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四倍强劲动力新型并联机器人崭露锋芒

发布时间:2018-10-23 阅读数:688

机床是制造业的“工作母机”,一个国家机床行业技术水平,是衡量其装备制造业先进程度的重要标志。根据结构特点的不同,机床有串联式、并联式和混联式。串联式结构相当于我们单手操作,工作范围大但承载能力小;而并联式可视作双手或多手并用,承载能力大、刚度高,精度高,但工作范围小。混联机床由并联部分和串联部分组成,兼具工作范围大和精度高的优势,是开发高端机床的合适方案。

李秦川,浙江理工大学教授,毕业于燕山大学,博士师从我国并联机器人机构学的开拓者黄真教授,博士课题主要研究少自由度并联机器人构型综合,即根据并联机器人的运动要求即自由度,发明新的机构构型,并研究设计方法。2003年,李秦川博士毕业后加盟浙江理工大学。李秦川教授近年来主持国家杰出青年科学基金、浙江省杰出青年科学基金等项目,入选国家和浙江省万人计划科技创新领军人才,是浙江理工大学机器人研究团队的带头人。团队目前有教授二人、副教授一人,讲师六人,研究方向包括机器人结构创新与优化技术、机器人精密测量与驱动技术、机器人先进控制技术、机器人感知与智能认知技术。

 

并联机器人:高速、高刚度、大承载能力

 

长期研究表明,混联机床最合适的并联部分是可输出两个转动和一个平动的并联机器人。并联机器人具有许多无法替代的优势,如高速、高刚度、承载能力大、动态响应好等。

“就好比一只手端水和两只手端水,一只手端水的话,总会有些颤抖,但是两只手的话,就会稳定很多。”对于并联机器人,李秦川教授打了一个生动鲜活的比喻,“而我们的并联机器人有四条支臂,这样一来,稳定性就很高了。”

10 年来,以并联机器人机构作为主机构的并/混联构型装备已获得广泛应用。对于很多不需要空间六个自由度的操作(如对准、姿态定位、轴对称的机加工),此时使用合适的少自由度(自由度数小于6)并联机器人可以降低加工制造、标定、控制和维护等方面成本,少自由度并联机器人已成为国际并联机构学术界和工业界关注的热点和前沿。发达国家非常注重少自由度并联机器人的自主创新、系统设计和工程应用,如欧盟在第五、六、七框架中先后部署了 Robot ToolMACH21SMErobot等科技计划,为提高飞机数字化装配、汽车制造、食品医药生产线自动化水平,设计和开发以少自由度并联机器人为主执行机构的新一代高端装备。尤其是具有两个转动自由度和一个移动自由度的两转一移三自由度并联机器人,被用作望远镜聚焦装置、运动模拟器、微操作机械手、坐标测量机、加工中心的主轴头等。这些应用中最成功的当属德国 DS Technologie 公司于1999 年推出的基于 3-PRS 并联机构的 Z3 主轴头,该主轴头与 X/Y 轴线性导轨集成后,可构建五坐标高档数控加工中心,主要用于大型航空结构件(梁、筋、肋板、框、壁板)的高速加工。

就目前来说,成功应用的混联机床寥寥无几,主要原因有两方面:一是缺乏合适的并联机构构型,机构内部铰链(薄弱环节)数目过多,限制了机构的精度,二是并联机构的转动轴是虚拟的,无法实时测量和闭环控制。在浙江省自然科学基金重点项目的资助下,浙江理工大学李秦川教授团队针对以上难题开展了研究,取得了一系列创新性成果,20141月,李秦川教授团队开展了“RPR 类并联机构构型综合与尺度设计方法”项目,并于201712月顺利通过结题验收。

在该项目开展之前,国际上铰链数最少的两转一移并联机构是Exechon并联机器人,由瑞典艾克斯康公司研发,具有13个单自由度铰链,且转动轴是虚拟的,控制难度大。李秦川教授以位移流形数学理论为基础,对机构内关节的活动运动和消极运动进行辨识。由于消极运动对机构的输出运动不起作用,可将消极运动对应的关节移除,从而降低机构内部铰链数目。再结合转动轴构造与迁移方法,将并联机构的转动轴设计为与某个关节轴线重合。通过以上方法,设计出了一系列新型两转一移并联机构。每个机构仅有12个单自由度铰链,且转动轴是机构内部实际存在的关节轴,可在关节上安装传感器,实时测量转动角度,从而实现闭环控制。由于具有这些特点,设计出来的并联机构相比于Exechon机器人,无论是在精度方面,还是在控制难度上,都具有显著的优势。在新提出构型的基础上,团队研究设计了一台五轴混联机床,适用于切削加工、焊接等一系列复杂操作,展现出了优越的操作性能。相关专利已完成实施许可转化,有望突破欧美国家在混联机床领域的垄断局面,为中国制造高端装备的研发提供助推器。项目研究成果得到了国际同行的高度评价。美国国家机器人路线图编委、耶鲁大学A M. Dollar教授评价项目成果是“位移流形方法在并联机构构型综合中应用的里程碑”。

 

从无到有拼搏前行

 

李秦川教授回顾了他们团队最初设计的动机,感慨说:“普通的并联机器人的输出没有各向异性,而只有各向同性,因此,这些并联机器人有时不能满足一些特殊的工艺需求。就拿火箭燃料箱为例,它的顶是圆顶结构,所采用的是搅拌摩擦焊的焊接工艺,也就是通过摩擦生热的方式把两块材料接在一起,这样就不需要焊接辅料。火箭燃料箱的直径非常大,有的可能长达5米,在进行搅拌摩擦焊时,可能在一个方向上需要很大的摆动幅度,但是在另一个方向上,所需要的摆动幅度却很小,而传统的并联机器人很难满足这种工艺要求,因为传统的机器人在每个方向上的摆动幅度都是均匀一致的。基于这样的应用需求,我们就想了,能不能设计具有输出各向异性的并联机器人?”

李秦川教授称自己的研究属于概念设计范畴,是实现“从无到有”的过程。这个过程对新装备的研发是至关重要的。究其原因,机构是装备的核心骨架。新的构型是获得自主知识产权的前提,而有效的设计方法则是工程实际应用的基础保证,因此要实现高端装备的自主创新,必须在机构的构型和设计方法上有所突破。如何找到一种系统的方法,能够科学有效地发明新机构,解决构型综合问题,本质上也是一种原始创新。

李秦川教授说,在省基金的资助之下,他们已经完成了基础性的工作,而接下来,在基金的支持下,李秦川教授的团队将进一步开展机器人基础理论和应用关键技术研究,为提升我国机器人高端装备的理论与技术水平继续拼搏前行。

           

       

            

                                                               (作者:高天峰      通讯员:周丽敏)

 

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