钜大LARGE | 点击量：971次 | 2018年08月17日
新能源电池智能贴布构建机受力性能剖析及摹拟
1太阳能电池自动布贴机器人介绍
太阳能电池自动布贴机器人包括导向定位系统、自动涂胶系统、自动布贴系统、加压装置、控制系统，适用于35m20m范围内的太阳能帆板自动布贴，利用该机器人对太阳能电池完成自动布贴后，太阳能帆板上每两串电池串之间的间距误差不大于02mm，且每一片电池的位置尺寸误差不大于05mm.机器人加压系统具有对电池串进行空气加压的功能，压力精度为1N/cm2，通过空气加压保证电池片与帆板之间的粘贴可靠性与粘贴质量。机器人完成太阳能电池片自动布贴的整个工作流程见1.
首先将由单个电池片焊在一起的一串电池（每串含电池片数量视具体要求而定）准确安放在定位槽中，机器人末端执行器由大量吸盘组成，在导向定位系统的运动控制下，将整个电池串吸起（每个吸盘对应吸附一片电池），并通过线性导轨的直线运动实现整个滴胶机构和布贴机构在太阳帆板上方的准确定位，在空气正压力作用下，机器人运动系统带动滴胶机构对每片电池滴胶，滴胶完毕后，机器人将电池串自动布贴到太阳帆板上，同时机器人要自动空气加压，保证太阳电池帆板的布贴品质。
由于太阳帆板表面有许多不确定形状和位置的引线突起，机器人在自动布贴时，必须避开这些无法确定的突起，事先规划好布贴路径，在最短时间内完成布贴任务，同时因为机器人末端执行器由几十个甚至上百个大量吸盘组成，在执行吸附抓取任务时，必须控制保持好每个吸盘的抓取力度一致，最大限度的保持电池串处于同一水平面，布贴时还要确保施压力度一致，压力过大会造成电池片甚至帆板的损坏，压力过小则无法保证布贴品质，其中一个环节控制不好，就会影响到整个太阳电池板的加工质量，造成上百万的损失。
整个机器人包括9个关节，6个自由度，包括5个移动自由度和1个转动自由度，是一种典型的空间开环多体系统。由于太阳帆板的外形结构尺寸非常大，也造成了机器人的外形结构尺寸较大，要实现机器人精确的导向定位控制，保证太阳电池(新能源电池的研究开发及应用)串在定位过程中的水平精度要求，确保机器人的滴胶质量，实现太阳能电池片大面积范围内的精确布贴。同时，还要保证机器人吸盘对太阳能电池片真空吸附抓取的可靠性以及吸盘加压布贴的稳定性要求，必须对机器人的运动学和动力学规律有较准确的描述，把握该机器人的运动学和动力学特性，在此基础上可以进一步对该机器人的运动控制和轨迹规划问题进行深入研究。本文对太阳能电池片自动布贴机器人的两个主要运动系统导向定位系统和布贴系统进行了运动学正解和动力学逆解的分析，得出了系统的主要运动特性，确定了末端执行器（吸盘）在两种运动状态下的位姿及各广义关节驱动力，并对布贴运动系统进行了运动学和动力学的实验仿真分析，证明了所推导出的机器人的运动学和动力学模型与实验结果具有一致性。
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充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
2自动布贴机器人导向定位系统运动学和动力学分析
本文利用笛卡儿坐标系描述工作任务，首先必须确定各关节在任一时刻的位置和姿态。考虑到定位精度要求，机器人导向定位系统采用四自由度直角坐标机器人，其底部是长4m行程35m的由同步带传动的机器人滑移导轨，其上另一平移关节的行程为2m，整个系统可以看作是由多个连杆构成的开环链，有4个移动自由度。
如在机座处建立一个基坐标系{O}，采用第二种A矩阵，将杆件坐标系固结在每个杆件的下关节处，引入一组拉格朗日坐标（1，2，3，4），以方便地描述各连杆机构在广义坐标系中的相对位置。利用欧拉变换确定末端执行器（吸盘基体）在导向定位运动过程中的运动学方程，进一步得到导向定位系统的雅可比矩阵。
太阳能电池自动布贴机器人存在完整运动约束，因此可直接利用拉格朗日方程进行逆动力学分析：ddtLi-Li=Fi（i=1，2，3，4）。（1）式中：L为拉格朗日函数；Fi为第i个关节上的广义驱动力。
设m1、m2、m3、m4、m5分别是滑轨1、滑轨2、滑轨3、滑轨4及末端执行器的质量。则系统总动能。假设m2、m3、m4、m5的质心高度坐标分别为h2、h3、h4、h5，则系统势能分别利用方程所表示的拉格朗日函数对各广义坐标的位移分量和速度分量求偏导，再根据拉格朗日方程即可计算得到应施加在每个关节上的广义驱动力。
3自动布贴机器人布贴系统运动学和动力学分析
布贴系统是一个包括2个移动幅和2个转动幅的并联机构，建立如3所示的绝对坐标系{O}和两个杆件坐标系{O1}和{O2}，在系统运动过程中杆件坐标系{O1}与杆1固结，{O2}与杆2即末端执行器固结，末端执行器沿绝对坐标系的z0方向平动，同时绕杆件坐标系{O1}的z1轴转动，由于对称性，只要分析1个移动幅和1个转动幅就可得到末端执行器的运动规律。引入两个拉格朗日坐标d和。该运动过程中末端执行器的运动方程。根据运动方程得到末端执行器的雅可比矩阵J（q）=-sin0-cos000001.
因为是全约束运动，同样可利用拉格朗日方程进行系统的动力学分析，设杆1和杆2的质量分别为m1和m2，表示布贴系统总能量的拉格朗日函数式中：I2为末端执行器在杆件坐标系下的惯性张量，设末端执行器（翻转定位槽）的长宽高尺寸分别为a，b，c，在杆件坐标系下计算得到的转动惯量为此时，系统的拉格朗日函数L可整理利用方程所表示的拉格朗日函数分别对广义坐标的位移分量和速度分量求偏导，再根据拉格朗日方程计算得到应施加在每个关节上的广义驱动力。
4布贴系统动力学仿真分析
对自动布贴机器人的布贴系统进行动力学仿真分析。仿真前首先假设机构杆件都是均质规则刚体，移动关节具有恒定阻尼系数C=400Ns/m，根据设计和实际情况选定m1=255kg，m2=1895kg.首先进行运学分析，在杆1上沿Z0方向施加力F=200N，固定于杆2绕X2方向施加转矩M=20Nm，进行时间2s，200步的仿真分析，仿真得到杆2运动学曲线如4.
对系统进行动力学分析，给定杆1沿Z0方向的线速度v=08m/s，杆2绕X2方向角速度=62rad/s，进行1s、100步的仿真，测得两关节在垂直方向即绝对坐标系z0的广义驱动力见5、6.
5结论
对太阳能电池片自动布贴机器人主要机构系统进行了深入研究，利用欧拉变换法和拉格朗日动力学方法，对机器人的两个主要运动系统：导向定位系统和布贴系统进行了运动学和动力学建模，得到了机器人准确的运动特性描述，为实现机器人的精确定位控制，保证太阳能电池片的布贴质量，进一步研究该机器人的运动控制和轨迹规划问题作出了铺垫。
