本發(fā)明涉及鋼結(jié)構(gòu)拱橋施工裝備，具體來說涉及一種吊裝焊接機(jī)器人及其路徑規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、鋼管混凝土拱橋拱肋施工中最重要的工序之一就是拱肋焊接。由于施工現(xiàn)場條件有限，目前國內(nèi)外傳統(tǒng)的焊接方法均依賴于工人高空作業(yè)，不僅工作強(qiáng)度大，而且在焊接過程中無法保障工人安全。另外，人工焊接的焊接效率與焊接質(zhì)量受工人技術(shù)水平的直接影響，并且拱橋進(jìn)度受到天氣環(huán)境影響。而現(xiàn)有的路徑規(guī)劃算法效率慢、準(zhǔn)確性低，嚴(yán)重限制了焊接機(jī)器人工作的效率。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種吊裝焊接機(jī)器人及其路徑規(guī)劃方法，解決工人高空焊接工作強(qiáng)度大、焊接精度低、焊接質(zhì)量差的問題，提升焊接工作效率、增加高空作業(yè)安全性，并提高了焊接機(jī)器人路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案：

3、本發(fā)明所述一種吊裝焊接機(jī)器人，包括焊接機(jī)械臂、焊接機(jī)器人底座、焊接拱肋、液壓機(jī)構(gòu)和輔助機(jī)器手。焊接機(jī)器臂和輔助機(jī)器手通過螺栓連接固定在焊接機(jī)器人底座上，承擔(dān)焊接和調(diào)整機(jī)器人工作姿態(tài)的任務(wù)。焊接機(jī)器人底座的底座連接蓋下方設(shè)有液壓機(jī)構(gòu)，液壓機(jī)構(gòu)用于控制焊接機(jī)器人底座姿態(tài)，完成其對焊接拱柱的加緊工作。

4、作為優(yōu)選的焊接機(jī)器臂，該機(jī)器臂為四自由度機(jī)器臂，具有舵機(jī)進(jìn)行閉環(huán)驅(qū)動控制，確保滿足機(jī)械臂運(yùn)動過程中的穩(wěn)定性、精確性、扭矩和速度的需求。其中所述的焊接機(jī)器臂通過螺栓固定在焊接機(jī)器人底座上；機(jī)器臂底座上側(cè)裝有第一舵機(jī)，所述第一舵機(jī)輸出軸與舵盤相扣合，舵盤與驅(qū)動第一旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相連接；所述第一關(guān)節(jié)兩側(cè)分別裝有第二舵機(jī)和第三舵機(jī)，所述第二舵機(jī)與第三舵機(jī)輸出軸與舵機(jī)相扣合，舵機(jī)與第二關(guān)節(jié)通過螺栓連接；所述第二關(guān)節(jié)一側(cè)鏈接第四舵機(jī)，所述第四舵機(jī)輸出軸與舵盤相扣合，舵盤與第三關(guān)節(jié)相連接；所述第三關(guān)節(jié)一側(cè)連接第五舵機(jī)，第五舵機(jī)輸出端與舵盤相扣合，舵盤與第四關(guān)節(jié)相連接；所述第四關(guān)節(jié)連接焊槍，通過焊槍進(jìn)行焊接作業(yè)。

5、作為優(yōu)選的焊接機(jī)器人底座，由三個底座連接蓋、兩個底座邊抓、兩個底座半邊抓拼接而成。每個底座連接蓋下側(cè)均裝有液壓機(jī)構(gòu)，液壓機(jī)構(gòu)兩頭分別連接邊抓或半邊抓，通過控制邊抓與底座半邊抓的開合控制焊接機(jī)器人底座對拱肋抱緊工作。

6、作為優(yōu)選的輔助機(jī)器手，輔助機(jī)器手為四自由度機(jī)器臂，但其第四關(guān)節(jié)處連接的為機(jī)器手裝置。該機(jī)器手裝置由機(jī)器手控制舵機(jī)驅(qū)動，通過機(jī)器手控制舵盤傳動至機(jī)器手連桿，通過機(jī)器手連桿的擺動控制機(jī)器手爪片的開合。

7、作為優(yōu)選的液壓機(jī)構(gòu)，底座鏈接蓋內(nèi)側(cè)裝有液壓缸與液壓桿組成液壓機(jī)構(gòu)。

8、所述一種吊裝焊接機(jī)器人的施工方法，具體步驟如下：將該吊裝焊接機(jī)器人吊裝至拱橋焊接工作位置，利用液壓機(jī)構(gòu)將焊接機(jī)器人底座緊固在焊接拱肋上，利用輔助機(jī)器手對機(jī)器人進(jìn)行定位、對齊等操作，并將焊接機(jī)器臂調(diào)整至工作位置，接下來進(jìn)行焊接。經(jīng)過上述步驟實現(xiàn)對高空拱橋的全自動焊接。

9、所述一種吊裝焊接機(jī)器人的采用動態(tài)加權(quán)a*算法，動態(tài)加權(quán)a*算法基于傳統(tǒng)a*算法，優(yōu)化其代價函數(shù)如下式所示：

10、f*(n)＝g*(n)+ω(p)*h(n)

11、其中，f*(n)為優(yōu)化后的代價估計函數(shù)，g*(n)為增量起始目標(biāo)到目標(biāo)n的代價，相對于傳統(tǒng)的函數(shù)，本函數(shù)在每次算法迭代中動態(tài)更新起始點位置，以五次迭代前的位置作為動態(tài)起始點。ω(p)為加權(quán)函數(shù)，其值介于0與1之間；對于函數(shù)采用動態(tài)加權(quán)的方法，將dijsktra算法核心思想通過逐步擴(kuò)展最短路徑樹來找到從起點到所有其他節(jié)點的最短路徑與貪婪最佳優(yōu)先搜索算法平滑插值。

12、使用曼哈頓距離作為啟發(fā)函數(shù)，如下式所示：

13、d(x,y)＝|xi-xj|+|yi-yj|

14、其中其中各參數(shù)的具體含義如下:

15、d(x,y)為曼哈頓距離，xi為點i的橫軸坐標(biāo)，yi為點i的縱軸坐標(biāo)，xj為點j的橫軸坐標(biāo)，yj為點j的縱軸坐標(biāo)。

16、所述一種吊裝焊接機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法包括以下步驟：

17、s1:獲取機(jī)械臂在三維空間中的初始信息，確定機(jī)械臂的幾何結(jié)構(gòu)和運(yùn)動學(xué)參數(shù)，包括關(guān)節(jié)數(shù)、連桿長度、關(guān)節(jié)限制等。

18、s2:根據(jù)目標(biāo)設(shè)定，確定末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。

19、s3:使用動態(tài)加權(quán)a*算法進(jìn)行路徑規(guī)劃，在找到路徑后，使用b樣條曲線來優(yōu)化路徑，使其更加平滑，減少不必要的轉(zhuǎn)彎和拐角。

20、s4:通過逆運(yùn)動學(xué)計算，使用dh參數(shù)建立數(shù)學(xué)模型，從而得到末端執(zhí)行器到每一個關(guān)節(jié)的坐標(biāo)變換。通過三次樣條插值將路徑轉(zhuǎn)換為具體的軌跡，利用梯度速度剖面對路徑上的各關(guān)節(jié)進(jìn)行速度和加速度配置。

21、s5:將規(guī)劃出的軌跡輸入到控制系統(tǒng)中，控制機(jī)械臂按照計劃的軌跡運(yùn)動。

22、經(jīng)過改良后的a*算法相比于傳統(tǒng)a*算法，在計算中采用動態(tài)起始節(jié)點，優(yōu)化了傳統(tǒng)a*算法對起始點過度計算的缺陷，將g(n)函數(shù)計算過程大幅度縮減，減少節(jié)點遍歷次數(shù)，解決了傳統(tǒng)a*算法對內(nèi)存占用大、計算復(fù)雜度大的缺陷。

23、h(n)作為啟發(fā)函數(shù)在a*算法中的作用為加入貪心算法指引正確的擴(kuò)展方向，若對其加權(quán)為0則a*算法退化為迪杰斯特拉算法，對其進(jìn)行動態(tài)加權(quán)，則可控制貪心算法在a*算法中的占比。在算法開始時減少h(n)函數(shù)權(quán)重比例，利用迪杰斯特拉算法確保找到最短路徑的特性對算法進(jìn)行全局規(guī)劃，優(yōu)化算法的準(zhǔn)確性。在算法結(jié)束時增加權(quán)重，增加當(dāng)前節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點估值，增強(qiáng)局部最優(yōu)解對算法影響更快速地得到優(yōu)化后的計算結(jié)果。

24、本發(fā)明獲得的有益效果是：

25、1、該發(fā)明利用液壓機(jī)構(gòu)將焊接機(jī)器人底座緊固在焊接拱肋上，利用輔助機(jī)器手對機(jī)器人進(jìn)行定位、對齊等操作，并將焊接機(jī)器臂調(diào)整至工作位置，實現(xiàn)對高空拱橋的全自動焊接。

26、2、該發(fā)明機(jī)器臂采用舵機(jī)驅(qū)動，舵機(jī)響應(yīng)速度較快，能夠快速調(diào)整到目標(biāo)位置，這使得機(jī)器臂在焊接作業(yè)中焊接速度快，完成效率高。

27、3、該發(fā)明焊接機(jī)器臂為四自由度機(jī)器臂，具有出色的靈活性和功能性，允許其在工作空間中自由移動和定位，從而提高焊接效率。兩個焊接機(jī)械臂的設(shè)置，一次固定即可完成拱肋一周的焊接，不需要頻繁調(diào)整焊接機(jī)器人的位置。并且輔助機(jī)器手可以實現(xiàn)輔助焊接，更精確地定位和調(diào)整機(jī)器人和焊接拱肋的位置和姿態(tài)。

28、4、該發(fā)明的焊接質(zhì)量高，焊接機(jī)械臂能夠精確控制焊接的位置、速度和力度，保證焊接過程中的穩(wěn)定性和一致性。

29、5、該發(fā)明操作簡單，使用動態(tài)加權(quán)優(yōu)化后的a*算法進(jìn)行路徑搜索，減少操作員的工作強(qiáng)度。

30、6、該發(fā)明實現(xiàn)高空焊接智能化，該發(fā)明引入焊接機(jī)械臂進(jìn)入焊接系統(tǒng)，能夠在復(fù)雜空間中完成焊接任務(wù)。并且可實現(xiàn)舵機(jī)的實時編程，通過調(diào)整焊接機(jī)械臂位置，實現(xiàn)焊接的精準(zhǔn)控制和調(diào)節(jié)。采用動態(tài)加權(quán)優(yōu)化后的a*算法，提高了機(jī)器人尋跡的效率。

31、7、該發(fā)明減小了對工作人員身體健康影響，現(xiàn)了對高空拱橋拱肋的全自動焊接，顯著減少了人工進(jìn)行高空焊接作業(yè)的需求。這不僅大幅降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，同時有效保障了工作人員的安全，進(jìn)一步減少了因高空作業(yè)而可能帶來的健康風(fēng)險。