移动焊接机器人的滑模控制(2)
1.1 选题背景及意义
近年来，随着科学技术的不断进步，经济水平的迅猛发展，焊接自动化已逐渐替
代了传统的手工焊接，成为制造业中一项重要的生产方式；而实现这一生产方式的正
是各类移动焊接机器人[1]
。移动焊接机器人渗透于各类工业制造领域，如五金制造业、
汽车制造业、航空航天工业和电子行业等，其优势是传统手工焊接所不能比拟的。从
人文关怀层面来看，移动焊接机器人的出现大大改善了焊接工人们的工作环境，减少
了工人们的工作量；从工艺产品的质量来看，自动化生产避免了手工生产时的人为操
作误差，提高了焊接质量；从工业生产的角度看，机械自动化使得大批量生产成为可
能。因此，研发应用于各个领域、性能优越的移动焊接机器人成为当代非常热门的研
究课题。
1.2 轮式机器人基本概念
随着电子计算机技术的发展与人类的应用需求的不断提高，人类的生产方式向智
能化不断发展，机器人已应用于现代社会的各个领域，如军事领域、海洋探测、石油
勘测等。机器人的工作强度大，时间长，并且可以代替人类在恶劣的环境中工作，为
人类的生产生活提供了极大的便利[2]
。在机器人研究领域，移动机器人是很值得钻研
的一个分支，应加以开发和利用。移动机器人运动的方式多种多样，如利用轮子滚动
前进（轮式） 、模仿人类步行（腿式） 、利用履带滚动带动机体前行（履带式）等。本
文重点考虑轮式机器人。轮式机器人活动能力较强，稳定性较好，其移动速度及移动
方向控制较容易，因此在农业、工业自动化、医疗等领域获得广泛应用。轮式机器人
适合用于路况较好的路面，而不适合用于路况不好的路面。
轮式机器人是一种具有代表性的非线性动力学系统，一般情况下，轮式机器人具
有这样的特性：无论在哪一时间点上，其运动方向与当前机器人正面所对的方向必然
是相同的，通常称这种特性为“非完整约束”[3]
。假定机器人的驱动轮与运动表面只产
生滚动摩擦而不产生滑动摩擦，在此前提下，从物理角度来理解，则非完整约束将机
器人速度局限在这样的范围内：在任一时间点上，其速度方向只能与当前机器人正对
的方向相同，并且不能在左右方向上做侧面运动，只能前后做纵向运动。因此，进一
步开发研究轮式机器人具有很大的实际意义，这对科研人员提出了很大的挑战。 1.3 焊接机器人研究概况
19 世纪 60 年代，美国首先采用连续路径控制的点焊机器人，标志着焊接机器人
的诞生。历经半个多世纪的深入研究与技术革新，焊接机器人的发展大致分为三个阶
段：第一阶段主要利用示教再现型的工作方式；第二阶段以焊接传感器技术和离线编
程技术为技术支持；第三阶段是基于多传感、人工智能技术的智能化焊接机器人，具
备高度适应性[1]
。这些年以来，在焊接工业生产中大量使用了示教再现型的机器人，
操作简单，但对外界不具有感知与反馈的能力，在工业化生产中有很大的限制；离线
编程焊接机器人正处于应用研究、不断改进的阶段；而多传感、智能化的移动焊接机
器人则是科研人员们努力追求的方向[4]
。
焊接过程自动控制系统通常为闭环反馈控制系统，与一般的过程控制系统是一样
的，主要包含了控制对象、控制器、比较器、执行机构及检测机构等控制环节，见图
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