并聯(lián)機器人應用擴容 已成為工業(yè)需求增長新力量

　　由《機器人技術(shù)與應用》雜志社、機器人大講堂、蕪湖瑞思機器人有限公司及國內(nèi)知名并聯(lián)機器人企業(yè)共同發(fā)起的“并聯(lián)機器人宣傳周”活動今天正式拉開帷幕。該活動以將于12月13日舉行的“中國首屆并聯(lián)機器人發(fā)展論壇”為契機，旨在普及并聯(lián)機器人知識，開拓并聯(lián)機器人應用市場，促進區(qū)域乃至全國并聯(lián)構(gòu)型產(chǎn)業(yè)的溝通和交流，推進并聯(lián)機器人產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展，共享并聯(lián)機器人的“饕餮盛宴”。下面，讓我們首先了解下活動的主角即“并聯(lián)機器人”。

　　并聯(lián)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(yōu)點，與串聯(lián)機器人一起構(gòu)成工業(yè)機器人的重要部分。在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)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(yōu)勢。近兩年，隨著并聯(lián)機器人在市場中的應用日益從廣泛，已成為工業(yè)機器人需求增長的新生力量。

　　1 發(fā)展歷程

　　國外

　　1931年，Gwinnett在其專利中提出了一種基于球面并聯(lián)機構(gòu)的娛樂裝置；

　　1940年，Pollard在其專利中提出了一種空間工業(yè)并聯(lián)機構(gòu)，用于汽車的噴漆；

　　1962年，Gough發(fā)明了一種基于并聯(lián)機構(gòu)的六自由度輪胎檢測裝置；

　　1965年，Stewart首次對Gough發(fā)明的這種機構(gòu)進行了機構(gòu)學意義上的研究，并將其推廣應用為飛行模擬器的運動產(chǎn)生裝置，這種機構(gòu)也是目前應用最廣的并聯(lián)機構(gòu)，被稱為Gough-Stewart機構(gòu)或Stewart機構(gòu)。

　　1978年，Mccallino等人首次設(shè)計出了在小型計算機控制下，在精密裝置中完成校準任務的并聯(lián)機器人，真正拉開了并聯(lián)機器人研究的序幕。

　　80年代末期到90年代以來，并聯(lián)機器人才引起廣泛注意。

　　國內(nèi)

　　1991年，燕山大學黃真教授在研制出我國第一臺六自由度并聯(lián)機器人樣機；

　　1997年，清華大學和天津大學合作研制的大型鏜床類并聯(lián)樣機VAMTIY；

　　1998年，東北大學研制了五軸聯(lián)動三桿并聯(lián)機床DSX5-70。

　　1999年，天津大學和天津第一機床總廠合作研制了三坐標并聯(lián)機床商品化樣機LINAPOD，哈爾濱工業(yè)大學也研制了一臺六自由度并聯(lián)機床樣機。

　　1999年，高峰等提出了一種正交式的六自由度并聯(lián)機構(gòu)，并將其用作虛軸機床。

　　我國對并聯(lián)機器人的研究起步較晚，技術(shù)與國外相比還存在著差距。在并聯(lián)機器人不過，經(jīng)過近幾年的發(fā)展，國產(chǎn)并聯(lián)機器人應用水平日益提高，逐漸受到企業(yè)的認可與使用。

　　2 并聯(lián)機器人特點

　　并聯(lián)機構(gòu)（Parallel Mechanism，簡稱PM），可以定義為動平臺和靜平臺（定平臺）通過至少兩個獨立的運動鏈相連接，機構(gòu)具有兩個或兩個以上自由度，且以并聯(lián)方式驅(qū)動的一種閉環(huán)機構(gòu)。其特點有：

　　結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高，承載能力大；

　　無累計誤差，精度高；

　　占用空間??；

　　速度快，運動性能佳，

　　部件磨損小，壽命長

　　3 并聯(lián)構(gòu)型分類

　　在并聯(lián)機器人機構(gòu)體系中，有多種機構(gòu)種類的劃分，按照自由度劃分，分為：

　　（1）2自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　在并聯(lián)機構(gòu)領(lǐng)域，2自由度并聯(lián)機構(gòu)的自由度最少，分為平面結(jié)構(gòu)和球面結(jié)構(gòu)兩大類，主要適用于平面或球面定位，應用領(lǐng)域大。

　　天津大學擁有獨立知識產(chǎn)權(quán)的二自由度并聯(lián)機構(gòu)Diamond機器人目前已規(guī)?；瘧迷陔娮?、醫(yī)藥、食品等工業(yè)領(lǐng)域中，為包裝、移載等物流環(huán)節(jié)提供了高效、高質(zhì)的保障。

　?。?）3自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　3自由度并聯(lián)機構(gòu)種類較多，形式較復雜，一般有以下形式：平面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-RRR機構(gòu)，它們具有2個移動和一個轉(zhuǎn)動；球面3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如3-UPS-1-S球面機構(gòu)，該類機構(gòu)的運動學正反解都很簡單，是一種應用很廣泛的3維移動空間機構(gòu)；空間3自由度并聯(lián)機構(gòu)，如Delta并聯(lián)機器人，這類機構(gòu)屬于欠秩機構(gòu)，在工作空間內(nèi)不同的點其運動形式不同是其最顯著的特點。還有一類是增加輔助桿件和運動副的空間機構(gòu)。

　　（3）4自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　4自由度并聯(lián)機構(gòu)大多不是完全并聯(lián)機構(gòu)，不過可以擴大應用范圍，在三自由度并聯(lián)機構(gòu)的基礎(chǔ)上增加一個轉(zhuǎn)動自由度，形成四自由度并聯(lián)機器人。

　　（4）5自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　國際上一直認為不存在全對稱五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)。不過，非對稱五自由度并聯(lián)機器人機構(gòu)比較容易綜合。Lee和Park在1999年提出一種結(jié)構(gòu)復雜的雙層五自由度并聯(lián)機構(gòu)；Jin等在2001年綜合出具有三個移動自由度和兩個轉(zhuǎn)動自由度的非對稱五自由度并聯(lián)機構(gòu)；高峰等在2002年通過給六自由度并聯(lián)機構(gòu)添加一個五自由度約束分支的方法，綜合出兩種五自由度并聯(lián)機構(gòu)。

　?。?）6自由度并聯(lián)機構(gòu)

　　6自由度并聯(lián)機構(gòu)是并聯(lián)機器人機構(gòu)中的一大類，是國內(nèi)外學者研究得最多的并聯(lián)機構(gòu)，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯(lián)機床等領(lǐng)域。但這類機構(gòu)有很多關(guān)鍵性技術(shù)沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學模型的建立以及并聯(lián)機床的精度標定等。

　　4 應用領(lǐng)域

　　并聯(lián)機構(gòu)多用于需要高剛度、高精度、高速度，無需大空間的場合，具體應用包括：

　　1.食品、醫(yī)藥、電子、化工行業(yè)的分揀、搬運、裝箱等。

　　并聯(lián)機器人在化工行業(yè)應用

　　2、模擬運動

　　如飛行員三維空間訓練模擬器；工程模擬器，如船用搖擺臺等；檢測產(chǎn)品在模擬的反復沖擊、振動下的運行可靠性；娛樂運動模擬臺。

　　3、并聯(lián)機床

　　并聯(lián)機床

　　4、對接動作

　　航天器對接口

　　如宇宙飛船的空間對接；汽車裝配線上的車輪安裝；醫(yī)院中的假肢接骨。

　　5、承載運動

　　如大扭矩螺栓緊固；短距離重物搬運。

　　6、金屬切削加工

　　可應用于各類銑床、磨床鉆床或點焊機、切割機。

　　7、可用于測量機，用來作為其他機構(gòu)的誤差補償器

　　8、微操作機器人

　　用于微動機構(gòu)或者微型機構(gòu)

　　9、機器人關(guān)節(jié)

　　可用作機器人的關(guān)節(jié)，爬行機構(gòu)、食品、醫(yī)藥包裝和移載機械手等

　　5 發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析

　　我國對并聯(lián)機器人研究起步較晚，技術(shù)研發(fā)與應用水品與國外同類產(chǎn)品相比還有較大的差距。國際國內(nèi)市場基本上由發(fā)那科、愛德普、abb等企業(yè)占據(jù)。

　　不過，近幾年，國產(chǎn)并聯(lián)機器人產(chǎn)學研結(jié)合日益密切，并聯(lián)機器人應用市場不再由國外完全包攬。尤其是隨著2012年國外專利解禁，國內(nèi)市場涌現(xiàn)出了一大批并聯(lián)機器人企業(yè)，銷售市場呈現(xiàn)出了良好發(fā)展局面。據(jù)統(tǒng)計，2014年國內(nèi)并聯(lián)機器人市場銷售約600臺，2015年銷售約900臺，2016年市場預測在1400臺左右，每年呈50%以上的增速發(fā)展，5年內(nèi)并聯(lián)機器人年市場銷售預測將超過萬臺；隨著增速的加快，10年內(nèi)國內(nèi)并聯(lián)機器人年市場銷售預測近10萬臺。并聯(lián)機器人已成為工業(yè)機器人銷售增長的新生力量！

　　目前據(jù)不完全統(tǒng)計，我國食品企業(yè)共有45萬余家，醫(yī)藥企業(yè)近7000余家，化妝品企業(yè)3700余家，電子行業(yè)4900余家。而這些輕工行業(yè)有著3000萬“藍粉”工人，全球則有5億以上“藍粉”工人。隨著我國“機器換人”的步伐，一臺并聯(lián)機器人可替代3~5名“藍粉”工人，其中的潛在應用市場需求巨大，并且未來將不斷擴大。尤其是近年來，并聯(lián)構(gòu)型延伸到教育、生活服務等更廣泛的應用市場，并聯(lián)構(gòu)型產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。有專家預測“并聯(lián)市場需求即將迎來井噴式增長”。