轮式移动焊接机器人运动学分析与仿真

两轮差速驱动移动机器人运动模型研究重庆大学硕士学位论文（学术学位）学生姓名：***指导教师：王牛博士专业：控制科学与工程学科门类：工学重庆大学自动化学院二O一三年四月Motion Modeling of Two-wheel DifferentialDrive Mobile RobotA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theMaster’s Degree of EngineeringByMa QinyongSupervisor by Dr. Wang niuSpecialty: Control Science and EngineeringCollege of Automation ofChongqing University, Chongqing, ChinaApril 2013摘要两轮差速驱动移动机器人结构简单，控制方便，是应用最为广泛的一种移动机器人，其运动模型是移动机器人研究的重要内容。

目前，关于两轮差速驱动移动机器人的相关研究中常常忽略了包括移动机器人底层驱动电机动态性能在内的相关动力学因素，但在实际机器人系统中，由于机器人载重等变化会引起驱动系统负载发生变化，从而影响驱动系统的动态响应过程，导致机器人的运动状态发生改变。

而两轮差速驱动移动机器人是一个多输入多输出的控制系统，其运动学模型具有典型的非完整约束，各驱动回路往往采用内部带有非线性环节的双闭环控制系统，是一种具有多个非线性环节的非线性系统，必须采用非线性建模方法建立模型，因此建立考虑移动机器人动力学行为的两轮差速驱动移动机器人运动模型，对于机器人运动的精确描述和控制具有十分重要的理论和实际意义。

基于以上思考，本文采用“类等效”建模方法建立了两轮差速驱动移动机器人运动模型，主要研究工作如下：①提出了基于“类等效”建模方法的两轮差速驱动移动机器人运动模型。

麦克纳姆轮运动学模型麦克纳姆轮运动学模型是一种用于描述麦克纳姆轮机器人运动规律的数学模型。

麦克纳姆轮机器人是一种特殊的机器人，它使用三个或四个麦克纳姆轮进行运动。

这种轮子设计使得机器人能够在水平面上做任意方向的移动，具有极高的机动性和灵活性。

麦克纳姆轮运动学模型的基本原理是通过控制轮子的旋转速度和方向，来控制机器人的移动方向和速度。

在麦克纳姆轮机器人中，每个麦克纳姆轮都可以独立地转动，并且轮子之间的布局形成一个正方形或一个平行四边形。

根据轮子的转动速度和方向的变化，机器人可以向前、向后、向左、向右或斜向移动。

在麦克纳姆轮运动学模型中，使用了一些重要的参数来描述机器人的运动规律。

其中，线速度是机器人在水平面上的移动速度，角速度是机器人绕垂直轴旋转的速度。

通过控制轮子的转动速度和方向，可以精确地控制机器人的线速度和角速度。

麦克纳姆轮运动学模型中的另一个重要参数是机器人的运动方向。

机器人的运动方向可以用一个角度来表示，这个角度被称为偏航角。

偏航角的变化会影响机器人的运动方向，通过调整偏航角，可以使机器人向不同的方向移动。

麦克纳姆轮运动学模型还可以用来计算机器人的位姿，即机器人在水平面上的位置和朝向。

位姿可以用坐标系来表示，通常使用笛卡尔坐标系或极坐标系。

通过计算机器人的位姿，可以确定机器人的位置和朝向，从而精确地控制机器人的运动。

在实际应用中，麦克纳姆轮运动学模型被广泛应用于机器人的运动控制和路径规划。

通过合理地控制轮子的转动速度和方向，可以使机器人实现复杂的运动任务，如直线行走、曲线行走、圆周运动等。

同时，麦克纳姆轮运动学模型也为机器人的自主导航和避障提供了重要的理论基础。

麦克纳姆轮运动学模型是一种用于描述麦克纳姆轮机器人运动规律的数学模型。

通过控制轮子的转动速度和方向，可以精确地控制机器人的移动方向和速度。

麦克纳姆轮运动学模型在机器人的运动控制、路径规划和自主导航等方面具有重要的应用价值。

智能移动机器人运动控制系统及算法设计1、本文概述随着技术的快速发展，智能移动机器人已经渗透到我们生活的每一个角落，从工业制造到家庭服务，从深海探测到太空旅行，到处都是智能移动机器人。

为了使这些机器人能够自主、高效、安全地移动，强大而精确的运动控制系统和算法至关重要。

本文将详细探讨智能移动机器人运动控制系统和算法的设计，以期为相关领域的研究人员和技术人员提供宝贵的参考和启发。

本文将首先概述智能移动机器人的运动控制系统，包括其基本组件、主要功能和设计要求。

接下来，将详细介绍几种常见的运动控制算法，如PID控制算法、模糊控制算法、神经网络控制算法等，并分析它们的优缺点和适用性。

本文将根据具体的应用场景和需求，深入探讨如何设计和优化智能移动机器人的运动控制系统和算法。

在此过程中，将使用示例详细说明算法设计过程、实现方法和性能评估。

本文还将展望智能移动机器人运动控制系统和算法的未来发展趋势，包括与深度学习、强化学习等人工智能技术的结合，以及在自动驾驶、智能家居等新兴领域的应用前景。

通过本文的讲解，读者可以全面深入地了解智能移动机器人的运动控制系统和算法，为未来的研究和应用奠定坚实的基础。

2、智能移动机器人运动控制系统的基本组成传感器模块：传感器是机器人感知外部环境的关键部件，包括距离传感器（如激光雷达和超声波传感器）、视觉传感器（如相机）、姿态传感器（如陀螺仪和加速度计）等。

这些传感器为机器人提供周围环境的信息，如物体的位置、形状、颜色等。

控制决策模块：控制决策模块是机器人的“大脑”，负责处理传感器收集的信息，并根据预设的任务目标或环境变化做出决策。

该模块通常包括一个或多个处理器，运行复杂的控制算法和决策逻辑。

执行器模块：执行器是机器人实现运动的直接部件，如电机、伺服等。

根据控制决策模块的输出，执行器将驱动机器人进行相应的运动，如向前、向后、转弯等。

电源模块：电源模块为整个运动控制系统提供所需的电能。

对于移动机器人，电源模块可以包括电池、电源管理电路等，以确保机器人在执行任务期间有足够的能量供应。

移动式焊接机器人焊缝跟踪控制研究柳长春 郑军 吴峰 潘际銮 （清华大学机械工程系，北京100064）摘要：针对在工业中有广泛应用前景的移动式焊接机器人，建立了机器人的数学模型，并根据工作情况，对其进行了简化处理，在此基础上，设计了控制器，并用李雅普诺夫直接法证明了该控制器的全局一致收敛性。

对于弯曲焊缝跟踪问题，提出采用双线激光视觉传感器检测机器人位置偏差和姿态角偏差，基于姿态角偏差的变化率，在线估计参考角速度的值。

仿真和机器人运动实验验证了该控制方法的有效性。

关键词：移动焊接机器人 焊缝跟踪 李雅普诺夫方法 双线传感器0前言焊接机器人是实现自动焊接的方法之一,已成为焊接自动化一个新的发展方向和研究热点[1]。

移动式机器人具有机构简单、适应性强、能够在非结构环境下进行作业等特点，具有很好的应用前景[2]。

焊缝跟踪效果直接影响着机器人自动焊接的质量。

作为一类典型的非完整系统，移动机器人的路径跟踪近年来引起了科研工作者的重视。

Kanayama 等人采用动态反馈线性化方法获得指数收敛的跟踪控制率，该方法具有阶数高和闭环系统有奇异点的不足[3]。

文献[2, 4]采用backstepping方法，设计了控制器，该控制器具有阶数低的优点，然而，控制器结构复杂，所需反馈量在工程中难以获取。

此外，还有学者研究了模糊控制在机器人路径跟踪中的应用，模糊控制虽然可以实现较大范围的有效跟踪，但模糊控制器性能受人为因素影响很大。

本文对一类新型的，具有四自由度，受非完整约束的焊接机器人，建立其运动模型，设计了焊缝跟踪控制器，并采用李雅普诺夫方法证明了该控制器可以实现跟踪误差的全局收敛，进行了仿真和机器人实验，验证了该方法的有效性。

1 机器人运动学模型机器人结构如图1所示：图 1机器人结构示意图机器人由车体，焊枪，十字滑块组成，焊枪通过十字滑块与车体连接，具有横向自由度，速度为u，图中，t表示焊枪前端，位姿坐标为(,,)Tx y θ，v 表示车体几何中心线速度，w 表示车体角速度。

基于MATLAB的六轴焊接机器人运动学仿真
才洋;于功志
【期刊名称】《新技术新工艺》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】将某符合Pieper准则的六轴焊接机器人作为实验对象,利用
SDH(Standard-Denavit-Hartenberg)方法确定其D-H参数,创建对应的关节坐标系与D-H模型。

基于MATLAB软件中机器人工具箱10.4版本展开运动学仿真,利用齐次变换矩阵与解析法完成对机器人正逆运动学的分析求解,同时验证了机器人运动学建模的合理性。

在MATLAB中完成了轨迹规划与优化,对算法进行了优化、差分与分析。

规划方式分别采用了线性规划与关节空间规划。

对运动轨迹分别采用了五次插值函数、三次插值函数、匀速优化的处理方法。

通过上述实验将优化前后进行比对发现,角速度和角加速度曲线均无骤变现象且到达点位时为零,得到的末端执行器轨迹工整圆滑,充分证明了优化后焊接机器人运动性能的稳定。

【总页数】9页(P32-40)
【作者】才洋;于功志
【作者单位】大连海洋大学航海与船舶工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP242
【相关文献】
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多自由度串联机器人运动学分析与仿真共3篇多自由度串联机器人运动学分析与仿真1多自由度串联机器人运动学分析与仿真随着工业技术的不断发展和普及，机器人系统已经被广泛应用于各个领域，如汽车工业、制造业等。

机器人系统的控制和运动学分析是实现机器人精确控制和操作的重要基础。

本文将介绍多自由度串联机器人的运动学分析以及仿真。

1. 多自由度串联机器人多自由度机器人是指由多个自由度组成的机器人，可以进行更加复杂的操作。

串联机器人是指机器人的多个部分按照一定的顺序连在一起构成的机器人。

多自由度串联机器人是指由多个自由度组成，并且这些自由度按照一定的顺序连在一起构成的机器人。

例如，可以将多个关节连接起来构成一个多自由度关节机器人。

多自由度串联机器人在制造和物流业非常常见。

2. 运动学分析运动学分析是机器人系统控制中非常重要的一部分。

它描述了机器人如何移动和定位，以及如何控制机器人的各个部分进行精确的运动。

运动学分析主要解决以下几个问题：(1) 机器人姿态分析问题。

机器人姿态分析主要是描述机器人末端执行器的空间位置和末端姿态。

(2) 机器人关节角度分析问题。

机器人关节角度分析是指计算机器人各个关节的角度，以确定机器人的运动轨迹。

(3) 机器人轨迹分析问题。

机器人轨迹分析是对机器人运动轨迹进行精确计算和控制，以达到所需的操作目标。

3. 串联机器人的运动学分析多自由度串联机器人的运动学分析可以分为直接运动学和逆运动学两个部分。

(1) 直接运动学直接运动学是一种基于机器人各关节的运动学参数计算出机器人末端执行器姿态和位置的方法。

其公式如下：T_n = T_1 * T_2 * … * T_n-1其中，T_n表示机器人从末端执行器到机器人基座的坐标变换矩阵；T_i表示机器人第i个关节的变换矩阵。

(2) 逆运动学逆运动学是通过机器人末端执行器的姿态和位置计算机器人各关节的角度的方法。

逆运动学公式如下：T_n = T_base * T_tool其中，T_base表示机器人基座的坐标变换矩阵；T_tool表示机器人末端执行器的变换矩阵。

中厚板多层多道机器人焊接路径规划仿真研究中厚板多层多道机器人焊接路径规划仿真研究近年来，随着工业技术的不断进步和自动化水平的提高，机器人在制造业中的应用越来越广泛。

尤其是在焊接行业，传统的手工焊接已经很难满足大规模、高效率和高质量的需求。

而机器人焊接具有操作自动化、速度快、质量稳定等优势，因此被广泛应用于各个领域。

中厚板多层多道焊接是一项复杂的工艺，在机器人焊接中也是一个具有挑战性的任务。

对于传统的焊接路径规划方法来说，由于焊缝的复杂性和焊接速度的要求，使得路径规划变得十分复杂。

而且，中厚板多层多道焊接还需要考虑到热变形等因素，要求机器人在规定的位置焊接，以保证焊接质量。

为了解决中厚板多层多道焊接中的路径规划问题，研究人员开展了仿真研究。

通过建立三维模型，模拟焊接过程，可以对机器人焊接路径进行优化算法的设计和验证，以提高焊接效率和焊接质量。

首先，研究人员将焊接对象进行三维建模，包括中厚板的几何形状、焊缝的位置和尺寸等信息。

然后，确定焊接任务的要求，包括焊接速度、焊接质量等。

接着，结合焊接路径规划原理，设计了一种适合中厚板多层多道焊接的路径规划算法。

路径规划的核心是确定机器人的运动轨迹。

在仿真研究中，可以通过数学建模和计算机模拟，找到最优的运动轨迹。

研究人员可以根据焊接任务的要求设置目标函数，通过不断迭代和优化，得到最佳的焊接路径。

除了机器人的运动轨迹，还需要考虑到工作空间的限制和路径规划的实时性。

中厚板多层多道焊接过程中，机器人需要考虑到焊接速度、焊接角度、避免碰撞等因素，以确保焊接效果和工作安全。

在仿真研究中，不仅可以对路径规划算法进行验证和优化，还可以模拟不同工况下的焊接过程。

通过改变焊接任务的要求、改变焊接材料的性质等参数，可以分析机器人在不同情况下的表现，并对路径规划算法进行改进。

通过中厚板多层多道机器人焊接路径规划仿真研究，可以有效提高焊接效率和焊接质量。

通过优化路径规划算法，将机器人的运动轨迹和工作空间限制结合起来，可以使焊接过程更加稳定、高效和精确。

《装备制造技术》2021年第2期四自由度工业机器人运动学分析与仿真张洪波1,孟丹1,潘宜斌2,冯宝林1,岳亮亮1,李磊1 (1•常州先进制造技术研究所，江苏常州213164:2.合肥固泰自动化有限公司，合肥230051 )摘要：以高粉尘环境下四自由度工业机器人为研究对象，利用D-H法建立机器人运动学方程，求出其位置的解析解，利用solidworks软件建立机器人的三维虚拟样机，并用recurdyn软件进行了运动学仿真验证关键词：工业机器人;运动学分析；运动学仿真中图分类号：TP242.2 文献标识码:A 文章编号：1672-545X(2021 >02-0017-030引言随着人力成本的逐步提高，搬运码垛等运输工 业的发展遭遇了前所未有的掣肘，高速重载工业机 器人技术的研究已成为我国工业领域亟待解决的问 题。

当前，四自由度码垛机器人多是由两个旋转关节 和两个移动关节组成的混联机器人，而四个旋转关 节机器人具有动作灵活、工作空间大、干涉小、结构 紧凑、易密封防尘等优点l h21。

本文采用双平行四边形 串联机构,增加了机器人本体整体刚度，同时可以维 持末端执行机构的水平姿态；对四自由度工业机器 人的四个旋转关节进行结构分析和运动学分析，在 不考虑力与力矩情况下，将机器人相对于固定参考 坐标系的运动作为时间的函数，研究了关节变量和 机器人末端位姿的关系i3'并用recurdyn进行运动 学仿真，验证了机器人数值计算，同时为机器人后续 的轨迹规划,动力学性能分析提供参考。

1机器人结构设计本文机器人的设计负载250 kg，主要由四个旋 转关节组成：（1)转座通过轴线竖直的旋转关节与底 座相连；（2)转座为机器人本体的支撑机构，其上安 装有平衡缸、大臂和副杆连杆；（3)小臂通过电机、减 速器直驱方式安装在大臂关节处，旋转关节处亦为 副杆连杆支撑点；(4)腕部与小臂通过旋转关节相连, 通过副杆连杆和大、小臂形成的平行四边形机构，使 腕部始终保持水平，同时满足腕部的易控性,腕部结 构为法兰盘形式，根据执行机构的不同，连接特定的执行器|51。

SolidWorks机器人运动学和动力学仿真技术研究在现代工业中，机器人技术的发展引领着生产制造的进步。

为了提高机器人的操作效率和准确性，研究人员一直致力于开发先进的仿真技术以模拟机器人的运动学和动力学。

其中，SolidWorks作为一款流行的三维设计软件，提供了强大的机器人运动学和动力学仿真工具，成为了研究人员的首选。

机器人的运动学和动力学是机器人技术中的两个重要概念。

运动学研究机器人的位置、速度、加速度和轨迹，而动力学则研究机器人受力状况以及对环境的相互作用。

运动学和动力学的仿真技术可通过SolidWorks的计算机辅助设计（CAD）环境进行实现。

首先，SolidWorks提供了完善的运动学仿真功能，可以准确地模拟机器人的运动轨迹和工作空间。

研究人员可以根据机器人的几何结构、连接关系和约束条件，使用SolidWorks进行运动学建模和仿真。

通过设置关节的运动范围、限制条件以及工作空间的约束，可以模拟机器人在不同任务下的运动情况。

运动学仿真结果可以帮助研究人员评估机器人的动作是否符合设计要求，并对机器人的性能进行分析和改进。

其次，SolidWorks还提供了强大的动力学仿真功能，可以模拟机器人受力情况和对环境的相互作用。

在机器人执行任务时，会受到来自外界的力和力矩，这些外界力会影响机器人的稳定性和动作效果。

通过建立机器人的物理模型，并加入机器人和环境之间的力学力和接触力，可以准确地模拟机器人在各种工作负载和环境条件下的动力学行为。

动力学仿真结果可以帮助研究人员评估机器人的可靠性和稳定性，为设计优化提供指导。

除此之外，SolidWorks还具有其他与机器人运动学和动力学仿真相关的功能。

例如，通过SolidWorks的可视化工具，研究人员可以实时观察机器人的运动过程，并生成动画以及运动轨迹图。

同时，SolidWorks还允许用户对机器人的设计进行参数化建模和优化，在仿真分析的基础上进行机械结构的改进、工作效率的提高等。

第I 页共I 页目录1 绪论 (1)1.1选题的依据及意义 (1)1.2 研究现状及发展趋势 (1)1.3本课题的研究设计内容及方法 (3)1.4课题的完成情况 (5)2 焊接机器人机构运动学分析 (6)2.1运动学分析数学基础-齐次变换（D-H变换） (6)2.2 变换方程的建立 (7)2.3运动学分析处理方法 (9)2.4逆解过程 (10)2.5本章小结 (28)3结构设计 (30)3.1小车行走结构设计 (30)3.2 摆动关节电机选择 (36)3.3本章小结 (36)结束语 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录 (41)1 绪论1.1 选题的依据及意义这里介绍该课题的选题背景，以及完成该课题的意义。

1.1.1 选题的依据针对集装箱波纹板焊接自动化水平低的现状：目前用于焊接集装箱侧板与顶侧梁、底侧梁的自动焊专机，由于在焊接过程中，焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角（焊接工艺参数也未有变化），如图1.1所示，在直线段与在波内斜边段，焊接速度方向恒为水平向右，而焊枪与焊缝保持垂直，故焊枪与焊接速度的夹角不能保持恒定，直接导致在直线段的焊缝成形与在波内斜边段的焊缝成形不能保持一致，进而导致在直线段焊接与在波内斜边段焊接的焊缝的质量不一样，进而制约集装箱的生产质量[1]。

图1.1 集装箱波纹板示意图1.1.2 选题的意义通过完成该课题，即设计出集装箱波纹板三自由度焊接机器人及对其进行运动学分析，能够解决在焊接过程中焊枪不能随波形的变化调整与焊枪速度的夹角这个问题，使得在直线段与在波内斜边段焊接时，焊枪与焊缝都保持垂直，相对于焊缝的焊接速度都恒为同一速度，进而能够提高在直线段与在波内斜边段的焊缝成形的一致性，提高集装箱的生产质量。

1.2 研究现状及发展趋势这里的研究现状及发展趋势包括三个方面：前面也提到这里的集装箱波纹板三自由度焊接机器人（为移动焊接机器人）是为提高焊接自动化水平的，故这里为移动焊接机器人的研究现状及发展趋势；关于结构设计方面的研究现状及发展趋势；关于运动学分析的常用方法[5]。

两轮差速运动学模型正逆解
两轮差速机器人是一种常见的移动机器人类型，它由两个驱动轮组成，每个驱动轮都可以独立地控制。

差速驱动机器人的正运动学模型用于计算机器人的位置和姿态，而逆运动学模型则用于确定驱动轮的速度以实现期望的机器人运动。

首先，让我们来看看两轮差速机器人的正运动学模型。

正运动学模型用于根据驱动轮的速度来计算机器人的位姿。

假设机器人的轮子半径为R，轮距（两个驱动轮之间的距离）为L，左右轮的速度分别为v_l和v_r，机器人的线速度v和角速度ω可以通过以下公式计算得出：
v = (v_l + v_r) / 2。

ω = (v_r v_l) / L.
接下来是逆运动学模型。

逆运动学模型用于确定每个驱动轮的速度，以实现期望的机器人运动。

假设机器人期望的线速度为v，角速度为ω，可以通过以下公式计算出左右轮的速度：
v_l = v ω L / 2。

v_r = v + ω L / 2。

这些公式提供了两轮差速机器人的正逆运动学模型。

通过这些模型，可以精确地控制机器人的运动，使其能够在给定的速度和角速度下移动到期望的位置和姿态。

当然，在实际应用中，还需要考虑到一些因素，例如摩擦、惯性等，以获得更精确的控制效果。