依據(jù)運動學(xué)結(jié)構(gòu),可將機器人分為串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人和混合機器人三大類別。其中,串聯(lián)機器人由一組開環(huán)運動鏈組成,并聯(lián)機器人由一些閉環(huán)運動鏈組成,混合機器人則同時包含了開環(huán)和閉環(huán)運動鏈。
雖然并聯(lián)機器人出現(xiàn)時間較串聯(lián)機器人晚,但其無論在學(xué)術(shù)理論,還是實際應(yīng)用上都填補了一些行業(yè)空白。在發(fā)展歷史中,并聯(lián)機器人的優(yōu)點正被慢慢凸顯出來。
具體來看,串聯(lián)機器人是工業(yè)應(yīng)用場景中最常用的類別,其主要優(yōu)點是對于自身體積和所占的地面范圍,具有很大的工作空間,缺點是其由于開環(huán)運動學(xué)結(jié)構(gòu)所帶來的較低剛度和較大慣性。
反觀并聯(lián)機器人,由于其閉鏈的運動結(jié)構(gòu),具有高剛度,高承載力;且驅(qū)動電機多安裝于定平臺,故具有慣性小,速度快的優(yōu)點。再加上某些機器人的特定工作空間,并聯(lián)機器人在實際工程中找到了獨特的用武之地。
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(jìn)行了機構(gòu)學(xué)意義上的研究,并將其推廣應(yīng)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(yīng)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(zhǔn)任務(wù)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(xué)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(xué)和天津大學(xué)合作研制的大型鏜床類并聯(lián)樣機VAMTIY;
1998年,東北大學(xué)研制了五軸聯(lián)動三桿并聯(lián)機床DSX5-70。
1999年,天津大學(xué)和天津第一機床總廠合作研制了三坐標(biāo)并聯(lián)機床商品化樣機LINAPOD,哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制了一臺六自由度并聯(lián)機床樣機。
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(yīng)用水平日益提高,逐漸受到企業(yè)的認(rèn)可與使用。
并聯(lián)機器人分類
1、Stewart機器人
Stewart機器人可以說是最經(jīng)典的并聯(lián)機器人,也是世界上出現(xiàn)的第一種并聯(lián)機器人。這類機器人最初由Gough在1947年發(fā)明,被用于檢測各種載荷條件下的輪胎磨損。
將Stewart與Gough聯(lián)系在一起是源于Stewart在1965年發(fā)表的一篇論文中,提及了Gough的工作和這種平臺的圖像,這篇論文對并聯(lián)機器人運動學(xué)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響。基于此,這類構(gòu)型的并聯(lián)機器人也被稱為Gough-Stewart機器人。
該機器人為六自由度,有六條支鏈,每條支鏈的兩端為球副,中間由一移動副聯(lián)接兩桿。由于其剛度高和重負(fù)載的優(yōu)點,Stewart機器人常被用于各種重載的模擬臺,例如飛行模擬器、地震模擬臺、航天對接裝置,以及用于確定組合載荷下輪胎的性能等;在民用方面的應(yīng)用包括電影座椅等。
現(xiàn)在生產(chǎn)Stewart平臺相關(guān)產(chǎn)品的機構(gòu)知名的主要有美國MOOG、南京全控等。
2、Delta機器人
另一種具有跨時代意義的并聯(lián)機器人——Delta機器人發(fā)明于20世紀(jì)80年代,發(fā)明人為Reyrnond Clavel。這種新型機器人發(fā)明的初衷是,以非常高的速度操縱輕而小的物體。1991年,Reyrnond Clavel提交了自己的博士論文,同時為Delta機器人申請了專利。他在1999年獲得了金機器人獎,以表彰其在Delta機器人領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
1999年,ABB開始銷售Delta機器人。直到其專利在2012年解禁后,國內(nèi)的機器人企業(yè)才開始生產(chǎn)并銷售Delta機器人。ABB也成為了現(xiàn)在國際上做delta機器人最成熟的公司,目前國內(nèi)出貨量比較多的廠商有阿童木機器人、勃肯特機器人、李群自動化等。
Delta機器人是最經(jīng)典的少自由度機器人,也是在實際工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種并聯(lián)機器人。三自由度Delta機器人由三條支鏈組成,其關(guān)鍵之處在于使用了平行四邊形結(jié)構(gòu),可以保證末端執(zhí)行器的姿態(tài)。
Delta機器人的最大優(yōu)勢是速度快,業(yè)內(nèi)勃肯特的高速并聯(lián)機器人標(biāo)準(zhǔn)節(jié)拍已達(dá)到433次/min,超過了國外品牌,可見Delta機器人很適合用于抓取搬運小重量物體,所以被大規(guī)模應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、3C等領(lǐng)域。
不僅如此,在傳統(tǒng)Delta機器人的基礎(chǔ)上,還有許多變種,在保留其高速的情況下,給予機器人更多的自由度,以滿足工程需要。
(1)在機器人的定平臺中心加一個UPU支鏈,使其變成一個四支鏈四自由度的機器人,增加了一個垂直于動平臺的轉(zhuǎn)動。
(2)在動平臺上增加一個小轉(zhuǎn)動電機等,從而增加機器人的自由度,其在自由度上與上一種變種機器人相同。
(3)Adept Quattro機器人,在Delta機器人三支鏈基礎(chǔ)上增加一個支鏈,使其變成四驅(qū)動三自由度的冗余機器人,與同類型機器人相比,其高效率可節(jié)省23%的能耗,同時速度在delta的基礎(chǔ)上還可以大大增加。
(4)Delta機器人還可以將其提供驅(qū)動的轉(zhuǎn)動副變?yōu)橐苿痈?,移動副可以與動平臺形成不同的角度,分別為移動副與動平臺平行、移動副與動平臺成任意角度、移動副與動平臺垂直。其中前兩者仍然用于搬運抓取,而后者常用于3D打印機。
(5)此外,在將驅(qū)動關(guān)節(jié)改成移動副的基礎(chǔ)上,三條移動副還可以設(shè)計為不對稱的形狀,將三條移動副軸線設(shè)計為三條平行的直線,也是Delta機器人的變種之一。
3、五桿機器人
五桿機器人是最簡單的并聯(lián)機器人,具有兩個自由度,可以在平面上做二維移動,通常與平行四邊形機構(gòu)配合使用,以保證末端執(zhí)行器的姿態(tài)不變。在實際工業(yè)應(yīng)用中,主要應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、3C等領(lǐng)域的搬運。
4、靈巧眼機器人
靈巧眼機器人具有三自由度,其動平臺可以做三維轉(zhuǎn)動。該機器人共有三條支鏈,每條支鏈有兩個桿、三個轉(zhuǎn)動副,機器人的所有轉(zhuǎn)動副的軸線會交于一點。基于此特點,動平臺只會繞此點做三自由度轉(zhuǎn)動運動。
由于靈巧眼機器人特有的運動學(xué)和工作空間的特點,常被應(yīng)用于機器人眼球、衛(wèi)星天線、機器人肩關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)等場合。
發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析
事實上,在民用領(lǐng)域,被大規(guī)模應(yīng)用的并聯(lián)機器人只有Delta機器人和五桿機器人,而Delta機器人基本成為了并聯(lián)機器人的代名詞。即使擴(kuò)展到航空航天和軍事領(lǐng)域,比較常用的并聯(lián)機器人也只能再加上Stewart機器人。
值得一提的是,并聯(lián)機器人的實際應(yīng)用并不僅限于此,例如3-SPS-PS機器人和支鏈嵌套并聯(lián)機器人等由于其工作空間的特點,在工程應(yīng)用上也有很大的潛力。
構(gòu)型上的改變屬于機器人最底層的改變,而機器人行業(yè)研發(fā)成本高、周期長,工業(yè)又以營利為目標(biāo),因而更傾向于求穩(wěn),所以即使是四大家族級別的大機器人廠商,對待新的、不同構(gòu)型的機器人亦十分謹(jǐn)慎。這也是很多并聯(lián)機器人的構(gòu)型在工程實際的潛力并沒有得到完全挖掘的原因。