C位出道-Stewart並聯機器人

2021-01-10 OFweek維科網

隨著科技越來越發達,機器人也逐漸進入人們的生活,給生活帶來很大的便利。

機器人分為串聯機器人、並聯機器人和混合機器人三大類別。其中,並聯機器人由一些閉環運動鏈組成,有兩種經典構型:Delta機器人和Stewart機器人。

Delta並聯機器人在上世紀90年代才真正引起廣泛注意,具有剛度高、速度快、柔性強、重量輕等優點。在食品、醫藥、電子等輕工業中應用最為廣泛,在物料的搬運、包裝、分揀等方面有著無可比擬的優勢。近年來,隨著在市場中的應用日益廣泛,並聯機器人已成為工業機器人需求增長的新生力量。

目前來看,並聯機器人基數尚小,相較於傳統串聯機器人市場,參與的玩家不多,國際企業包括ABB、發那科、博力實、歐姆龍等,中國企業包括勃肯特、阿童木、華盛控、李群等。高工產研機器人研究所(GGII)數據顯示,2019年,中國市場DELTA銷量4620臺,同比增長30．14%,其市場產值規模5．94億元,同比增長12．50%。GGII預計,作為工業機器人的細分賽道,Delta並聯機器人市場足夠支撐起每年10億級的市場需求。

相較於Delta機器人的火熱,Stewart機器人作為世界上出現的第一種並聯機器人,其應用場景一直沒有得到充分挖掘。

Stewart機器人是什麼?

Stewart機器人擁有六自由度,有六條支鏈,每條支鏈的兩端為球副,中間由一移動副聯接兩桿。

Stewart機器人最初由Gough在1947年發明,被用於檢測各種載荷條件下的輪胎磨損。將Stewart與Gough聯繫在一起是源於Stewart在1965年發表的一篇論文中,提及了Gough的工作和這種平臺的圖像,這篇論文對並聯機器人運動學的發展產生了重要的影響。基於此,這類構型的並聯機器人也被稱為Gough-Stewart機器人。

在學術上,Stewart機器人也是最經典的並聯機器人構型。大學課本裡介紹並聯機器人,第一個例子大多是Stewart機器人;教材中對並聯機器人進行運動學和動力學計算舉例,大多也會以Stewart機器人為例,足見Stewart機器人在並聯機器人中的地位。

Stewart機器人的優點顯而易見:

1、重載:這也是並聯機構普遍的優勢,但是Stewart機器人優勢尤其明顯。理由很簡單,它有六條 「腿」,動平臺和負載的重量被分散到了六條支鏈上。有研究顯示,在具有相同負載能力的情況下,Stewart機器人的重量大約是傳統六自由度串聯機器人重量的1/20;

2、全自由度:Stewart機器人擁有完整的六個自由度,所以其動平臺在工作空間內理論上可以完成任意位姿的運動。

Stewart機器人由於其構型和自由度的特點,也有其先天不足,限制著其進一步發展,其缺點如下:

1、沒有正解解析解:由於其具有六個自由度和構型的特點,現在還沒有求解出其運動學正解的解析解,所以其現在很難實現像Delta機器人一樣的高精度運動(delta機器人可以求解出其運動學正解的解析解);

2、奇異位型複雜:由於自由度多,Stewart機器人的奇異位型十分複雜,現在學術界已經求解出它的8種奇異位型,其中第8種奇異位型於2004年被求解出來,彼時距離Stewart發表的論文已經過去了半個世紀,也就是說,可能還有奇異位型未被發現;

3、沒有工作空間的解析解:由於學術界還沒有求解出Stewart機器人的解析解,所以其工作空間也沒有解析解,現在通用的方法是使用蒙特卡洛法搜索。工作空間小原本就是並聯機器人的一大缺點,而Stewart機器人又沒有工作空間解析解,對於Stewart機器人的應用就更加不利了。

Stewart機器人的主要「玩家」

正是由於Stewart機器人的這些優缺點,Stewart機器人常被用於模擬臺、搖擺臺領域,例如飛行模擬器、地震模擬臺、艦船模擬臺、汽車模擬臺等;在民用方面的應用包括電影座椅等。這類工況一般都希望平臺有六個自由度,重載,但是運動的速度比較低,同時對運動的精度要求不高。

現在國內傳統的生產Stewart平臺相關產品的企業主要有天津鼎成、福雲天翼、大連瑞新、星光凱明、武漢華之洋等。

天津鼎成高新技術產業有限公司,是天津工程機械研究院全資子公司,由原天工所軍工處於1999年改制而來,隸屬於中國機械工業集團有限公司,其產品以串聯搖擺臺和六自由度並聯搖擺臺為主。

大連瑞信搖擺臺科技有限公司,其前身為哈爾濱工業大學流體傳動及控制教研室,公司於2001年創建,主營二、三、六自由度並聯搖擺臺。

天津福雲天翼科技有限公司,是哈爾濱工業大學電液伺服仿真及試驗系統研究所於2010年創建而成的獨資公司,主營各種模擬臺及三、六自由度並聯搖擺臺。

北京市星光凱明動感仿真模擬器中心,於1999年成立,主營單自由度、二自由度、三自由度、四自由度、六自由度運動仿真試驗平臺。

武漢華之洋科技有限公司其前身為七一七研究所光電系統應用部,是中國船舶重工集團第七一七研究所(HIEO)的控股子公司,創建於2000年,主營二、三、五自由度串聯和六自由度並聯搖擺臺。

綜合來看,現有的搖擺臺玩家一般發源於研究所,或者由具備國家軍工背景的企業衍生而來,這些企業或長期和軍方打交道,或本身就是國家的軍工企業,同時本身也有一定的科研能力,所以有資格,也有能力分享搖擺臺這塊「蛋糕」。一般的民營機器人企業由於沒有上述優勢,所以通常不將搖擺臺作為研發重點。

新興機器人企業的入局

覺察到Stewart機器人的獨特優勢,現在已經有機器人廠商開始研發Stewart機器人,進而有可能將其觸手伸向搖擺臺、模擬臺領域,與傳統專注於搖擺臺、模擬臺的「領跑」企業競爭。

機器人企業最大的優勢在於其控制技術。由於Stewart機器人使用場景對精度一般要求不高,運動較簡單,將傳統的機器人控制算法、軌跡規划算法應用到模擬臺的場景,屬於降維競爭。

另一方面,和傳統的搖擺臺、模擬臺企業相比,機器人企業的劣勢也同樣明顯:

1、資質問題:相當一部分的模擬臺項目出自於軍方,如果企業想要投標,需要有一定的保密資質,而這個資質是相當一部分機器人企業所不具備的。沒有資質,企業連投標的資格都沒有。可是一旦成功申請保密資質,企業就需要遵守規定,例如辦公電腦不能上網等,這樣的條件對於公司辦公效率是不利的;

2、重載的要求:和Delta機器人的應用場景不同,Stewart機器人常用於重載的工況,其安裝方式與Delta也不同,它的定平臺在下,動平臺在上。動平臺上的負載,可能是一艘軍艦,可能是一架飛機,也可能是一輛坦克。負載可能為幾噸、幾十噸甚至上百噸。工況的突然轉變,也會對公司帶來全新的挑戰;

3、非標設計的要求:現在做Delta機器人的企業,多為研發出不同型號的機器人,然後將不同型號的機器人應用於不同的場景上。但是搖擺臺、模擬臺的每個項目都不一樣,工況千差萬別,所以很難依靠幾種現有的型號應付不同的項目,需要經常針對不同的項目,對搖擺臺進行單獨的結構設計、仿真。

而非標設計最大的難點是:圖紙只會使用一次,最多兩三次,從成本和時間上來說,非標設備在生產過程中不允許零件二次製造(與生產線的非標設計有些類似)。這種經常性的機器人本體的非標設計要求,也可能會讓機器人企業不太適應。

基於上述分析,在資質、重載和非標三個不利因素下,現有的Delta企業如果想進軍搖擺臺領域,更好的方式是與原有成熟的搖擺臺企業合作。

但是由於資質問題,出現的合作情況更可能是傳統的搖擺臺企業佔主動權。在合作中,搖擺臺企業以自己的資質參加投標,機器人企業作為搖擺臺企業的一個乙方參與其中。在實際項目中,搖擺臺企業負責機械設計、鉸點位置確定(機器人企業也可參與其中)、加工工藝,而機器人企業可以負責控制算法、機器人位置標定等工作。

後記

在搖擺臺領域,將搖擺臺、模擬臺稱作機器人的說法並不常見,但是以Stewart構型為基礎的六自由度搖擺臺能夠滿足機器人的一切定義,所以它是貨真價實的並聯機器人,是Delta機器人的「大哥哥」。

Stewart機器人的發明標誌著並聯機器人的誕生;它在軍工,娛樂等方面發揮著自己的作用,減速器、電動缸(液壓缸)、虎克鉸、球鉸和控制器是其核心元器件。也可應用於多種的運動模擬以及高精度定位場所。Stewart類機器人用於高鐵行進模擬場合。                

來源:中國傳動網綜合編輯

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