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Stewart并联机器人的前世今生
发布时间:2022-08-30 09:46

  随着科技越来越发达,机器人也逐渐进入人们的生活,给生活带来很大的便利。

  机器人分为串联机器人、并联机器人和混合机器人三大类别。其中,并联机器人由一些闭环运动链组成,有两种经典构型:Delta机器人和Stewart机器人。

  Delta并联机器人在上世纪90年代才真正引起广泛注意,具有刚度高、速度快、柔性强、重量轻等优点。在食品、医药、电子等轻工业中应用最为广泛,在物料的搬运、包装、分拣等方面有着无可比拟的优势。近年来,随着在市场中的应用日益广泛,并联机器人已成为工业机器人需求增长的新生力量。

  目前来看,并联机器人基数尚小,相较于传统串联机器人市场,参与的玩家不多,国际企业包括ABB、发那科、博力实、欧姆龙等。高工产研机器人研究所(GGII)数据显示,2019年,中国市场DELTA销量4620台,同比增长30.14%,其市场产值规模5.94亿元,同比增长12.50%。GGII预计,作为工业机器人的细分赛道,Delta并联机器人市场足够支撑起每年10亿级的市场需求。

  相较于Delta机器人的火热,Stewart机器人作为世界上出现的第一种并联机器人,其应用场景一直没有得到充分挖掘。

  Stewart机器人是什么?

  Stewart机器人拥有六自由度,有六条支链,每条支链的两端为球副,中间由一移动副联接两杆。

  Stewart机器人最初由Gough在1947年发明,被用于检测各种载荷条件下的轮胎磨损。将Stewart与Gough联系在一起是源于Stewart在1965年发表的一篇论文中,提及了Gough的工作和这种平台的图像,这篇论文对并联机器人运动学的发展产生了重要的影响。基于此,这类构型的并联机器人也被称为Gough-Stewart机器人。

  在学术上,Stewart机器人也是最经典的并联机器人构型。大学课本里介绍并联机器人,第一个例子大多是Stewart机器人;教材中对并联机器人进行运动学和动力学计算举例,大多也会以Stewart机器人为例,足见Stewart机器人在并联机器人中的地位。

  Stewart机器人的优点:

  1、重载:这也是并联机构普遍的优势,但是Stewart机器人优势尤其明显。理由很简单,它有六条 “腿”,动平台和负载的重量被分散到了六条支链上。有研究显示,在具有相同负载能力的情况下,Stewart机器人的重量大约是传统六自由度串联机器人重量的1/20;

  2、全自由度:Stewart机器人拥有完整的六个自由度,所以其动平台在工作空间内理论上可以完成任意位姿的运动。

  Stewart机器人由于其构型和自由度的特点,也有其先天不足,限制着其进一步发展,其缺点如下:

  1、没有正解解析解:由于其具有六个自由度和构型的特点,现在还没有求解出其运动学正解的解析解,所以其现在很难实现像Delta机器人一样的高精度运动(delta机器人可以求解出其运动学正解的解析解);

  2、奇异位型复杂:由于自由度多,Stewart机器人的奇异位型十分复杂,现在学术界已经求解出它的8种奇异位型,其中第8种奇异位型于2004年被求解出来,彼时距离Stewart发表的论文已经过去了半个世纪,也就是说,可能还有奇异位型未被发现;

  3、没有工作空间的解析解:由于学术界还没有求解出Stewart机器人的解析解,所以其工作空间也没有解析解,现在通用的方法是使用蒙特卡洛法搜索。工作空间小原本就是并联机器人的一大缺点,而Stewart机器人又没有工作空间解析解,对于Stewart机器人的应用就更加不利了。

  新兴机器人企业的入局

  觉察到Stewart机器人的独特优势,现在已经有机器人厂商开始研发Stewart机器人,进而有可能将其触手伸向摇摆台、模拟台领域,与传统专注于摇摆台、模拟台的“领跑”企业竞争。

  机器人企业最大的优势在于其控制技术。由于Stewart机器人使用场景对精度一般要求不高,运动较简单,将传统的机器人控制算法、轨迹规划算法应用到模拟台的场景,属于降维竞争。

  另一方面,和传统的摇摆台、模拟台企业相比,机器人企业的劣势也同样明显:

  1、资质问题:相当一部分的模拟台项目出自于军方,如果企业想要投标,需要有一定的保密资质,而这个资质是相当一部分机器人企业所不具备的。没有资质,企业连投标的资格都没有。可是一旦成功申请保密资质,企业就需要遵守规定,例如办公电脑不能上网等,这样的条件对于公司办公效率是不利的;

  2、重载的要求:和Delta机器人的应用场景不同,Stewart机器人常用于重载的工况,其安装方式与Delta也不同,它的定平台在下,动平台在上。动平台上的负载,可能是一艘军舰,可能是一架飞机,也可能是一辆坦克。负载可能为几吨、几十吨甚至上百吨。工况的突然转变,也会对公司带来全新的挑战;

  3、非标设计的要求:现在做Delta机器人的企业,多为研发出不同型号的机器人,然后将不同型号的机器人应用于不同的场景上。但是摇摆台、模拟台的每个项目都不一样,工况千差万别,所以很难依靠几种现有的型号应付不同的项目,需要经常针对不同的项目,对摇摆台进行单独的结构设计、仿真。

  而非标设计最大的难点是:图纸只会使用一次,最多两三次,从成本和时间上来说,非标设备在生产过程中不允许零件二次制造(与生产线的非标设计有些类似)。这种经常性的机器人本体的非标设计要求,也可能会让机器人企业不太适应。

  基于上述分析,在资质、重载和非标三个不利因素下,现有的Delta企业如果想进军摇摆台领域,更好的方式是与原有成熟的摇摆台企业合作。但是南京全控通过多年自身研发努力,已经成功攻破这三座壁垒,公司目前已通过GJB9001C-2017武器装备质量管理体系、武器装备科研生产单位二级保密资质、ISO9001质量体系、ISO14001环境管理体系认证、ISO45001职业健康安全管理体系、CE产品认证和软件企业、知识产权管理体系认证、两化融合管理体系认证,截至2022年3月南京全控全球累计申请专利127件,其中申请发明专利16件,PCT国际专利申请1件,累计获得授权专利94件,软件著作权44件、软件产品8件、商标28件,获得国家高新技术企业、江苏省科技型中小企业等称号。几吨的项目已成为家常便饭,数十吨的项目今年也有不少,其广泛应用于电影主题危机航线、阴阳师等、军工项目空中加受油模拟都是数十吨高负载项目。

  未来Stewart并联机器人将在军工、娱乐发挥越来越重要的作用,同时在医疗等高精度定位场所也会有长足的发展。作为国内领先的六自由度Stewart运动平台企业,今后南京全控也将继续加大研发力度,丰富产品种类,为国产Stewart并联机器人行业发展做贡献。

关键词: Stewart并联机器人,六自由度Stewart运动平台
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