華攸水　張浩　羅健　吳華昶　蔣曉明

特約論文

9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)*

華攸水1張浩2羅健1吳華昶1蔣曉明2

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006 2.廣東省科學(xué)院智能制造研究所，廣東 廣州 510070）

為解決大型曲面焊接作業(yè)場景中自動化焊接程度低，以及現(xiàn)有爬行焊接機(jī)器人自由度低導(dǎo)致的靈活性差等問題，設(shè)計(jì)一款9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)。首先，介紹9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)組成、系統(tǒng)框架和軟硬件功能；然后，通過曲線焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)和爬行焊接實(shí)驗(yàn)，證明該機(jī)器人控制系統(tǒng)具備立面焊接的作業(yè)能力以及曲線焊接的適應(yīng)能力。

9自由度爬行焊接機(jī)器人；控制系統(tǒng)；磁吸附；大曲面焊接

0　引言

當(dāng)前大型船舶、石化儲罐和風(fēng)電塔等大型鋼結(jié)構(gòu)件的焊接作業(yè)，具有焊縫長、曲率變化大、焊接姿態(tài)多變等特點(diǎn)；大多由人工完成，存在作業(yè)環(huán)境差、風(fēng)險(xiǎn)高等問題[1-3]。因此，針對此類大曲面焊接作業(yè)，設(shè)計(jì)自動焊接機(jī)器人具有重要意義。

爬行焊接機(jī)器人與常規(guī)輪式移動焊接機(jī)器人、固定基座式焊接機(jī)器人的區(qū)別在于，其作業(yè)時(shí)無需事先鋪設(shè)爬行軌道，通過攝像頭等設(shè)備輔助，可實(shí)現(xiàn)大型鋼結(jié)構(gòu)件的全位置爬行作業(yè)[4]。2003年，KAM等[5]開發(fā)一種四輪移動焊接機(jī)器人，結(jié)構(gòu)小巧，能夠在狹小空間實(shí)現(xiàn)焊接。2012年，葛文韜[6]設(shè)計(jì)一種用于水下大型結(jié)構(gòu)件焊接的四輪移動機(jī)器人，各輪不具有轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，通過四輪差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，穩(wěn)定性較高。2013年，陳錦云等[7-8]利用基于差速轉(zhuǎn)向的磁吸附輪足復(fù)合式機(jī)器人，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)配合，實(shí)現(xiàn)越障焊接?，F(xiàn)有的爬行焊接機(jī)器人雖具備全向移動能力，但自由度偏低，通常只有5～6個自由度；靈活性較差，直線焊縫的適應(yīng)能力較強(qiáng)，但不適用于空間曲線焊縫。

為此，本文設(shè)計(jì)一款9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)，并對該件控制系統(tǒng)的軟硬進(jìn)行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)立面焊接的功能，并具備曲線焊縫適應(yīng)能力。

1　9自由度爬行焊接機(jī)器人

9自由度爬行焊接機(jī)器人由移動小車、機(jī)械臂、焊槍、相機(jī)等組成，樣機(jī)及主要技術(shù)參數(shù)如圖1所示。

圖1 9自由度爬行焊接機(jī)器人樣機(jī)及主要技術(shù)參數(shù)

在大曲面焊接場景中，焊接作業(yè)表面大都是豎直曲面。9自由度爬行焊接機(jī)器人具備的主要功能包括：在豎直曲面爬行作業(yè)能力；在大曲面全向移動能力；焊縫自動跟蹤和焊接能力。

2 控制系統(tǒng)總體框架

9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)按層級劃分為系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級和部件級，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。

圖2 9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)級協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)控制器主要負(fù)責(zé)協(xié)同控制、路徑規(guī)劃、姿態(tài)生成、軌跡跟蹤等任務(wù)的調(diào)度和分配；子系統(tǒng)對以上任務(wù)進(jìn)行分解和執(zhí)行；部件級主要完成任務(wù)所需的具體功能。9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)主要通過EtherCAT、CANopen和GigE通信。

3 控制系統(tǒng)硬件

9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要包括工控機(jī)miniPC、攝像頭、機(jī)械臂、焊機(jī)、運(yùn)動控制器、移動小車伺服電機(jī)等，硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)

工控機(jī)miniPC采用酷睿i3-4010U的迷你工業(yè)主機(jī)，主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行管理和控制。

機(jī)械臂采用CB-series系列的協(xié)作式UR機(jī)械手，配合移動小車和焊機(jī)共同完成焊接作業(yè)。

采用NBC-250GF氣體保護(hù)焊機(jī)，調(diào)節(jié)焊接工藝參數(shù)以及完成氣保焊接。

運(yùn)動控制器是一個EtherCAT主站，以總線方式控制焊機(jī)和4個移動小車伺服電機(jī)，并通過有線以太網(wǎng)與工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

采用ECMA系列的移動小車伺服電機(jī)作為EtherCAT從站設(shè)備，可與運(yùn)動控制器進(jìn)行通信。

4 控制系統(tǒng)軟件

9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件提供人機(jī)交互界面，方便技術(shù)人員操作；將操作輸入進(jìn)行任務(wù)分解和調(diào)度，并轉(zhuǎn)換成命令消息發(fā)送給下位機(jī)處理。下位機(jī)軟件接收和處理上位機(jī)的命令；并反饋9自由度爬行焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

4.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用Qt5.8編寫，主界面主要分為小車控制區(qū)、機(jī)械臂控制區(qū)、焊接管理區(qū)和日志信息4個區(qū)域，如圖4所示。

圖4 上位機(jī)主界面

小車控制區(qū)對移動小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向和速度控制，通過速度和差速滑條共同設(shè)置左右兩側(cè)輪子的轉(zhuǎn)速，并通過6個方向鍵控制移動小車的前進(jìn)方向；機(jī)械臂控制區(qū)對機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度和末端姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，通過選擇不同的機(jī)械臂控制模式，分別對機(jī)械臂的關(guān)節(jié)和姿態(tài)進(jìn)行控制；焊接管理區(qū)對焊機(jī)進(jìn)行管理，包括焊機(jī)的開關(guān)機(jī)、擺弧控制等；日志信息區(qū)打印9自由度爬行焊接機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告。

上位機(jī)提供3種機(jī)械臂運(yùn)動控制模式：關(guān)節(jié)模式、笛卡爾模式和位置模式，如圖5所示。

圖5 6自由度機(jī)械臂控制模式

關(guān)節(jié)模式可以控制機(jī)械臂的關(guān)節(jié)按自定義的速度和加速度連續(xù)轉(zhuǎn)動；笛卡爾模式可調(diào)整機(jī)械臂末端位姿；位置模式在關(guān)節(jié)角度輸入框中輸入角度，可控制機(jī)械臂運(yùn)動到自定義位置。

為方便用戶直觀地了解9自由度爬行焊接機(jī)器人的運(yùn)動情況，設(shè)計(jì)機(jī)械臂和移動小車狀態(tài)顯示界面，如圖6所示。

圖6 機(jī)械臂和移動小車狀態(tài)顯示界面

4.2 下位機(jī)軟件

下位機(jī)軟件基于ROS環(huán)境開發(fā)，由多個ROS節(jié)點(diǎn)組成，節(jié)點(diǎn)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 下位機(jī)ROS節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

RobotCommand節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)指令，轉(zhuǎn)換成ROS消息包發(fā)送給RobotControl節(jié)點(diǎn)。

RobotRespond節(jié)點(diǎn)反饋9自由度爬行焊接機(jī)器人實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給上位機(jī)。

RobotControl節(jié)點(diǎn)是9自由度爬行焊接機(jī)器人底層控制節(jié)點(diǎn)，包括對機(jī)械臂、移動小車及焊機(jī)的讀寫功能。

CarPlaning和Tracking是運(yùn)動規(guī)劃節(jié)點(diǎn)，規(guī)劃包含9自由度爬行焊接機(jī)器人的運(yùn)動參數(shù)命令包，發(fā)送給RobotControl節(jié)點(diǎn)，對9自由度爬行焊接機(jī)器人進(jìn)行控制。

MindVision是焊縫識別節(jié)點(diǎn)，識別焊點(diǎn)在9自由度爬行焊接機(jī)器人坐標(biāo)系下的位姿，并將焊點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送給運(yùn)動規(guī)劃節(jié)點(diǎn)。

5 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文提出的9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)焊縫跟蹤和爬行焊接實(shí)驗(yàn)。焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)在地面進(jìn)行，目的是驗(yàn)證9自由度爬行焊接機(jī)器人能否跟蹤曲線焊縫以及是否具備可接受范圍的焊縫跟蹤精度。爬行焊接實(shí)驗(yàn)在豎直壁面進(jìn)行，目的是驗(yàn)證9自由度爬行焊接機(jī)器人是否具備在立面上邊爬行邊焊接的作業(yè)能力。

5.1 焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)

焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示，焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖如圖8所示。

表1 曲線焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表

圖8 焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖8由焊縫跟蹤過程中4個時(shí)刻的跟蹤場景構(gòu)成，包括焊縫長度、寬度方向的跟蹤場景攝像圖。焊縫長度方向的跟蹤場景主要用于觀察移動小車的移動與焊槍末端的俯仰姿態(tài)；焊縫寬度方向的跟蹤場景主要用于觀察焊槍末端（TCP）與焊縫的對準(zhǔn)情況。

實(shí)驗(yàn)組ST的跟蹤效果通過TCP的跟蹤誤差（即TCP的實(shí)際運(yùn)動軌跡與焊縫之間的偏差）來評估，如圖9所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)組ST實(shí)時(shí)TCP跟蹤誤差

由圖9可知，焊縫跟蹤實(shí)驗(yàn)TCP的跟蹤誤差在±2 mm區(qū)間，說明TCP能保持在焊縫位置。本系統(tǒng)在跟蹤曲線焊縫時(shí)具有可接受的跟蹤精度。

5.2 爬行焊接實(shí)驗(yàn)

在與水平地面夾角為90°的豎直墻面上進(jìn)行爬行焊接實(shí)驗(yàn)，9自由度爬行焊接機(jī)器人能夠自動跟蹤焊縫并進(jìn)行焊接，如圖10、11所示。

圖10 爬行焊接實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

圖11 焊后成型效果圖

由圖11可知，9自由度爬行焊接機(jī)器人能夠穩(wěn)定地吸附在豎直作業(yè)表面并進(jìn)行焊接作業(yè)，焊后焊縫基本成型，說明本系統(tǒng)具備自主爬行焊接作業(yè)能力。

6 結(jié)論

本文提出的9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)可跟蹤曲線焊縫，并在跟蹤曲線焊縫時(shí)的焊縫跟蹤精度可以穩(wěn)定在±2 mm的誤差范圍內(nèi)；具備在立面焊接的基本作業(yè)能力。本系統(tǒng)后續(xù)將圍繞焊縫跟蹤精度提升和結(jié)合焊接工藝的焊槍姿態(tài)優(yōu)化繼續(xù)展開深入研究。

[1] 陳光明,黃旋.基于高壓水射流的船體清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)分析[J].流體機(jī)械,2019,47(9):56-62.

[2] 郜海超,韓海敏,陳會濤,等.針對風(fēng)電機(jī)維護(hù)任務(wù)的爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究[J].機(jī)床與液壓,2018,46(9):13-16.

[3] 俞國慶,王曉佳,郜世杰,等.船舶復(fù)雜曲面爬行機(jī)器人自動焊接的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].船電技術(shù),2018,38(10):5-9.

[4] 張浩,曹立超,周勇,等.基于EtherCAT總線的輕量型爬壁機(jī)器人系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2021,42(4):7-11.

[5] KAM B O, JEON Y B, KIM S B. Motion control of two-wheeled welding mobile robot with seam tracking sensor[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. IEEE, 2003.

[6] 葛文韜.四輪驅(qū)動全輪差速轉(zhuǎn)向移動焊接機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[D].南昌:南昌大學(xué),2012.

[7] 陳錦云.輪足組合越障全位置自主焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[D].上海:上海交通大學(xué),2013.

[8] 吳明暉.面向焊接任務(wù)的輪足式非接觸磁吸附爬壁機(jī)器人研究[D].上海:上海交通大學(xué),2014.

Control System of 9-DOF Crawling Welding Robot

HUA Youshui1ZHANG Hao2LUO Jian1WU Huachang1JIANG Xiaoming2

(1. Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China 2. Institute of Intelligent Manufacturing, Guangdong Academy of Science, Guangzhou 510070, China)

In order to solve the problems of low degree of automation welding in large curved surface welding scene and poor flexibility caused by low degree of freedom of existing crawling welding robot, a control system of 9 degree of freedom crawling welding robot is designed. Firstly, the composition, system framework, software and hardware functions of the control system of the 9-DOF crawling welding robot are introduced; Then, through the curve weld seam tracking experiment and crawling welding experiment, it is proved that the robot control system has the operation ability of vertical welding and the adaptability of curve welding.

9-DOF crawling welding robot; control system; magnetic adsorption; large curved surface welding

TP242.2；TP242.6

A

1674-2605(2022)05-0002-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2022.05.002

廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃（1953211500006）

華攸水,張浩,羅健,等.9自由度爬行焊接機(jī)器人控制系統(tǒng)[J].自動化與信息工程,2022,43(5):8-12.

HUA Youshui, ZHANG Hao, LUO Jian, et al.Control system of 9-DOF crawling welding robot [J]. Automation & Information Engineering, 2022,43(5):8-12.

華攸水，男，1999年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人與自動化。E-mail: h_youshui@qq.com

張浩，男，1993年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人與自動化。E-mail: h_zhang@giim.ac.cn

羅健，男，1998年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人與自動化。E-mail: 798073059@qq.com

吳華昶，男，1997年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)器人與自動化。E-mail: huangchang_wu@163.com

蔣曉明，男，1973年生，博士研究生，主要研究方向：電力電子、數(shù)控技術(shù)與自動化。E-mail: xm_jiang@giim.ac.cn