在造船厂、钢结构厂房和起重机制造企业,大量的矩形焊缝需要焊接,由于矩形焊缝的尺寸经常变化,工作空间狭小,固定式机械手臂和自动焊接小车不能完成工厂中此类复杂焊缝的自动焊接,仍然采用人工焊来完成矩形焊缝的焊接。由于焊接时存在弧光、飞溅、释放出大量的有毒气体等,工作环境非常恶劣,严重影响到工人的身体健康及焊接质量。因此,需要研究出一种体积小、质量轻的自主移动焊接机器人,实现矩形焊缝的自动跟踪焊接,最终提高焊接的质量和效率。研究了焊接机器人系统及分析了机器人的运动学模型。对跟踪和焊接的整个系统进行了研究,包括焊接系统和焊缝跟踪系统;研究了用于焊接机器人的各种传感器,包括霍尔电流传感器、电弧转速传感器、旋转电弧传感器、超声波传感器和防跌落传感器;研究了旋转电弧传感焊枪空间姿态的数学模型,通过识别焊枪相对于焊缝的水平偏差、干伸长、焊枪沿着焊接方向的倾角和焊枪在竖直面内的倾角,确定焊枪位姿的数学模型;分析了焊接机器人的运动学模型,最终研究了机器人轨迹规划及焊缝跟踪的实现。研究了滤波、偏差识别和控制算法。焊接时存在电弧不稳定、送丝速度不恒定等干扰,使旋转电弧传感器采集到的信号中存在大量的噪声,需要采用小波滤波和阈值处理组合的方法,滤除掉采样电流中大部分的噪声。研究了主分析方法,并实现了水平偏差和焊枪沿着焊接方向倾角求取的解耦,提高水平偏差和倾角识别的准确度。同时,研究了模式识别算法,实现了干伸长偏差和焊枪高度偏差的识别。最后,基于模糊控制和专家系统组合的控制算法,使焊接机器人的两轮、水平滑块和垂直滑块协调运动,实现了空间弯曲焊缝的自动识别跟踪。研究了圆弧形焊缝的跟踪算法。当机器人相对于焊缝存在姿态偏差时,机器人通过两轮差速运动圆弧转动,消除机器人相对于焊缝的姿态偏差。机器人调整姿态的同时,也需要保证焊缝跟踪精度,所以,有必要研究不同尺寸圆弧形焊缝的跟踪焊接,有利于机器人跟踪焊接矩形焊缝时,既保证了焊缝跟踪的精度,又消除了机器人相对于焊缝的姿态偏差。圆弧形焊缝跟踪算法主要研究了机器人的路径规划、圆弧形焊缝跟踪焊接的实现算法和在实验室和工厂进行的不同尺寸圆弧形焊缝的跟踪焊接实验,其中,机器人的路径规划包括圆弧形轨迹的规划和跟踪圆弧形焊缝的路径规划。研究了直角焊缝的跟踪算法。以焊接速度、焊接轨迹、机器人相对于焊缝的位姿为约束条件,研究了直角焊缝跟踪过程中的路径规划,得出机器人轮子、水平滑块和垂直滑块的运动速度。研究了焊枪沿着焊接方向倾角的识别算法,利用模式识别算法实现了直角焊缝交叉点的自动识别。研究了直角焊缝跟踪的实现,利用设计的算法,进行了直角焊缝跟踪焊接的实验。研究了矩形焊缝的跟踪算法。建立了矩形焊缝的数学模型,将矩形焊缝分成四段直角焊缝和四段线性焊缝。研究了线性焊缝跟踪算法,包括路径规划、焊枪沿着焊接方向倾角的识别、线性焊缝跟踪的控制算法及其实现。研究了基于专家系统的高层规划,融合直角焊缝跟踪算法和线性焊缝跟踪算法,设计出了矩形焊缝跟踪算法。最后进行了矩形焊缝的跟踪实验及焊接质量检测实验。矩形焊缝的跟踪实验包括焊接实验及分析实验数据,焊接质量检测实验研究了焊缝跟踪的精度及焊接试样的力学性能。最后,在江州联合造船厂的生产现场,进行了矩形焊缝跟踪焊接实验,实验结果表明,利用所设计的算法,基于旋转电弧传感机器人可以稳定地、准确地、快速地跟踪焊接矩形焊缝。