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隨著科技越來越發(fā)達(dá),機(jī)器人也逐漸進(jìn)入人們的生活,給生活帶來很大的便利。
機(jī)器人分為串聯(lián)機(jī)器人、并聯(lián)機(jī)器人和混合機(jī)器人三大類別。其中,并聯(lián)機(jī)器人由一些閉環(huán)運(yùn)動(dòng)鏈組成,有兩種經(jīng)典構(gòu)型:Delta機(jī)器人和Stewart機(jī)器人。
Delta并聯(lián)機(jī)器人在上世紀(jì)90年代才真正引起廣泛注意,具有剛度高、速度快、柔性強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛,在物料的搬運(yùn)、包裝、分揀等方面有著無可比擬的優(yōu)勢。近年來,隨著在市場中的應(yīng)用日益廣泛,并聯(lián)機(jī)器人已成為工業(yè)機(jī)器人需求增長的新生力量。
目前來看,并聯(lián)機(jī)器人基數(shù)尚小,相較于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)器人市場,參與的玩家不多,國際企業(yè)包括ABB、發(fā)那科、博力實(shí)、歐姆龍等。高工產(chǎn)研機(jī)器人研究所(GGII)數(shù)據(jù)顯示,2019年,中國市場DELTA銷量4620臺(tái),同比增長30.14%,其市場產(chǎn)值規(guī)模5.94億元,同比增長12.50%。GGII預(yù)計(jì),作為工業(yè)機(jī)器人的細(xì)分賽道,Delta并聯(lián)機(jī)器人市場足夠支撐起每年10億級(jí)的市場需求。
相較于Delta機(jī)器人的火熱,Stewart機(jī)器人作為世界上出現(xiàn)的第一種并聯(lián)機(jī)器人,其應(yīng)用場景一直沒有得到充分挖掘。
Stewart機(jī)器人是什么?
Stewart機(jī)器人擁有六自由度,有六條支鏈,每條支鏈的兩端為球副,中間由一移動(dòng)副聯(lián)接兩桿。
Stewart機(jī)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(tái)的圖像,這篇論文對并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(jī)器人也被稱為Gough-Stewart機(jī)器人。
在學(xué)術(shù)上,Stewart機(jī)器人也是最經(jīng)典的并聯(lián)機(jī)器人構(gòu)型。大學(xué)課本里介紹并聯(lián)機(jī)器人,第一個(gè)例子大多是Stewart機(jī)器人;教材中對并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算舉例,大多也會(huì)以Stewart機(jī)器人為例,足見Stewart機(jī)器人在并聯(lián)機(jī)器人中的地位。
Stewart機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn):
1、重載:這也是并聯(lián)機(jī)構(gòu)普遍的優(yōu)勢,但是Stewart機(jī)器人優(yōu)勢尤其明顯。理由很簡單,它有六條 “腿”,動(dòng)平臺(tái)和負(fù)載的重量被分散到了六條支鏈上。有研究顯示,在具有相同負(fù)載能力的情況下,Stewart機(jī)器人的重量大約是傳統(tǒng)六自由度串聯(lián)機(jī)器人重量的1/20;
2、全自由度:Stewart機(jī)器人擁有完整的六個(gè)自由度,所以其動(dòng)平臺(tái)在工作空間內(nèi)理論上可以完成任意位姿的運(yùn)動(dòng)。
Stewart機(jī)器人由于其構(gòu)型和自由度的特點(diǎn),也有其先天不足,限制著其進(jìn)一步發(fā)展,其缺點(diǎn)如下:
1、沒有正解解析解:由于其具有六個(gè)自由度和構(gòu)型的特點(diǎn),現(xiàn)在還沒有求解出其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的解析解,所以其現(xiàn)在很難實(shí)現(xiàn)像Delta機(jī)器人一樣的高精度運(yùn)動(dòng)(delta機(jī)器人可以求解出其運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的解析解);
2、奇異位型復(fù)雜:由于自由度多,Stewart機(jī)器人的奇異位型十分復(fù)雜,現(xiàn)在學(xué)術(shù)界已經(jīng)求解出它的8種奇異位型,其中第8種奇異位型于2004年被求解出來,彼時(shí)距離Stewart發(fā)表的論文已經(jīng)過去了半個(gè)世紀(jì),也就是說,可能還有奇異位型未被發(fā)現(xiàn);
3、沒有工作空間的解析解:由于學(xué)術(shù)界還沒有求解出Stewart機(jī)器人的解析解,所以其工作空間也沒有解析解,現(xiàn)在通用的方法是使用蒙特卡洛法搜索。工作空間小原本就是并聯(lián)機(jī)器人的一大缺點(diǎn),而Stewart機(jī)器人又沒有工作空間解析解,對于Stewart機(jī)器人的應(yīng)用就更加不利了。
新興機(jī)器人企業(yè)的入局
覺察到Stewart機(jī)器人的獨(dú)特優(yōu)勢,現(xiàn)在已經(jīng)有機(jī)器人廠商開始研發(fā)Stewart機(jī)器人,進(jìn)而有可能將其觸手伸向搖擺臺(tái)、模擬臺(tái)領(lǐng)域,與傳統(tǒng)專注于搖擺臺(tái)、模擬臺(tái)的“領(lǐng)跑”企業(yè)競爭。
機(jī)器人企業(yè)最大的優(yōu)勢在于其控制技術(shù)。由于Stewart機(jī)器人使用場景對精度一般要求不高,運(yùn)動(dòng)較簡單,將傳統(tǒng)的機(jī)器人控制算法、軌跡規(guī)劃算法應(yīng)用到模擬臺(tái)的場景,屬于降維競爭。
另一方面,和傳統(tǒng)的搖擺臺(tái)、模擬臺(tái)企業(yè)相比,機(jī)器人企業(yè)的劣勢也同樣明顯:
1、資質(zhì)問題:相當(dāng)一部分的模擬臺(tái)項(xiàng)目出自于軍方,如果企業(yè)想要投標(biāo),需要有一定的保密資質(zhì),而這個(gè)資質(zhì)是相當(dāng)一部分機(jī)器人企業(yè)所不具備的。沒有資質(zhì),企業(yè)連投標(biāo)的資格都沒有。可是一旦成功申請保密資質(zhì),企業(yè)就需要遵守規(guī)定,例如辦公電腦不能上網(wǎng)等,這樣的條件對于公司辦公效率是不利的;
2、重載的要求:和Delta機(jī)器人的應(yīng)用場景不同,Stewart機(jī)器人常用于重載的工況,其安裝方式與Delta也不同,它的定平臺(tái)在下,動(dòng)平臺(tái)在上。動(dòng)平臺(tái)上的負(fù)載,可能是一艘軍艦,可能是一架飛機(jī),也可能是一輛坦克。負(fù)載可能為幾噸、幾十噸甚至上百噸。工況的突然轉(zhuǎn)變,也會(huì)對公司帶來全新的挑戰(zhàn);
3、非標(biāo)設(shè)計(jì)的要求:現(xiàn)在做Delta機(jī)器人的企業(yè),多為研發(fā)出不同型號(hào)的機(jī)器人,然后將不同型號(hào)的機(jī)器人應(yīng)用于不同的場景上。但是搖擺臺(tái)、模擬臺(tái)的每個(gè)項(xiàng)目都不一樣,工況千差萬別,所以很難依靠幾種現(xiàn)有的型號(hào)應(yīng)付不同的項(xiàng)目,需要經(jīng)常針對不同的項(xiàng)目,對搖擺臺(tái)進(jìn)行單獨(dú)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真。
而非標(biāo)設(shè)計(jì)最大的難點(diǎn)是:圖紙只會(huì)使用一次,最多兩三次,從成本和時(shí)間上來說,非標(biāo)設(shè)備在生產(chǎn)過程中不允許零件二次制造(與生產(chǎn)線的非標(biāo)設(shè)計(jì)有些類似)。這種經(jīng)常性的機(jī)器人本體的非標(biāo)設(shè)計(jì)要求,也可能會(huì)讓機(jī)器人企業(yè)不太適應(yīng)。
基于上述分析,在資質(zhì)、重載和非標(biāo)三個(gè)不利因素下,現(xiàn)有的Delta企業(yè)如果想進(jìn)軍搖擺臺(tái)領(lǐng)域,更好的方式是與原有成熟的搖擺臺(tái)企業(yè)合作。但是南京全控通過多年自身研發(fā)努力，已經(jīng)成功攻破這三座壁壘，公司目前已通過GJB9001C-2017武器裝備質(zhì)量管理體系、武器裝備科研生產(chǎn)單位二級(jí)保密資質(zhì)、ISO9001質(zhì)量體系、ISO14001環(huán)境管理體系認(rèn)證、ISO45001職業(yè)健康安全管理體系、CE產(chǎn)品認(rèn)證和軟件企業(yè)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)管理體系認(rèn)證、兩化融合管理體系認(rèn)證，截至2022年3月南京全控全球累計(jì)申請專利127件，其中申請發(fā)明專利16件，PCT國際專利申請1件，累計(jì)獲得授權(quán)專利94件，軟件著作權(quán)44件、軟件產(chǎn)品8件、商標(biāo)28件，獲得國家高新技術(shù)企業(yè)、江蘇省科技型中小企業(yè)等稱號(hào)。幾噸的項(xiàng)目已成為家常便飯，數(shù)十噸的項(xiàng)目今年也有不少，其廣泛應(yīng)用于電影主題危機(jī)航線、陰陽師等、軍工項(xiàng)目空中加受油模擬都是數(shù)十噸高負(fù)載項(xiàng)目。
未來Stewart并聯(lián)機(jī)器人將在軍工、娛樂發(fā)揮越來越重要的作用，同時(shí)在醫(yī)療等高精度定位場所也會(huì)有長足的發(fā)展。作為國內(nèi)領(lǐng)先的六自由度Stewart運(yùn)動(dòng)平臺(tái)企業(yè)，今后南京全控也將繼續(xù)加大研發(fā)力度，豐富產(chǎn)品種類，為國產(chǎn)Stewart并聯(lián)機(jī)器人行業(yè)發(fā)展做貢獻(xiàn)。
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