基于嵌入式运动控制器的弧焊机器人控制系统研究

　　弧焊机器人作为工业机器人中使用最为广泛的一种机器人，其控制系统的研究一直是行业的热点。针对常规示教再现型系统无法满足复杂焊缝加工精度的问题，本文基于GUC-T嵌入式运动控制器设计了一套包括示教再现和视觉传感自动跟踪两大核心功能的六轴弧焊机器人控制系统，借此使用者可以利用示教功能进行非焊缝跟踪任务的示教，利用视觉功能实现焊缝的自动跟踪。围绕该控制系统的设计本课题展开了以下研究工作：

　　首先基于机器人的功能需求和实际工业控制场合特点构建机器人控制系统的硬件结构：针对传统PC系统体积大、实时性差、抗干扰能力弱的问题，本文采用GUC-T嵌入式运动控制器实现机器人的运动规划，同时为了减轻运动控制器的资源负担，引入显控一体计算机构建视觉处理和任务规划子系统模块。

　　对弧焊机器人的运动学模型进行分析。为了满足弧焊机器人焊接过程中的平稳性需求，本文基于雅克比矩阵奇异值分解，提出了一种新的自适应动态阻尼系数构建方式，以此来提高机器人运动规划过程中的奇异鲁棒性，使得机器人在面对奇异问题时能够平稳过渡，在此基础上给出了机器人速度级上的闭环逆解算法。算法通过MATLAB进行仿真验证，并与传统的动态阻尼系数法进行了对比。

　　同样是出于对弧焊机器人运动平稳性的考虑，在轨迹规划时采用正弦曲线优化后的S型加减速算法对空间直线和圆弧进行插补。在姿态规划的过程中，引入单位四元数构造五次样条姿态曲线来实现姿态的高阶连续轨迹规划。针对示教连续轨迹衔接处的速度、加速度突变问题，引入五次贝塞尔曲线来构造过渡段轨迹，并进行了MATLAB的算法仿真验证试验。

　　在视觉跟踪部分，结合点结构光扫描式传感器，构建了手眼方式的焊缝视觉跟踪系统，为了提高手眼标定精度，在五点标定法的基础上利用格拉姆矩阵构造矩阵列向量组的线性无关度度量因子。之后结合分解速度运动控制给出了焊缝实时纠偏的运动控制算法。

　　最后，在硬件平台上搭建嵌入式软件开发环境，为嵌入式运动控制器定制和移植了WinCE操作系统，并基于“HOST/TARGET”嵌入式软件开发模式分别采用QT和VS2008开发嵌入式Linux环境和WinCE环境下的子系统软件，利用TCP/IP协议实现各硬件单元间的信息通讯，通过实验验证了该控制系统的有效性。