1太陽能電池自動布貼機(jī)器人介紹

太陽能電池自動布貼機(jī)器人包括導(dǎo)向定位系統(tǒng)、自動涂膠系統(tǒng)、自動布貼系統(tǒng)、加壓裝置、控制系統(tǒng)，適用于35m20m范圍內(nèi)的太陽能帆板自動布貼，利用該機(jī)器人對太陽能電池完成自動布貼后，太陽能帆板上每兩串電池串之間的間距誤差不大于02mm，且每一片電池的位置尺寸誤差不大于05mm.機(jī)器人加壓系統(tǒng)具有對電池串進(jìn)行空氣加壓的功能，壓力精度為1N/cm2，通過空氣加壓保證電池片與帆板之間的粘貼可靠性與粘貼質(zhì)量。機(jī)器人完成太陽能電池片自動布貼的整個工作流程見1.

首先將由單個電池片焊在一起的一串電池（每串含電池片數(shù)量視具體要求而定）準(zhǔn)確安放在定位槽中，機(jī)器人末端執(zhí)行器由大量吸盤組成，在導(dǎo)向定位系統(tǒng)的運(yùn)動控制下，將整個電池串吸起（每個吸盤對應(yīng)吸附一片電池），并通過線性導(dǎo)軌的直線運(yùn)動實現(xiàn)整個滴膠機(jī)構(gòu)和布貼機(jī)構(gòu)在太陽帆板上方的準(zhǔn)確定位，在空氣正壓力作用下，機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)帶動滴膠機(jī)構(gòu)對每片電池滴膠，滴膠完畢后，機(jī)器人將電池串自動布貼到太陽帆板上，同時機(jī)器人要自動空氣加壓，保證太陽電池帆板的布貼品質(zhì)。

由于太陽帆板表面有許多不確定形狀和位置的引線突起，機(jī)器人在自動布貼時，必須避開這些無法確定的突起，事先規(guī)劃好布貼路徑，在最短時間內(nèi)完成布貼任務(wù)，同時因為機(jī)器人末端執(zhí)行器由幾十個甚至上百個大量吸盤組成，在執(zhí)行吸附抓取任務(wù)時，必須控制保持好每個吸盤的抓取力度一致，最大限度的保持電池串處于同一水平面，布貼時還要確保施壓力度一致，壓力過大會造成電池片甚至帆板的損壞，壓力過小則無法保證布貼品質(zhì)，其中一個環(huán)節(jié)控制不好，就會影響到整個太陽電池板的加工質(zhì)量，造成上百萬的損失。

整個機(jī)器人包括9個關(guān)節(jié)，6個自由度，包括5個移動自由度和1個轉(zhuǎn)動自由度，是一種典型的空間開環(huán)多體系統(tǒng)。由于太陽帆板的外形結(jié)構(gòu)尺寸非常大，也造成了機(jī)器人的外形結(jié)構(gòu)尺寸較大，要實現(xiàn)機(jī)器人精確的導(dǎo)向定位控制，保證太陽電池(新能源電池的研究開發(fā)及應(yīng)用)串在定位過程中的水平精度要求，確保機(jī)器人的滴膠質(zhì)量，實現(xiàn)太陽能電池片大面積范圍內(nèi)的精確布貼。同時，還要保證機(jī)器人吸盤對太陽能電池片真空吸附抓取的可靠性以及吸盤加壓布貼的穩(wěn)定性要求，必須對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)規(guī)律有較準(zhǔn)確的描述，把握該機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步對該機(jī)器人的運(yùn)動控制和軌跡規(guī)劃問題進(jìn)行深入研究。本文對太陽能電池片自動布貼機(jī)器人的兩個主要運(yùn)動系統(tǒng)導(dǎo)向定位系統(tǒng)和布貼系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)正解和動力學(xué)逆解的分析，得出了系統(tǒng)的主要運(yùn)動特性，確定了末端執(zhí)行器（吸盤）在兩種運(yùn)動狀態(tài)下的位姿及各廣義關(guān)節(jié)驅(qū)動力，并對布貼運(yùn)動系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的實驗仿真分析，證明了所推導(dǎo)出的機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型與實驗結(jié)果具有一致性。

2自動布貼機(jī)器人導(dǎo)向定位系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

本文利用笛卡兒坐標(biāo)系描述工作任務(wù)，首先必須確定各關(guān)節(jié)在任一時刻的位置和姿態(tài)?？紤]到定位精度要求，機(jī)器人導(dǎo)向定位系統(tǒng)采用四自由度直角坐標(biāo)機(jī)器人，其底部是長4m行程35m的由同步帶傳動的機(jī)器人滑移導(dǎo)軌，其上另一平移關(guān)節(jié)的行程為2m，整個系統(tǒng)可以看作是由多個連桿構(gòu)成的開環(huán)鏈，有4個移動自由度。

如在機(jī)座處建立一個基坐標(biāo)系{O}，采用第二種A矩陣，將桿件坐標(biāo)系固結(jié)在每個桿件的下關(guān)節(jié)處，引入一組拉格朗日坐標(biāo)（1，2，3，4），以方便地描述各連桿機(jī)構(gòu)在廣義坐標(biāo)系中的相對位置。利用歐拉變換確定末端執(zhí)行器（吸盤基體）在導(dǎo)向定位運(yùn)動過程中的運(yùn)動學(xué)方程，進(jìn)一步得到導(dǎo)向定位系統(tǒng)的雅可比矩陣。

太陽能電池自動布貼機(jī)器人存在完整運(yùn)動約束，因此可直接利用拉格朗日方程進(jìn)行逆動力學(xué)分析：ddtLi-Li=Fi（i=1，2，3，4）。（1）式中：L為拉格朗日函數(shù)；Fi為第i個關(guān)節(jié)上的廣義驅(qū)動力。

設(shè)m1、m2、m3、m4、m5分別是滑軌1、滑軌2、滑軌3、滑軌4及末端執(zhí)行器的質(zhì)量。則系統(tǒng)總動能。假設(shè)m2、m3、m4、m5的質(zhì)心高度坐標(biāo)分別為h2、h3、h4、h5，則系統(tǒng)勢能分別利用方程所表示的拉格朗日函數(shù)對各廣義坐標(biāo)的位移分量和速度分量求偏導(dǎo)，再根據(jù)拉格朗日方程即可計算得到應(yīng)施加在每個關(guān)節(jié)上的廣義驅(qū)動力。

3自動布貼機(jī)器人布貼系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析

布貼系統(tǒng)是一個包括2個移動幅和2個轉(zhuǎn)動幅的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，建立如3所示的絕對坐標(biāo)系{O}和兩個桿件坐標(biāo)系{O1}和{O2}，在系統(tǒng)運(yùn)動過程中桿件坐標(biāo)系{O1}與桿1固結(jié)，{O2}與桿2即末端執(zhí)行器固結(jié)，末端執(zhí)行器沿絕對坐標(biāo)系的z0方向平動，同時繞桿件坐標(biāo)系{O1}的z1軸轉(zhuǎn)動，由于對稱性，只要分析1個移動幅和1個轉(zhuǎn)動幅就可得到末端執(zhí)行器的運(yùn)動規(guī)律。引入兩個拉格朗日坐標(biāo)d和。該運(yùn)動過程中末端執(zhí)行器的運(yùn)動方程。根據(jù)運(yùn)動方程得到末端執(zhí)行器的雅可比矩陣J（q）=-sin0-cos000001.

因為是全約束運(yùn)動，同樣可利用拉格朗日方程進(jìn)行系統(tǒng)的動力學(xué)分析，設(shè)桿1和桿2的質(zhì)量分別為m1和m2，表示布貼系統(tǒng)總能量的拉格朗日函數(shù)式中：I2為末端執(zhí)行器在桿件坐標(biāo)系下的慣性張量，設(shè)末端執(zhí)行器（翻轉(zhuǎn)定位槽）的長寬高尺寸分別為a，b，c，在桿件坐標(biāo)系下計算得到的轉(zhuǎn)動慣量為此時，系統(tǒng)的拉格朗日函數(shù)L可整理利用方程所表示的拉格朗日函數(shù)分別對廣義坐標(biāo)的位移分量和速度分量求偏導(dǎo)，再根據(jù)拉格朗日方程計算得到應(yīng)施加在每個關(guān)節(jié)上的廣義驅(qū)動力。

4布貼系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析

對自動布貼機(jī)器人的布貼系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。仿真前首先假設(shè)機(jī)構(gòu)桿件都是均質(zhì)規(guī)則剛體，移動關(guān)節(jié)具有恒定阻尼系數(shù)C=400Ns/m，根據(jù)設(shè)計和實際情況選定m1=255kg，m2=1895kg.首先進(jìn)行運(yùn)學(xué)分析，在桿1上沿Z0方向施加力F=200N，固定于桿2繞X2方向施加轉(zhuǎn)矩M=20Nm，進(jìn)行時間2s，200步的仿真分析，仿真得到桿2運(yùn)動學(xué)曲線如4.

對系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析，給定桿1沿Z0方向的線速度v=08m/s，桿2繞X2方向角速度=62rad/s，進(jìn)行1s、100步的仿真，測得兩關(guān)節(jié)在垂直方向即絕對坐標(biāo)系z0的廣義驅(qū)動力見5、6.

5結(jié)論

對太陽能電池片自動布貼機(jī)器人主要機(jī)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，利用歐拉變換法和拉格朗日動力學(xué)方法，對機(jī)器人的兩個主要運(yùn)動系統(tǒng)：導(dǎo)向定位系統(tǒng)和布貼系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)建模，得到了機(jī)器人準(zhǔn)確的運(yùn)動特性描述，為實現(xiàn)機(jī)器人的精確定位控制，保證太陽能電池片的布貼質(zhì)量，進(jìn)一步研究該機(jī)器人的運(yùn)動控制和軌跡規(guī)劃問題作出了鋪墊。