具有冗余自由度的汽车喷涂机器人节能降耗机理研究

As the great consumption of paint and electrical energy during the process of automobile painting, this project set a seven degree of freedom redundancy painting robot which big arm is added a rotating joint as the object, studying on the mechanization of energy saving and consumption reducing using kinematics and dynamics analysis. Based on D-H parameter method and the theory of projective geometry, the kinematic model is established by dual four element method, and the mechanization of structure parameters affecting the speed and accuracy of the model is analyzed; the dynamic model is established based on Kane equation considering the elastic deformation of the robot components, and then the dynamic performance of the redundant painting robot is analyzed using fuzzy evaluation theory. On the basis of the mathematical model, set the goal of minimum paint consumption, the painting trajectory is obtained using the slicing technique and point cloud slicing theory, and then real-time online trajectory planning can be realized using PLC programming and interpolation method; set the goal of minimum electrical energy consumption, the driving force distribution of redundant robot is optimized using the improved genetic algorithm. Trajectory planning and redundant actuation experiment are done to modified mathematical model, which based on experimental data. The research of this project is to provide a theoretical basis for the research and development of painting robot with independent intellectual property rights, and have important academic significance and application value to solve the problem of energy saving technology.

针对汽车喷涂过程中涂料利用率较低、电能消耗较大的现状，以一种在大臂上增加转动关节的七自由度冗余串联喷涂机器人为研究对象，从运动学和动力学角度对汽车喷涂机器人的节能降耗机理进行研究。基于D-H参数法和射影几何理论，引入对偶四元数建立机构的运动学模型，并分析结构参数对模型解算速度和精度的影响机理；考虑构件的弹性变形，基于凯恩方程法建立系统动力学模型，引入模糊理论评价冗余喷涂机器人的动力学性能。在此基础上，以涂料消耗最小为优化目标，采用分片技术和点云切片理论获得使涂层最均匀的喷涂轨迹，采用PLC编程和插补法实现实时在线的轨迹规划；以既定轨迹喷涂能耗最低为优化目标，引入改进遗传算法，对冗余喷涂机器人的驱动力分配进行优化。进行轨迹规划和冗余驱动的验证实验，基于实验数据修正数学模型。项目的研究能够为研发具有自主知识产权的喷涂机器人提供理论依据，对解决节能降耗等工程技术问题具有重要的学术意义和应用价值。

1）从汽车涂装生产线上喷涂工艺的基本要求及对机器人作业的需求分析出发，提出了冗余自由度汽车喷涂机器人的基本构型，完成了整机的三维建模。对冗余自由度汽车喷涂机器人进行了基于参数输入的运动学和动力学通用模型的建立并进行了仿真分析，获得了运动学和动力学的图形用户界面，确定了冗余自由度汽车喷涂机器人的初末端位置和最佳结构参数，为后续的工程设计和实验提供理论依据。. 2）求解了任意初末状态下关节空间最小加速度的轨迹规划方法，并同时满足关节角速度、加速度、等运动学限制，给出了轨迹规划解存在的充分必要条件，并证明了所求规划确实是最小加速度的轨迹规划；提出了一种基于雅克比矩阵的笛卡尔空间轨迹规划改进方法，解决了传统方法的误差累积问题，并在处理运动学奇异性方面具有良好的效果；针对前两者在冗余度机器人避障算法上的不足，提出了一种能够同时实现对多个障碍物进行躲避的避障算法，验证了算法的有效性。. 3）研制了一套机电集成的冗余关节单元机械臂系统样机，该样机由直流无刷电机、RV减速机以及电控系统三部分组成，满足工作空间内的期望运动及操作要求。机械臂采用肘部非偏置的 SRS 构型，由三种不同尺寸的模块化关节组成，总长度为 1.1m，重约 20.8kg；对力矩传感器、失电制动器等关键部件进行了研制，实现了模块化关节的力/位感知、过载保护及失电制动功能，实验结果表明机械臂系统各项指标均满足设计要求。. 4）从节能降耗的角度提出了一种基于遗传算法的冗余驱动力优化方法。以机构瞬时动能最小为优化目标的方法有效降低了机构能耗：对单自由度冗余驱动力优化，系统的瞬时动能较冗余自由度上变化规律为零的情况降低了14.7%；对三自由度冗余驱动力优化，系统的瞬时动能较冗余自由度上变化规律为零的情况降低了51.4%。结果表示对喷涂机器人的冗余任务驱动力优化是可行的、有效的，冗余自由度越高，优化效果越好，机构能耗也相应降低，能够为后续更深入的理论研究和工程应用提供依据。.