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delta并联机器人的应用发展

2018-01-16阅读量:

  一、 应用前景

  30年前,比尔•盖茨毅然弃学,创立微软,成为个人电脑普及革命的领军人物;30年后的今天,他分析,目前机器人行业的发展与30年前的电脑行业极为相似,机器人正经历“PC式发展”之路,因此,他预言,机器人即将重复个人电脑崛起的道路,点燃机器人普及的“导火索”。我们相信,这场革命必将与个人电脑一样,彻底改变这个时代的生活方式。

  另外,英国经济学家保罗麦基里认为,以互联网、新材料和新能源为基础,以“数字化智能制造”为核心理念的第三次工业革命浪潮已经到来,而“数字化智能制造”的主体就是工业机器人。当前全球社会组织形式和经济发展正发生深刻变化,随着人口红利的逐渐衰减和技术的飞速发展,机器人有望闪亮登场,“逆袭”人类工业化进程。

  由此,我们可以看到整个工业机器人的发展是历史趋势,而分析如今的社会发展现状,也可以看出其前景非常广阔。近年,随着人口红利的逐渐下降,企业用工成本不断上涨,特别是在食品包装、电子、轻工等领域,工人从事的都是大量重复性劳动,其劳动强度高,又枯燥乏味,因而对能够替代这部分工人的需求越来越强,其中,Delta机器人就是能够解放这类劳动力的最好解决方案。

  Delta并联机器人是一种由移动副或转动副驱动(由连杆或铰链相对运动驱动 )的并联机器人。由于这类机械手可将驱动器布置在机架上,且可将从动臂做成轻杆,这样极大地提高了系统的动力性能,大大减少了机器人运动过程中的惯量,机器人在运动过程中可以实现快速加减速,最快抓取速度可达2~4次/秒,特别适于对物料的高速搬运操作。由于Delta并联机器人采用闭环机构,其末端件上的动平台同时由2-4根驱动杆支撑,与串联机器人的悬臂梁相比,其承载能力高、刚度大,而且结构稳定,所以Delta并联机器人在电子、轻工、食品与医药等行业中得到了广泛的应用。由于串联、并联机器人在机构及性能上的对偶关系,它们之间在应用上不是替代而是互补的关系,各自都有其特殊的应用领域。

  二、 国内外发展现状

  Delta机器人最早是由法国人Clavel博士于1985年发明的,因其结构像倒三角和希腊字母△(音德尔塔)而命名,并提出了三种机构变异形式,以适应不同空间需求。1987年瑞士Demaurex公司首先购买了delta机器人的知识产权并将其产业化,主要用于巧克力、饼干、面包等食品包装。之后BOSCH和ABB也购买了delta机器人的知识产权,国际著名机器人制造商ABB于1999年推出IRB340delta机器人,这种机器人配置了真空系统和计算机视觉系统,实现了delta机器人的产业化,用于食品、医药和电子等行业。Demaurex在同年与瑞士SIG公司合作并开发了C23、C33和CE33三种系列Delta机械手,其中 C33 采用直线副驱动取代转动副驱动,有效地解决了重力平衡问题,该公司后续又推出了 SIG XR33 和 SIG XR22 系列机械手,加速度可达 12G。2009年Clavel博士发明的delta机构专利保护过期,所以近几年很多机器人公司也开始推出了自己的delta机器人,比如德国 ELAU 公司联合 PWB 制造了 ELAU Robot P3;日本的法那科从2009年开始在delta机构的基础上研制了M-1iA(2009)、M-2iA (2010)、M-3iA (2012)机器人。日本的川崎最近也推出了delta机器人。显然 Delta 机构在三维空间内高效的物流解决方案推动了各国机器人公司就该机构的开发热潮。

  

delta并联机器人

 

  Delta并联机器人发明成功以来,我国各高校从未停止过关于Delta并联机器人的研究,包括Delta并联机器人的运动学建模、工作空间求解、实时动态仿真及集成优化设计方法等,且日趋成熟。但在实体方面,由于Delta机构的知识产权保护,我国Delta并联机器人的开发要滞后一些。最早天津大学于2001年开始研制二自由度的delta机器人,目标是突破delta机构的知识产权,其末端加速度最高可达 10G。苏州寸拳的delta并联机器人,其加速度已经超过10G。

  近几年Delta机构的知识产权保护过期,我国各机器人制造商及设备制造企业纷纷开始研发三自由度的Delta并联机器人。2010年武汉人天包装技术有限公司推出二自由度的Delta并联机器人(见图3),并成功应用于民爆大药卷自动装箱生产线中,完成大药卷的装箱任务,本项目已实现产业化,并荣获第四届中国爆破器材行业协会科学技术奖项目奖三等奖。2012年,沈阳新松、广州数控、南京埃斯顿、厦门至工机电、乐佰特等机器人制造商成功的将三自由度的delta并联机器人国产化并在上海工业机器人展会上展示。

  

 

  三、 目前我国Delta机器人发展存在的技术难题

  1. 起步较晚

  我国Delta并联机器人的应用是在近几年出现用工荒之后。2010年美国Adept 公司的Quattro 4自由度高速并联机器人成功应用于我国利乐枕装箱生产线上完成利乐枕的装箱功能,两台并联机器人合作可完成12000包/小时的装箱速度。在这之后Delta并联机器人在利乐枕装箱生产线上大量使用,随后ABB、发那科及川崎公司的Delta并联机器人开始进入中国市场。目前在乳品包装生产线上应用最多的分别是Adept 公司和ABB公司的Delta并联机器人。还有一些Delta并联机器人应用于民爆炸药的包装生产线上,完成小药卷的整理和排列。同时在其它一些食品包装生产线 、药品分拣、收集及轻质产品的包装及加工装配均有应用。可以说国内Delta并联机器人在生产线上的实际应用还比较少,主要集中在高利润的大型生产企业,大多数厂家依然靠人工分拣、装箱。出现这种情况的原因一是大多数生产企业一直习惯于人工分拣、装箱,采用机器人代替人工需要一个认识接受的过程,二是外国进口的Delta并联机器人较昂贵,而国产Delta并联机器人处于刚刚起步的阶段。

  2. 关键控制部分不够成熟

  相对于串联机器人,并联机器人运动学逆解容易,而正解非常复杂,其计算过程需要求解多元非线性方程组。因而目前国内在算法上还存在一些关键技术不完善,而从算法到在计算机控制器上实现,完成一个完整且安全稳定的Delta机器人控制器,又需要更加高的要求。

  3. 机械部分落后国外技术

  鉴于Delta机器人的灵活性与高速型,其电机响应、减速机精度及寿命、连杆件强度及质量、铰接球轴等外部机械设备的要求都比较高,而国内的设备制造商目前无论是从原材料还是从加工工艺和精度来看,都比国外要落后很多,因而,国外Delta机器人的最大加速度可达到20g,国内目前仅能达到12g;同样,国外Delta机器人的抓取节拍可达每分钟260次,但国内的机械结构往往达到100次以上时就容易出现震动甚至机械结构散架等情况。

  四、 未来展望

  Delta并联机器人是目前商业应用最成功的并联机器人,在各行业有着非常广阔的应用前景。在国外经过了二十多年的发展,其结构及控制系统已经非常的成熟,且广泛应用于电子、食品和医药等行业,完成诸如抓取、分拣以及包装等大量的重复性操作。而在我国,Delta并联机器人不论是应用还是开发都是从2010年开始刚刚起步,Delta并联机器人的生产正处于刚刚起步阶段,现正逐步推向市场。国内Delta并联机器人除了性能上低于国外机器人外,国内用户的认知度也不够,所以市场推广需要一个较长的过程。但国内Delta并联机器人可以依据其价格及售后服务上的优势争取一些负载不大、速度要求不高的应用场合。苏州寸拳的delta并联机器人技术上,已经与国外产品持平。

  Delta机器人的另一个优势在于先进的视觉技术。有视觉能力的机器人可以“看见”它们抓取的物体的形状,从而对自己的动作进行调整。这样一来,机器人可以对产品在包装前的摆放位置进行调整。视觉系统还能包装机器人更快的掌握和适应新产品,并对产品质量做出判断。选择带视觉系统的机器人可以解决传统包装设备中不能解决的问题。例如,如果你生产的是冷冻食品,需要将包装好的食品放入箱子中。传统的包装设备无法辨认袋子在传送带上的方向,而带视觉系统的Delta机器人可以按照你指定的方向把包装袋放入纸箱中。

  机器人的视觉系统的关键在于视觉系统本身与Delta机器人的动作控制器的连接。多数的视觉系统都能提供物体的位置的具体信息,视觉系统和控制器之间的连接非常紧密,精确度高达0.04。随着机器人的设计技术不断发展。例如,一些系统可以利用单台照相机提供多个机器人的信息。编码器的技术也在进步,一些生产商不断改进软件质量,从而提高机器人的可操纵性。

  不论从哪个方面分析,机器人都有很高的利用价值,而一般成本在$100000左右。据2004年联合国机器人报道,劳动力成本从1990年开始增长了50%,而机器人的成本则同期下降了80%。