文摘

机器人系统利用近年来在无损检测领域。然而,只有很少有研究关注应用程序复杂工件的超声检测机器人系统。6自由度机器人的逆运动学问题解决之前,超声检测任务。一个新的有效的解决方案与一个6自由度机器人曲面扫描系统提出了这项研究。采用新的arm-wrist分离方法解决逆问题的机器人系统。八个关节角的解决方案可以与拟议中的收购了逆运动学方法。采用最短的距离规则优化逆运动学解。最好的关节角标识解决方案。此外,一个3 d程序软件开发来模拟超声轨迹规划较薄工件的6自由度机器人。最后,扫描方法的有效性验证基于C-scan与曲面工件的结果。 The developed robot ultrasonic testing system is validated. The proposed method provides an effective solution to this problem and would greatly benefit the development of industrial nondestructive testing.

1。介绍

超声检测作为一种重要的无损检测方法在许多应用程序测试复合材料内部缺陷的简单结构。然而,复合材料的制造技术与一个复杂的形状,例如弯曲形状,变厚度,和复杂的旋转结构,发展迅速。因此,复杂结构的自动检测已成为一个挑战。

关节机器人六自由度(自由度)可以达到任何位置和姿态在其操作范围;检查问题可以解决这个关节机器人结合超声波测试技术(1]。在这样一个自动超声检测系统,检测路径的优化和仿真非常重要,这样机器人扫描这些复杂的结构可以根据合理的跟踪操作。许多研究人员(2- - - - - -5)从事一般6 r串联机器人的逆运动学。机器人仿真是基于机器人运动学。Yu et al。6)建立了一个6 r系列使用OpenGL的机器人,并进行了运动仿真。李和梁(7)提供了一个消除合成过程运用复数矢量法和理论。然而,消除过程的几何解释不能完全显示,因为它的复杂性。建立一个共同的逆算法,分析方法(8,9),几何方法(10,11),和数值方法12)是所有发达国家解决这个问题是很困难的。王等人。13史陶比尔]提供了一个初步的逆运动学方法的机器人。然而,这种方法不能解释这些解决方案的优化。

一种新的进化arm-wrist分离方法用于本研究制定一般6自由度机器人的运动学方程。逆运动学只有八个解决方案;因此,降低求解上的困难。用优化方法,优化解决方案的轨迹可以发现。创建一个3 d程序软件来模拟超声轨迹规划。基于功能,随后的三个关节轴相交于一点,arm-wrist分离方法采用部分2解决机器人的逆运动学。此外,规则是最短的距离采用部分3优化结果(14]。一个3 d程序开发软件也为较薄工件模拟超声轨迹规划。最后,用曲面工件检测机器人。实验结果验证了该方法的有效性和可行性。仿真和实验结果部分所示4,本文结尾部分的结束语5。

2。逆运动学解

Denavit和Hartenberg d - h方法建立15,16),通常是利用机器人运动学模型。逆运动学解使用位置和姿态机器人末端执行器,解决关节角。一个arm-wrist分离方法被用于这项研究。

在TX90 XL机器人,最后三个关节的轴线相交于一点,这称为点。点的位置独立于过去三关节,,。因此,只有前三关节时应该考虑解决点的位置。这些关节的主要内容是arm-wrist分离方法。位置和姿态,矩阵可以从d - h模型实现。的位置表示为。

点的位置可以被描述为

2.1。解决方案的手臂关节角,,

点的位置从齐次变换矩阵可以确定,这是来自,,,。考虑

在上面的表达式中,

的元素可以得出如下:

以下可以通过计算获得(4)×+ (5)×。考虑

的解决方案可以通过解决(7)。因此,

以下可以通过计算获得(4)×(5)×。此外,

TX90 XL的机器人,可以获得(9)如下:

我们可以获得通过求解(6)如下:

代入方程(10)和(11)的收益率

的解决方案是通过解决(12)。考虑 在哪里

执行计算的结果(10)/ (11)是

解决方案(15)是,我们有

2.2。解决方案的手腕关节角

机器人的姿态控制的旋转矩阵,和的方向是所描述的。描述的工具末端执行器的方向。之间的关系和是。矩阵可以被描述为

可以计算如下:

当,

当,手臂在奇异位置链接轴4、5、6共线。这种情况只有一个机器人的运动形式工具方面,方向是计算的和或差和。通常,当前的价值使用。

根据(17),当,

当的当前值也利用因为这样类似于价值的决心。

3所示。逆运动学的优化解决方案

获得的方程,显示两个根;因此,机器人有八组的逆运动学解对应于相同的位置和姿态。对机器人的运动学,数量的解决方案,需要一个合适的算法选择一组值作为机器人的逆解。

八组的解决方案,有几种解决方案真正的解决办法,但有些可能是虚构的方案。在传统的逆运动学计算方法,结果反正切函数的双变量。如果路径轨迹有奇异点,然后联合跳180°。实现平稳运动是困难的,因为很长一段时间要把机器人的关节旋转180°,和整个运动过程是缓慢的。我们提出了一种逆优化方法根据逆函数的完整解决方案。比较的结果与相应的关节变量的实际范围表明,联合的结果。所有的三角函数并没有改变。这个条件阻止了奇异点跳和维护的连续性轨迹。关节的实际范围如表所示1。优化流程如图1。

最短的距离加权计算方法是选择最合适的解决方案开发的下一个轨迹点。各关节运动的影响相同的角度对整个机器人是不一样的。关节1移动角的影响比联合6的影响。成立一个six-weighted因素代表联合旋转效应对整个机器人。加权系数很大,整个机器人的影响是显著的,这不是最优结果,可用于轨迹。最短的距离加权计算方法可以表示为 在哪里解决方案的效果吗点的轨迹。的加权因素吗联合。是关节角的th轨迹点,是关节角的轨迹点。如果很小,那么解决方案对机器人的影响很小,这是轨道的最优解。

基于最短的距离原则,一组关节角接近关节角的当前值被选中。逆运动学解决方案优化的过程如图2。

4所示。运动学仿真和实验的结果

验证理论的发展和结论,代表在实验室进行了模拟。测试床是由工业机器人由史陶比尔Faverges SCA,法国。外部电脑被用作顶层控制器来实现所有的控制器逻辑。

驾驶机器人末端执行器的任意点和记录机器人的关节,,,,,控制器面板形式。机器人的坐标位置和姿态的配置如下:

这些位置和方向配置被替换成机器人逆运动学方程。提出了逆运动学方法,关节角获得了八的解决方案,如表所示2。

我们考虑的情况下的关节轨迹。唯一的解决办法就是优化关节。用最短的距离规则,八个解决方案与当前位置和方向的关节角。适当的关节角可以确定为,,,,,。结果表明,获得的解决方案是完全正确和有效的。

一组轨迹检查任务的圆柱形工件图所示3。这是一段圆弧轨迹。测试圆柱工件时,应沿法线方向传感器。因此,向圆心方向。的设在沿切线方向运动。CATIA的轨迹生成,然后用MATLAB优化。

轨迹分为100离散点。共同解决方案可以解决逆运动学方法的部分2。六个关节角的运动轨迹可以通过使用100的解决方案。机器人的关节位置如图所示4。关节的轨迹4展品奇点。轨道有一个180°突然改变。

上面的轨迹再优化的优化方法。新的轨迹如图5。在整个过程中,没有发生很大程度上失败。这一发现证明了逆运动学的方法是可行的。

基于该算法的正确性,与OpenGL 3 d程序软件是建立技术来模拟超声轨迹规划(17]。OpenGL的三维实体建模场景如图6。现场显示机器人的运动轨迹。它提供了一个良好的平台,进一步研究和验证解决轨迹规划和误差补偿的问题。

真正的超声检测实验配置如图7。测试工件是一个厚圆柱标准人工缺陷。传感器是机器人的末端执行器。水喷射单元夫妇这些传感器与工件表面。超声波测试系统负责数据采集和处理。根据轨迹规划,机器人的关节角可以计算。

图8以“钻头”展示了一个人工缺陷形状弯曲的复合工件的生产。机器人控制扫描曲面,同时收集a扫描数据在每个给定的位置。利用数据创建一个图像被称为C-scan图像与数据处理。超声波C-scan图像显示在电脑。检查路径的有效性我们提供证明是好的协议C-scan结果和图像之间的人工缺陷。

5。结论

一种简单而有效的方法的逆运动学问题给出了一个工业机器人系统。采用arm-wrist分离方法解决与六自由度机器人的逆运动学。就可以避免大量的复杂的矩阵运算,解决方案过程并不是费时。

借助标准,最短的距离方向离当前位置和方向可以选择从八arm-wrist分离方法提供的解决方案。这些标准可以确保机器人运动的连续性。这种方法主要是考虑连续性的角运动。然而,“障碍回避”的原则和“最佳力量”在一些情况下也会被考虑。

基于OpenGL 3 d程序软件开发技术。仿真较薄工件的超声轨迹规划中包含的软件。建立了机器人超声测试系统测试较薄工件。C-scan结果令人满意,验证该方法的正确性和有效性。逆运动学方法的应用将预示着一个新的方法在机器人无损检测行业。与此同时,复杂的矩阵运算大大限制传统的逆运动学方法。该方法提供了一个有效的解决这个问题和工业无损检测的发展大有裨益。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的国际科技合作计划(批准号2012 dfa70260)和中国国家科技重大项目(批准号2011年zx04014 - 081)。