭建了主從式焊接機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 主從式焊接機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)

在豎直壁面上分別對(duì)從機(jī)器人和機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行測(cè)試。從機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線性速度可達(dá)2.9 m/min，原地轉(zhuǎn)向的角速度可達(dá)0.27 rad/s；機(jī)器人系統(tǒng)整體運(yùn)動(dòng)的線性速度可達(dá)2.7 m/min，可以支持機(jī)器人快速到達(dá)預(yù)焊位置。

4.2 焊縫跟蹤性能

在焊縫坡口試件上對(duì)機(jī)器人視覺(jué)跟蹤模塊性能進(jìn)行測(cè)試，所用試塊如圖8所示，坡口寬度29 mm，深度18.4 mm，與壁厚50 mm左右的引水壓力鋼管環(huán)縫坡口相近。

使用視覺(jué)跟蹤模塊深度相機(jī)對(duì)焊縫坡口試塊進(jìn)行測(cè)試拍攝，可得到彩色圖像與深度圖像如圖9a,9b所示。對(duì)所得深度圖像進(jìn)行正畸處理和平面校正處理，所得結(jié)果如圖9c所示。

圖9 視覺(jué)跟蹤模塊試驗(yàn)情況

對(duì)校正后的圖像結(jié)果進(jìn)行分析處理，選取ROI(Region of Interest)并利用深度信息對(duì)焊縫坡口邊緣進(jìn)行提取，可以得到深度圖像中所反應(yīng)的焊縫坡口寬度為28.35 mm，誤差為2.24%，坡口深度為18.0 mm，誤差為2.17%。圖像整體識(shí)別精度可控制在1 mm范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

(1)針對(duì)引水壓力鋼管現(xiàn)場(chǎng)組焊的需求設(shè)計(jì)了一種主從式爬壁焊接機(jī)器人，主機(jī)器人整體重量相對(duì)較輕，焊接位置調(diào)節(jié)靈活；從機(jī)器人承載線纜拖曳力，提升主機(jī)器人焊接穩(wěn)定性。

(2)建立了機(jī)器人靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)機(jī)器人可能的失效情況進(jìn)行分析，在保證機(jī)器人能實(shí)現(xiàn)全位置焊接作業(yè)的條件下，得到了吸附模塊的許用吸附力范圍與理論最優(yōu)位置，為吸附機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了依據(jù)。

(3)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于ROS系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，并試制了機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線性速度可達(dá)2.9 m/min，原地轉(zhuǎn)向的角速度可達(dá)0.27 rad/s；視覺(jué)跟蹤模塊對(duì)焊縫坡口的識(shí)別精度在1 mm內(nèi)。樣機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能和坡口識(shí)別跟蹤精度滿(mǎn)足工程應(yīng)用需求。