汽車變胞焊接機器人結構設計與控制器實現

胥剛　蘭新武

摘要：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。本例以胞焊接機器人使用變胞源型綜合模型和李群李代數旋量理論進行案例分析，并通過模型進行控制器結構設計與實現。

關鍵詞：變胞機器人;控制器設計;結構設計

1 ?變胞焊接機器人結構設計

為了克服現有技術不足，現提出一種汽車變胞焊接機器人，重量輕，結構緊湊，剛度好，承載力大，工作空間大，能夠滿足各種焊接作業。其結構如圖1所示。

2 ?虛擬仿真分析與控制器設計

2.1 電機選擇

本文所研究的焊接機器人均是旋轉關節組成。在建立傳遞函數模型時，我們假設各個連桿和關節均是剛體，并且相鄰兩個連桿的自由度是單一的，即只有一個自由度。 操縱焊接機器人其沿某一軌跡運動，文中將采用A5A1A21型號的伺服電機進行計算。在相鄰的兩個采樣周期（采樣周期10ms）內，聯立相關公式可以得到各關節機械臂之間的傳遞函數：

2.2 控制模型仿真

機器人控制器的設計是基于ADAMS和MATLAB的聯合運動控制來完成。在控制模型中，把狀態變量Torque作為輸入變量，把狀態變量Angle、Velocity和末端坐標作為輸出變量。系統有六個主動桿，所以有6個輸出變量，15個輸出變量。如圖2（a）、（b）、（c）所示。在MATLAB中編寫焊接機器人運動軌跡的M文件，對機器人末端進行預定軌跡的設定，其M文件描述的軌跡預定軌跡為式（1）。

對建立的ADAMS和MATLAB/simulink聯合仿真模型進行50s仿真，末端執行器運動軌跡。（圖3）

從分析中可以得出：利用Adams/Control和MATLAB/simulink對焊接機器人進行一般形式的PID控制器的設計。通過對焊接機器人的聯合控制，可以得到：焊接機器人機構可以通過預定的控制進行運動，并且在控制過程中表示出良好的運動和動力性能。

3 ?結論

新型變胞式焊接機器人的軌跡規劃是對機器人運動狀態的一種肯定。通過對焊接機器人末端設定預定的連續的圓形螺旋線，焊接機器人的六個主動桿在X、Y、Z三個方向的位移都呈現較為規律的變化。焊接機器人的六個主動桿的角位移曲線隨著設定的軌跡呈現類正余弦的規律性變化。在局部坐標系里，即包含所要呈現的運動軌跡的坐標系里，末端標記點都在以設定的軌跡想一致。同時三個具有微調功能的四桿子鏈在運動中，四個連桿組成的三個微調四桿機構中，角速度變化曲線跟運動變化曲線相一致，且微調連桿的變化不大，實現了調節功能。通過算例在進行軌跡運動時可以得到：此焊接機器人機構在運動性能方面能實現預定軌跡的運動，并且具有良好的靈活性和運動性能，并且在局部環境中，能針對所要實現的軌跡進行運動。

參考文獻：

[1]王亞偉.基于變胞原理的移動機器人的設計與研究[D].沈陽工業大學，2019.

[2]趙欣，康熙，戴建生.四足變胞爬行機器人步態規劃與運動特性[J].中南大學學報（自然科學版），2018，49（09）：2168-2177.

[3]陳輝慶，王汝貴.新型可控變胞式碼垛機器人機構動態優化[J].機械設計與研究，2017，33（05）：16-20.

[4]黃敏雄，胥剛，蔡敢為，戴建生.具有變胞功能的焊接機器人拓撲分析和工作空間建模分析[J].現代制造技術與裝備，2015（06）：146-148.

[5]鄭書勤.基于變胞機構的仿蝗蟲飛行跳躍機器人的機構設計與分析[D].電子科技大學，2018.

[6]王澤彬.輪腿式變胞機器人的設計與仿真[D].北京郵電大學，2018.

[7]胥剛，朱雙華，程泊靜，黃志勇.變胞汽車焊接機器人動態焊接工藝參數的設計與優化研究[J].內燃機與配件，2019（09）：113-118.

基金項目：湖南省教育廳資助科研項目（NO.17C0812）。

作者簡介：胥剛（1987-），男，湖南株洲人，講師，碩士研究生，研究方向為汽車職業教育與雙創教育。