變胞汽車焊接機器人技術綜述研究

摘要：焊接工業機器人在整車制造企業廣泛應用，實現了汽車車身制造的量產化與自動化。變胞機構是基于機構運動過程中構件數目的變化和自由度的變化為特征的機構，變胞機構應用于焊接機器人中，可以提高焊接效率及降低生產成本。

Abstract： Welding industrial robots are widely used in vehicle manufacturing enterprises， and have realized mass production and automation of automobile body manufacturing. Metamorphic mechanism is a mechanism based on the change of the number of components and changes in the degree of freedom during the movement of the mechanism. The metamorphic mechanism is used in welding robots to improve welding efficiency and reduce production costs.

關鍵詞：變胞機構;焊接機器人;綜述

Key words： metamorphic mechanism;welding robot;review

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）04-0200-02

1? 研究背景

傳統的串聯機器人剛度較低，應用于高速，大承載的場合較少。變胞機構能夠實現變機構與變自由度兩種方式，因此研究變胞焊接機器人，可以提高焊接效率及降低生產成本。

機器人在汽車工中占的比重越來越大。特別是2009年以來，我國汽車行業發展迅速，一批優秀的汽車企業不斷壯大。

同時，隨著經濟水平的提高，汽車的需求量也逐步上升。汽車產業焊接機器人明顯增加，且已普遍采用了自動式弧焊、點焊機器人。目前，焊接工業機器人在整車制造企業廣泛應用，實現了汽車車身制造的量產化與自動化。

焊接機器人在汽車生產線上的應用，明顯提高了工作效率和工藝水平。雖然焊接機器人在汽車工業中運用越來越廣泛，但是傳統的串聯機器人剛度較低，有一定不足;并聯機器人的工作空間明顯較小并且結構復雜，存在一定的局限性。針對以上不足而設計的新型變胞焊接機器人能解決這些問題，在結構和性能上都具有一定的優勢。

2? 技術背景概述

隨著科學技術的發展，機器人代替人進行高強度、高危險的作業是其趨勢。焊接機器人在生產中占有很大比重，是節省人力和提高安全不可缺少的設備。焊接機器人有弧焊機器人和點焊機器人兩種，是提高焊接質量、降低成本、改善工作環境的重要手段。

1952年，變胞機構起源于英國牛津大學。如圖2所示的折紙機構即是Candy等人發現的。各面紙板相當于機械桿件，折痕相當于機械中運動副。1998年，戴建生教授首次提出變胞機構，具有變機構數量、變自由度的特點。

3? 變胞焊接機器人的應用

布里漢楊大學的PARISE等在2000年引伸出變胞正交機構。

李威等提出一種新型變胞快速夾緊裝置，用于鋁合金汽車輪毅模具修理過程中的夾緊。

北京航空航天大學的丁希侖等人設計了一種火星探測變胞車（變結構式），通過桿件數量變化達到構態的變化。

天津大學戴建生教授帶領團隊研制出的新型“四足變胞爬行機器人”，如圖3所示，為我國研究變胞機器人奠定了基礎。

加拿大的航天研究部門研制了一款機械臂，既可聚攏，也可伸張。

葉偉基于變胞原理提出一種變結構并聯機構;李憲芝設計了一款變胞裝載機械手;并在實踐中進行應用。

連桿變胞機構在碼垛機械臂的應用中較多，有平面到空間和串并聯的相互轉化從而滿足更多具體工況的任務要求。

廣西大學王汝貴、袁華強團隊等人設計了一種由連桿機構組成的變胞碼垛機器人機構和一種變結構的碼垛機器人，進行了運動學分析。高德中研制了甘蔗裝載工作一種變胞裝載機器人。（圖4）

4? 變胞機構的運動學分析方法

變胞機構的動力分析與運動過程中，構態發生變化，必須會導致自由度或者機構數量發生變化。戴建生提出了系列變胞機構的運動分析方法與理論應用，包括有矢量法，影響系數法，旋量法，指數積（POE）方法，矩陣法和李群李代數。

金國光等人采用Huston低序體陣列建立動態方程，通過矩陣運算及方應用仿真形成對比，透過曲線的振蕩，來解決振動帶來的影響。

梁棟使用關聯矩陣法，采用矢量法對機構構態進行運動學建模和分析。

劉瑞雪和李端基于傳統的Roberson-Wittenburg方法提出了一種的改進應用，并且通過運動仿真，驗證了變胞機構在傳統機構上更多構態所提出的新方法的正確性。

廣西大學的丁侃以變胞裝載機為研究對象，通過理論計算與運動仿真，并進行旋量理論分析，得到變胞裝載機的相關運動數據。

5? 結論

研究的新型變胞焊接機器人是基于傳統串聯式和并聯式機器人的不足之處而提出的新型結構，與傳統的焊接機器人相比較具有結構簡單、承載能力大、速度高、動態響應好和轉動慣量小。研究的新型變胞焊接機器人對于提高焊接精度、提高勞動生產率以及執行器靈活度程度具有實際意義。同時，與以往的焊接機器人相比具有較大的工作空間，而且帶鉸鏈的連桿做成輕桿，可以使整個機構動力性能更好且易于控制。在三個并聯閉環子鏈上，桿件做成輕桿，機構運動慣量小，動力學性能好，對機構的微調節可以起到平衡的作用。新型變胞焊接機器人具有較大的剛性能使機器人機構承受更大的力和力矩。

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