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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***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***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***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***经典的并联机器人构型。大学课本里介绍并联机器人,***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、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,