专题综述
上海交通大学材料科学与工程学院(200030) 张 轲 吕学勤 吴毅雄
中国航天科技集团第四研究院(西安市 710025) 王常建
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摘要 将移动机器人技术和焊缝跟踪技术结合起来构成移动式的焊接机器人，在大型结构件的自动化焊接中，有着广阔的应用前景。研究了移动焊接机器人的关键技术，并对移动焊接机器人在国内外的研究现状及发展趋势进行了比较全面地介绍。关键词: 移动焊接机器人 焊缝跟踪 控制器架构 磁吸附
RESEARCH STATUS
AN D DEVE LOPMENT TREN D ABOUT
MOBI LE WE LDING R OBOTS
Shanghai Jiaotong University Zhang K e , L üXueqin , Wu Yixiong The F ourth Academic of C AS
C
W ang Changjian
Abstract M obile robot technology and seam tracking technology combines to form m obile welding robot.Without question ,it will be widely used in the automatic welding of large welding structures.This paper analyzes key techniques of welding m obile robot ,and presents the research status about welding m obile robot at home and overseas all -around.
K ey w ords : mobile w elding robot , seam tracking , architecture of controller , m agnetic adhering force
0 序 言
随着工业水平的发展，重要的大型焊接结构件的
应用越来越多，其中大量的焊接工作必须在现场作业，如大型舰船舱体、甲板的焊接、大型球罐(储罐)的焊接等。无疑，将机器人技术和焊缝跟踪技术结合将有效地解决大型结构件野外作业的自动化焊接难题，有关这方面的研究也逐渐引起了广大焊接工作者的关注。如图1所示，移动焊接机器人一般由焊缝跟踪传感器、 图1 移动焊接机器人组成示意图
移动机器人本体、焊炬微调机构及控制器等几部分组成。本文将对移动焊接机器人所涉及的关键技术的应用和发展及国内外的研究现状作一个较为全面的综述。1 移动焊接机器人的关键技术
为了适应野外自动化作业的需要，要求移动焊接机器人能够在平面、球面或是弧面上，都能有较大的动作范围，或者说只受电缆限制不受机构限制；在全位置焊接时，还要求能够吸附在工件上爬行。研究这样的智能系统，必须解决以下几个方面的问题：机构方面，必须具有最为合理的自由度配置形式，同时要尽量使机构轻便、运动灵活；自动跟踪传感与闭环控制方面，研究最佳的信息传感方式，使系统具有最强的实时性；控制器方面，研究最合理有效的协调各自由度运动控制的原理与方法。所以，移动焊接机器人的关键技术是传感技术、行走机构、控制技术、磁吸附技术及控制器架构等。
频偏>gps信号转发器1.1 信息传感技术
在焊缝跟踪系统中，传感器是关键，它决定着整个系统对焊缝的跟踪精度[1,2]。在焊接过程中，传感器必须精确检测焊缝(坡口)的位置及形状，在电弧焊接过程中，存在强烈的弧光、烟尘、飞溅、高温辐射及强烈的电磁场干扰等。因此，用于电弧焊接的传感器必须具有很强的抗干扰能力。
目前在移动焊接机器人上采用的传感器主要是电弧传感器、机械传感器及视觉传感器等。电弧传感器是从焊接电弧自身直接提取焊缝位置偏差信号，不需要在焊上附加任何装置，因此其实时性好，可达性及焊运动的灵活性都非常好，尤其符合焊接过程低成本自动化的要求。它是利用电弧自身电参数的动静态变化作为特征信号，通过一定的控制策略实现高低及水平两个方向的跟踪控制。但它主要适用于具有对称形状的坡口焊缝跟踪，并且对定位焊点等特殊情况难于识别。
定心支片
典型的机械接触式传感器是依靠导轮或者导杆在焊炬前方检测焊缝位置，通过焊缝形状对导杆或者导轮的强制力来导向，将焊缝偏差信息反映到检测器内，从而实现焊缝跟踪。接触传感器结构简单，操作方便，价格便宜且不受电弧烟尘及飞溅等干扰，但由于它信息量少，在移动焊接机器人中，主要是与其它传感器配合来完成焊缝跟踪任务，一般不独立使用。
采用视觉传感器是焊缝跟踪传感器发展的必然趋势。面阵CC D成像提供的信息量丰富，适应能力强，通过计算机处理，可以充分发挥它的智能，但造价昂贵，信息处理时间长，实时性差，其应用受到一定的限制。线阵CC D传感器虽然只能获得一维图象，所提供的信息量少，但这些信息都十分关键，能满足智能控制的需要。此外，其价格相对低廉，信号处理过程简单，响应速度快，实时性强，更宜于在生产中推广应用。而基于三角测量法原理的激光视觉扫描传感器，通过实时扫描焊接坡口横截面，不但可以获得焊炬与坡口之间的二维偏差信息，还可以检测坡口的形状，因此它既可以用于焊缝的二维跟踪，又可以用于焊接参数的控制。
多传感器信息融合技术。移动焊接机器人与一般的焊缝跟踪系统不同，它现场作业时，空间约束小，自由度大，在焊接过程中具有一定的自主性。现代焊接技术的发展，使焊接系统更加趋于网络化、柔性化和集成化。在焊接过程中，不但要求系统能够进行焊缝跟踪，可能还要求进行焊接参数的自动控制，或者需要在非常复杂的焊接空间完成焊接任务。因此，多传感信息融和技术是移动焊接机器人传感器技术发展的必然趋势。
1.2 行走机构
移动机器人的行走机构一般有履带式、轮式、步行式和爬行式等[3]，目前移动焊接机器人的行走机构主要是履带式和轮式两类。履带式移动机器人优点是着地面积大，壁面适应能力强，通过电磁铁吸附控制吸附壁面力的大小，缺点是结构复杂，转向性差，所以这种结构适用于壁面、球面、管道等曲面上的爬行焊接。轮式移动机器人优点是移动速度快，转向性好，但着地面积小，壁面适应性差，所以这种结构适应平面横向大范围变化焊缝的焊接和坡度不是很大的斜面爬坡焊接，由于这种移动机器人结构相对简单，所以目前在焊接及其它行业中用得都比较多。
1.3 智能控制技术
移动焊接机器人是一个具有空间多自由度的智能焊缝跟踪系统，它本身具有一定的自主性、对外的感知能力和局部的对跟踪路径的自主规划能力等。在焊缝跟踪的过程中，不但要实时调整焊炬与焊缝之间的偏差，还需要实时调整机器人本体在焊接空间的位姿。显然，要用精确的数学模型来描述这样复杂的系统是比较困难的，这种情况下，经典控制理论就难以获得满意的效果，采用先进的信息传感技术并在跟踪系统中引入模糊控制、神经网络等智能控制技术就是一个必然趋势。
1.4 控制器架构
采用何种控制器架构，与传感器的选择、处理信息量的大小和系统的复杂程度等有关。综合国内外的研究来看，目前主要有以下几种控制器架构:
(1)PC机+运动控制器架构 这是基于Windows 的移动焊缝跟踪系统，这种架构一般是采用了摄像式视觉传感器，需要处理的信息量大，如CC D结构光式传感器来获取焊缝偏差信息。传感器将采集到的电弧区图象信息送到工控机，工控机对图象信息进行处理后，获得焊缝偏差量，将这个偏差量送到专门的运动控制器，从而调节焊炬或者机器人本体的位姿。这种架构的优点是对信息的处理能力极强，操作直观，不但可以进行焊缝跟踪，同时还可以对焊接参数进行自动控制，也可以方便地与焊接周边设备进行柔性化集成。缺点是控制系统庞大，移动不方便。对有些野外作业场合不太合适。
(2)P LC+MC U架构 P LC(可编程控制器)编程简单、稳定、可靠、抗干扰能力强，而MC U(微控制器)对信号的处理能力强。将二者结合起来，可以充分发挥二者
的优势.现在很多P LC可编程控制器都内嵌MC U，所以以此为核心构建的控制系统，体积小、功能强，比较适合移动焊接机器人这种场合。
(3)DSP+FPG A+MC U架构 DSP(数字信号处理器)和FPG A可编程逻辑阵列的出现是现代电子技术发展的一个里程碑。利用功能强大的DSP作为整个控制系统的核心,MC U作为专门的运动控制器，而FPG A综合控制系统外围所有的数字逻辑，这样的控制系统结构简洁、体积小巧、移动方便、功能强
大，而且利用其C AN总线很容易与焊接电源、翻转机构等焊接周边外围设备柔性化集成。作者认为，这样的控制器体系架
构，是移动焊接机器人比较理想的体系架构。
1.5 磁吸附技术
移动焊接机器人可能要求在球面、弧面甚至壁面上能够行走，即使在平面，也要求行走时机构不要打滑。因此，磁吸附技术也是移动焊接机器人的一项关键技术。磁吸附方式分电磁体式和永磁体式。电磁体式维持电磁吸附力需要电力，但控制较方便；永磁体式不受断电的影响，使用中安全可靠，目前研究比较多的还是永磁体式。磁吸附又有多种形式，如轮式、步行式、履带式及吸盘式等，它们各有优缺点。车轮式磁吸附方式行走速度快，转弯容易，但吸附力较小；履带式磁吸附爬壁机器人产生的吸附力大，然而履带式磁吸附方式也有转弯难的缺点。比较各种磁吸附方式，可以看出，履带式磁吸附方式既可以产生很大的吸附力，又具有较大的行走速度，并且越过障碍物的能力强，因此它具有广阔的发展前景[4]。目前在焊接领域中，用得比较多的是轮式磁吸附方式和履带式磁吸附方式。
2 移动焊接机器人研究现状
移动焊接机器人，日本、韩国等国研究的相对较早，已有产品应用于实际工程，而国内这几年也逐渐开始了这方面的研究工作。
2.1 舱体格子形构件焊接移动机器人
在造船工业的焊接工艺中，为了加强船体的牢固和强度，通常在船的底部要组焊几个蛋形的框架体。这种格子性框架体由于工作空间很狭窄，具有六个自由度的常规性机器人是很难胜任这个工作，因此为了克服这种情况，韩国Puky ong国立大学的K am B O等研制了一种体积小巧，重量轻的用于这种复杂焊接环境的轮式智能移动焊接机器人[5]
。它能够在人比较难以达到的狭窄空间自主地实现焊接过程，能够自动寻焊缝的起始点。在遇到格
子框架的拐角焊缝时，在保证焊接速度不变且焊炬准确对准焊缝的情况下，能够自动调整机器人本体和十字滑块的位置。机器人本体采用四轮行走机构，侧面两个驱动轮，前后各有一个自位轮，以稳定车体和使焊接小车能够转动；在小车的本体上和焊炬上各有一个机械式的接触传感器，在焊炬上的传感器用来检测焊炬的位置，而小车本体上的传感器对焊炬传感器的位置检测起补偿作用。在机器人的侧面还装有一个接近传感器，用来检测焊接起始点；控制策略采用模糊控制与PI D联合控制；跟踪精度可达±0.5
mm，满足实际焊接的需要。图2是这种移动焊接机器人的系统组成。
图2 舱体格子形构件移动焊接机器人
蜡烛杯
2.2 无导轨全位置爬行式弧焊机器人
爬壁机器人，是能够在垂直陡壁上进行作业的移动机器人，应用领域主要是用来在壁面、球面及管道等曲面上爬行焊接，随着大型结构件的应用越来越多，这种机器人有着广阔的应用前景。这种机器人机械系统的任务是将携带的焊接装置移动到壁面上所需达到的任意位置，移动机构主要采用履带式移动机构，在壁面上的吸附方式主要采用电磁吸附的方式。
图3是南昌大学研制的履带式爬壁弧焊机器人爬行机构的外形图[6]。整个系统由爬行机构、图象传
图3 履带式爬壁弧焊机器人
感系统、控制电路及计算机信息处理控制系统组成。爬行机构是机器人的运动动力系统，图象传感系统与计算机信息处理系统组成焊缝识别系统，以识别焊缝，控制电路与计算机控制系统组成焊缝跟踪系统，以实现焊缝跟踪，通过控制电磁铁吸附可以达到对磁吸力的控制，使得履带块运动时能自由脱离壁面，静止时又能够提供足够大的电磁吸附力。2.3 平板对接自主移动机器人
图4是日本庆应大学学者Suga 等为平面薄板焊接研制的自主性移动焊接机器人[7]。它采用三轮移动机构，两个驱动轮在小车本体的侧面，车体前面是一个自位轮，起稳定作用，机器人能够直线前进，还可以利用两个轮的差速控制小车的转弯,
它装焊的臂可以伸缩，在臂的末端装有一个CC D 摄像视觉传感器，通过这个CC D 可以检测焊缝的位置并精确的识别焊缝的形状，如是直线焊缝、曲线焊缝、还是折线焊缝等，通过控制器对传感的信号进行处理以实现对焊缝的精确跟踪，它甚至可以跟踪90°的折线焊缝。据相关文献报道，焊缝跟踪精度可达±0.3mm 。
图
4 平板工件焊接自主移动机器人
2.4 管道焊接机器人
日本庆应大学学者Suga 等研制了管道焊接自主移动机器人[8]，它可以沿着管道移动，根据CC D 摄取的图象信息，在焊前可以自动寻并识别焊缝，然后使机器人本体沿管道方向移动达到正确的焊接位置。焊炬可以沿着管道360°旋转进行管道的全位置焊接，也可以用于管与管的T 形接头焊接，见图5。机器人本体具有沿
管道Z 向
(纵向)和θ向(环向)两个自由度，焊炬也具有R 向和α向两个自由度。由四个直流伺服电机驱动
移动机构动作,CC D 摄像传感器摄取焊缝位置信息。
在焊接过程中,CC D 摄像传感器先检测出管与管对接处T 形接头待焊处两基体金属的夹角，然后相应调整焊炬和小车本体的位姿，实现T 形接头的全位置焊接。据相关文献报道，焊缝跟踪精度可达±0.3mm 。
图5 管道自主焊接移动机器人
2.5 球罐焊接移动机器人
球罐焊接多在野外手工作业，恶劣的工作环境不仅增大了工人的劳动强度，而且影响到球罐的焊接质量。新型智能球罐焊接机器人，是在轮式移动机器人的基础上，配以合适的传感器及控制系统，从而能够实现球罐自动焊接的一种自动化装置。此类焊接机器人不需要传统的定位轨道，而是通过自身的传感装置来识别并跟踪焊缝路径的，因而，建立合理可靠的焊缝路径检测系统是球罐焊接移动机器人需要解决的关键。
图6是清华大学机械工程系与北京石油化工学院装备技术研究所联合研制的球罐磁吸附轮式移动焊接机器人[9,10]。目前该产品已经应用大型球罐焊接的野
图6 球罐焊接移动机器人光学检测技术
外作业，它主要由轮式移动机器人本体、焊炬运动机
构，以及分别安装在机器人本体和焊炬移动机构上的线阵CC D 传感器检测系统等构成，据报道，焊炬跟踪精度可达±0.5mm ，能够满足实际工程应用。2.6 自寻迹舰船甲板焊接移动机器人由于大型舰船甲板的焊缝一般情况下很长，而且有些焊缝是横向大范围移动，甚至是曲线、折线。要完全依靠手工焊接，工人的劳动强度将相当大，为了实现甲板的高效自动化焊接，保证焊接质量，上海交通大学研制了具有自寻迹功能的焊接移动机器人(图7)。在焊前，小车能够自动寻焊缝并经过轨迹推算后自动调整小车本体和焊炬的位姿到待焊状态：焊炬位于焊缝的坡口中心，而小车本体与焊缝坡口平行;
在焊接过程中能够进行横向大范围的实时焊缝跟踪。采用柔性磁轮并在车体前部安装强磁，使它有足够的磁力能够在有一定坡度的斜面上进行爬坡焊接。采用四轮移动机构，传感器系统采用激光位移传感器外加扫描的方式来获取焊接过程的二维偏差信息，控制器采用基于DSP +FPG A +MC U 的架构。
图7 自寻迹舰船甲板焊接移动机器人
3 移动焊接机器人的发展趋势
目前绝大多数移动焊接机器人还只有焊缝跟踪功能，焊前必须通过人为的方式，把机器人放到坡口附近合适的位置，并且把机器人本体、十字滑块等手动调整到合适的待焊状态，也就是说机器人的自主性还很低，基本上还不具有自主的运动规划能力。未来的移动焊接机器人为了完成更为复杂的任务，系统应当具有更高的自主性、对外界环境更强的自适应性和灵活性及对外界扰动更强的鲁棒性等。在其关键技术上主要表现为以下几点:
(1)视觉传感器将会成为跟踪传感的第一选择，面阵CC D 摄像传感器随着技术的成熟，价格的降低，将会得到更广泛的应用，而随着FPG A 技术在数字图像处理
上的成熟，摄像传感器将会在以嵌入式处理器为核心的
架构上得到实际应用。
(2)未来的焊接工作空间可能更趋复杂，边界约束条件增多，为了完成更为复杂的焊接任务，采用多传感信息融合技术就成为必然的趋势。
(3)智能控制技术是系统具有更高智能的关键。未来的移动焊接机器人的控制策略将从现在的以经典控制理论为主向模糊控制、神经网络、遗传算法等智能控制技术方向发展。4 结 语
将移动机器人技术和焊缝跟踪技术有机结合起来,
实现大型复杂焊接结构件的自动化焊接，无疑将大大减轻工人的劳动强度，减少人为因素的影响，提高产品的生产效率和保证焊接质量。而现代先进制造技术的发展，对焊接产品提出了更高层次的要求，因此适应特定焊接任务的移动式焊接机器人在大型焊接结构件的生产中将有着广阔的应用前景，而其相关的研究也将越来越引起广大焊接科研工作者的关注。
参
考
文
献
1 毛鹏军，黄石生.弧焊机器人焊缝跟踪系统研究现状及发展
趋势.电焊机,2001,31(10):9～12 2 黄石生，高向东.焊缝跟踪技术的研究与展望.电焊机,
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机器人焊缝跟踪.焊接学报,2001,22(2):31～3410 焦向东，蒋力培，薛 龙，等.球罐全位置焊接机器人智能控
制系统.焊接学报,2000,21(4):1～5
(收稿日期 2004 03 22)作者简介: 张 轲,1971年生，博士研究生，主要研究方向为移
动焊接机器人及智能控制。
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