劉松濤

迅速崛起的國內(nèi)并聯(lián)機器人

劉松濤

劉松濤,辰星（天津）自動化設備有限公司總經(jīng)理,畢業(yè)后創(chuàng)立辰星（天津）自動化設備有限公司。

自上世紀80年代以來，一類以并聯(lián)機構為主機構的新型工業(yè)機器人為某些特定工業(yè)領域不斷提供出更為完美的解決方案，引起了工業(yè)界和學術界的普遍關注。在各種各樣的并聯(lián)機器人種類之中，存在一類由外轉動/移動副驅動、含平行四邊形支鏈的并聯(lián)機器人(又稱為并聯(lián)機械手)。這類機械手因可將驅動裝置布置在靜平臺(機架)上，而且從動臂多采用輕質(zhì)細桿制作而成，故末端動平臺可獲得很高的運動速度和加速度，特別適合于物流生產(chǎn)線上物料的分揀、搬運和抓放等操作，成為近年來研究和開發(fā)的熱點。

1　并聯(lián)技術發(fā)展

高速并聯(lián)機械手的研究最早追溯到Clavel博士于1985年發(fā)明的Delta機械手。該機械手主動臂由外轉動副驅動，從動臂為平行四邊形結構，末端執(zhí)行器可在工作空間內(nèi)實現(xiàn)三維高速平動。而且，在靜、動平臺間加裝兩端帶有虎克鉸鏈的可伸縮轉軸，可實現(xiàn)末端執(zhí)行器繞動平臺所在平面法向的單自由度轉動，從而完成對標的物的抓放動作。

瑞士Demaurex公司首先注意到了Delta機構的巨大市場潛力，于1987年購買了Delta機構的專利，并以其為執(zhí)行本體先后研制出了Pack-Placer、Line-Placer、Top-Placer和Presto等工業(yè)機器人產(chǎn)品，在巧克力、香腸、方便面等多條食品生產(chǎn)線上獲得應用。1999年，ABB公司通過將真空系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)集成于Delta機械手上，成功推出稱為IRB 340 FlexPicker的高速搬運機械手，并在食品、醫(yī)藥等行業(yè)的分揀、包裝及抓放領域獲得成功應用。受市場需求的驅動，近年來許多著名機器人公司也相繼開始了該類機器人裝備的開發(fā)研究工作。例如，德國ELAU公司與PWB合作開發(fā)了ELAU Robot P3；德國Manz Automation AG機器人在引入Adept開發(fā)的Delta機械手的基礎上，成功研制出The Manz Solarroboter。與此同時，日本Fanuc公司也推出串接2自由度轉頭的Delta機械手。

然而，對于僅需在平面內(nèi)完成標的物搬運和抓放作業(yè)的場合，如繼續(xù)使用Delta機械手提供的解決方案，將導致成本和功能的雙重浪費。因此，天津大學以及PWR Pack等研發(fā)機構相繼研制出了不同結構的2自由度高速并聯(lián)機械手，其末端執(zhí)行器可實現(xiàn)平面內(nèi)2維高速平動。該機械手主要有兩個優(yōu)勢：一是通過減少機構自由度，進而減少活動構件和驅動裝置的數(shù)量，降低機械手本身的復雜程度，從而實現(xiàn)生產(chǎn)線成本的降低；二是可通過活動關節(jié)數(shù)量的降低以及支鏈中某些部分的加強設計，滿足高精度作業(yè)需求。

此外，針對在抓放操作中需要實現(xiàn)SCARA運動的場合，可通過在上述機械手動靜平臺間添加UPU支鏈的方式，實現(xiàn)末端執(zhí)行器繞動平臺法向的轉動。然而，由于UPU支鏈長期在工作空間邊緣處工作時，磨損較為嚴重，故勢必會影響機械手的壽命。為了解決UPU支鏈存在的問題，同時保留Delta機械手的性能優(yōu)勢， Pierrot及其團隊提出了兩種機械手構型方案：一種稱為Par4的機械手。該機械手結構簡單，運動靈活,且具有較高的剛度。Adept公司首先購置了Par4的專利，并以其為原型研制出稱為Quattro的高速抓放機械手，其實驗最高加速度可達20g，實際應用時最高加速度可達12g；另一種稱為Heli4機械手。盡管該機械手結構緊湊，運動靈活，但采用絲杠直接承受平臺作用的側向力，故影響使用壽命。

2　國內(nèi)技術特點

天津大學黃田教授團隊在歸納總結雙平臺可能的相對運動方式以及與支鏈可能的連接方式的基礎上，發(fā)明了多種可實現(xiàn)空間三平動一轉動的末端平臺構型，其中一種在結構上將Heli4動平臺中的螺旋副傳動改為P副傳動，不僅有效消除了原有機構的裝配間隙，而且采用過約束和封閉式框架設計，在實現(xiàn)輕量化的基礎上保證了機構剛度。目前，在食品、電子、醫(yī)藥等工業(yè)自動化生產(chǎn)領域，基于上述各類高速并聯(lián)機械手開發(fā)的成套自動化裝備已被廣泛用于完成高速搬運、抓放及裝箱等操作。

2.1集成設計理論與方法

提出以空間壓力角為約束，以產(chǎn)生單位加速度力矩最小為優(yōu)化目標的高速并聯(lián)機器人尺度參數(shù)設計方法，并結合以固有頻率為優(yōu)化目標的彈性動力學設計，通過仿真迭代設計，同時保證了系統(tǒng)的運動學、剛體和彈性動力學性能。

利用直接和間接雅可比矩陣的行列式代數(shù)特征，定義了兩類可定量描述鏈內(nèi)和鏈間力傳遞特性的空間壓力角。與傳統(tǒng)運動學性能指標(條件數(shù)、奇異值等)相比，其具有幾何和物理意義明確、可全面描述機構奇異位形的特點。

針對機械手高速和高加速特性的需求，通過考慮慣性項和速度項對單軸驅動力矩的貢獻，定義了兩類無量綱動力學性能評價指標，并由此可得出“無論機構處于直接奇異還是間接奇異，力矩性能評價指標均趨于無窮大”的重要結論。

以上述動力學性能指標為目標函數(shù)，以兩類空間壓力角為約束條件，將由外轉動副驅動、含平行四邊形支鏈的高速并聯(lián)機械手的尺度綜合問題歸納為一類有約束的多目標優(yōu)化問題。

2.2幾何精度保障體系

從誤差分離入手，建立了通過公差設計和制造工藝先抑制姿態(tài)誤差、而后利用運動標定補償位置誤差的幾何精度保障體系。

2.3殘留振動抑制技術

針對僅依賴控制器整定無法消除殘留振動的問題，提出通過離線辨識主模態(tài)參數(shù)設計整形器，然后對關節(jié)指令實施在線整形，進而抑制殘留振動的新方法。

3　結論

研究解決高速并聯(lián)機械手的設計問題，是實現(xiàn)該類機械手高速和高加速運動的重要基礎。近年來，國內(nèi)外學者針對高速并聯(lián)機械手的設計，圍繞其拓撲結構創(chuàng)新、尺度參數(shù)設計、精度分析、動態(tài)分析、運動控制等方面開展了大量研究工作，但針對機械手的運動特性，下面問題還需進一步解決：一是以往僅針對某一機械手開展設計研究，未建立統(tǒng)一指導該類機械手設計的理論和方法；二是機械手各種數(shù)學模型(運動學、剛體動力學、彈性動力學)間尚未建立有效且直觀的聯(lián)系，未形成可同時指導該類機械手跨模型設計的體系和方法；三是缺乏可充分表征該類機械手運動高速和高加速特性的性能評價指標。所以，研究可統(tǒng)一指導該類高速并聯(lián)機械手跨模型的參數(shù)設計方法，探索具有針對性意義的性能評價指標，對于豐富高速并聯(lián)機械手的設計理論，推動其工程應用，具有重要的理論和實際意義。