C位出道-Stewart并联机器人

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,中国企业包括勃肯特、阿童木、华盛控、李群等。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机器人的优点显而易见:

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。

Stewart机器人的主要“玩家”

正是由于Stewart机器人的这些优缺点,Stewart机器人常被用于模拟台、摇摆台领域,例如飞行模拟器、地震模拟台、舰船模拟台、汽车模拟台等;在民用方面的应用包括电影座椅等。这类工况一般都希望平台有六个自由度,重载,但是运动的速度比较低,同时对运动的精度要求不高。

现在国内传统的生产Stewart平台相关产品的企业主要有天津鼎成、福云天翼、大连瑞新、星光凯明、武汉华之洋等。

天津鼎成高新技术产业有限公司,是天津工程机械研究院全资子公司,由原天工所军工处于1999年改制而来,隶属于中国机械工业集团有限公司,其产品以串联摇摆台和六自由度并联摇摆台为主。

大连瑞信摇摆台科技有限公司,其前身为哈尔滨工业大学流体传动及控制教研室,公司于2001年创建,主营二、三、六自由度并联摇摆台。

天津福云天翼科技有限公司,是哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所于2010年创建而成的独资公司,主营各种模拟台及三、六自由度并联摇摆台。

北京市星光凯明动感仿真模拟器中心,于1999年成立,主营单自由度、二自由度、三自由度、四自由度、六自由度运动仿真试验平台。

武汉华之洋科技有限公司其前身为七一七研究所光电系统应用部,是中国船舶重工集团第七一七研究所(HIEO)的控股子公司,创建于2000年,主营二、三、五自由度串联和六自由度并联摇摆台。

综合来看,现有的摇摆台玩家一般发源于研究所,或者由具备国家军工背景的企业衍生而来,这些企业或长期和军方打交道,或本身就是国家的军工企业,同时本身也有一定的科研能力,所以有资格,也有能力分享摇摆台这块“蛋糕”。一般的民营机器人企业由于没有上述优势,所以通常不将摇摆台作为研发重点。

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。

但是由于资质问题,出现的合作情况更可能是传统的摇摆台企业占主动权。在合作中,摇摆台企业以自己的资质参加投标,机器人企业作为摇摆台企业的一个乙方参与其中。在实际项目中,摇摆台企业负责机械设计、铰点位置确定(机器人企业也可参与其中)、加工工艺,而机器人企业可以负责控制算法、机器人位置标定等工作。

后记

在摇摆台领域,将摇摆台、模拟台称作机器人的说法并不常见,但是以Stewart构型为基础的六自由度摇摆台能够满足机器人的一切定义,所以它是货真价实的并联机器人,是Delta机器人的“大哥哥”。

Stewart机器人的发明标志着并联机器人的诞生;它在军工,娱乐等方面发挥着自己的作用,减速器、电动缸(液压缸)、虎克铰、球铰和控制器是其核心元器件。也可应用于多种的运动模拟以及高精度定位场所。Stewart类机器人用于高铁行进模拟场合。                

来源:中国传动网综合编辑