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关于并联机器人,你知道的和不知道的都在这了
导语: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,与串联机器人一起构成工业机器人的重要部分。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。
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,与串联机器人一起构成工业机器人的重要部分。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。近两年,随着并联机器人在市场中的应用日益从广泛,已成为工业机器人需求增长的新生力量。

__1 发展历程__

__国外__



_并联娱乐装置_

1931年,Gwinnett在其专利中提出了一种基于球面并联机构的娱乐装置;



_Pollard的并联机构_

1940年,Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构,用于汽车的喷漆;



_并联机器人_

1962年,Gough发明了一种基于并联机构的六自由度轮胎检测装置;



_Gough-Stewart机构_

1965年,Stewart首次对Gough发明的这种机构进行了机构学意义上的研究,并将其推广应用为飞行模拟器的运动产生装置,这种机构也是目前应用最广的并联机构,被称为Gough-Stewart机构或Stewart机构。

1978年,Mccallino等人首次设计出了在小型计算机控制下,在精密装置中完成校准任务的并联机器人,真正拉开了并联机器人研究的序幕。

80年代末期到90年代以来,并联机器人才引起广泛注意。

__国内__

1991年,燕山大学黄真教授在研制出我国第一台六自由度并联机器人样机;

1997年,清华大学和天津大学合作研制的大型镗床类并联样机VAMTIY;

1998年,东北大学研制了五轴联动三杆并联机床DSX5-70。

1999年,天津大学和天津第一机床总厂合作研制了三坐标并联机床商品化样机LINAPOD,哈尔滨工业大学也研制了一台六自由度并联机床样机。

1999年,高峰等提出了一种正交式的六自由度并联机构,并将其用作虚轴机床。

我国对并联机器人的研究起步较晚,技术与国外相比还存在着差距。在并联机器人不过,经过近几年的发展,国产并联机器人应用水平日益提高,逐渐受到企业的认可与使用。

__2 并联机器人特点__

并联机构(Parallel Mechanism,简称PM),可以定义为动平台和静平台(定平台)通过至少两个独立的运动链相连接,机构具有两个或两个以上自由度,且以并联方式驱动的一种闭环机构。其特点有:

- 结构紧凑,刚度高,承载能力大;

- 无累计误差,精度高;

- 占用空间小;

- 速度快,运动性能佳,

- 部件磨损小,寿命长



_并联机器人结构图_

__3 并联构型分类__

在并联机器人机构体系中,有多种机构种类的划分,按照自由度划分,分为:

(1)2自由度并联机构

在并联机构领域,2自由度并联机构的自由度最少,分为平面结构和球面结构两大类,主要适用于平面或球面定位,应用领域大。



_二自由度并联机器人_

天津大学拥有独立知识产权的二自由度并联机构Diamond机器人目前已规模化应用在电子、医药、食品等工业领域中,为包装、移载等物流环节提供了高效、高质的保障。

(2)3自由度并联机构



__Delta并联机器人__

3自由度并联机构种类较多,形式较复杂,一般有以下形式:平面3自由度并联机构,如3-RRR机构,它们具有2个移动和一个转动;球面3自由度并联机构,如3-UPS-1-S球面机构,该类机构的运动学正反解都很简单,是一种应用很广泛的3维移动空间机构;空间3自由度并联机构,如Delta并联机器人,这类机构属于欠秩机构,在工作空间内不同的点其运动形式不同是其最显著的特点。还有一类是增加辅助杆件和运动副的空间机构。

(3)4自由度并联机构



_四自由度并联机器人_

4自由度并联机构大多不是完全并联机构,不过可以扩大应用范围,在三自由度并联机构的基础上增加一个转动自由度,形成四自由度并联机器人。

(4)5自由度并联机构

国际上一直认为不存在全对称五自由度并联机器人机构。不过,非对称五自由度并联机器人机构比较容易综合。Lee和Park在1999年提出一种结构复杂的双层五自由度并联机构;Jin等在2001年综合出具有三个移动自由度和两个转动自由度的非对称五自由度并联机构;高峰等在2002年通过给六自由度并联机构添加一个五自由度约束分支的方法,综合出两种五自由度并联机构。

(5)6自由度并联机构



_六自由度并联机器人_

6自由度并联机构是并联机器人机构中的一大类,是国内外学者研究得最多的并联机构,广泛应用在飞行模拟器、6维力与力矩传感器和并联机床等领域。但这类机构有很多关键性技术没有或没有完全得到解决,比如其运动学正解、动力学模型的建立以及并联机床的精度标定等。

__4 应用领域__

并联机构多用于需要高刚度、高精度、高速度,无需大空间的场合,具体应用包括:

1.食品、医药、电子、化工行业的分拣、搬运、装箱等。



_并联机器人在化工行业应用_

2、模拟运动

如飞行员三维空间训练模拟器;工程模拟器,如船用摇摆台等;检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性;娱乐运动模拟台。



_波音737-400飞行模拟器_

3、并联机床



_并联机床_

4、对接动作



_航天器对接口_

如宇宙飞船的空间对接;汽车装配线上的车轮安装;医院中的假肢接骨。

5、承载运动

如大扭矩螺栓紧固;短距离重物搬运。

6、金属切削加工

可应用于各类铣床、磨床钻床或点焊机、切割机。

7、可用于测量机,用来作为其他机构的误差补偿器

8、微操作机器人

用于微动机构或者微型机构

9、机器人关节

可用作机器人的关节,爬行机构、食品、医药包装和移载机械手等

__5 发展现状及前景分析__

我国对并联机器人研究起步较晚,技术研发与应用水品与国外同类产品相比还有较大的差距。国际国内市场基本上由发那科、爱德普、ABB等企业占据。

不过,近几年,国产并联机器人产学研结合日益密切,并联机器人应用市场不再由国外完全包揽。尤其是随着2012年国外专利解禁,国内市场涌现出了一大批并联机器人企业,销售市场呈现出了良好发展局面。据统计,2014年国内并联机器人市场销售约600台,2015年销售约900台,2016年市场预测在1400台左右,每年呈50%以上的增速发展,5年内并联机器人年市场销售预测将超过万台;随着增速的加快,10年内国内并联机器人年市场销售预测近10万台。并联机器人已成为工业机器人销售增长的新生力量!



目前据不完全统计,我国食品企业共有45万余家,医药企业近7000余家,化妆品企业3700余家,电子行业4900余家。而这些轻工行业有着3000万“蓝粉”工人,全球则有5亿以上“蓝粉”工人。随着我国“机器换人”的步伐,一台并联机器人可替代3~5名“蓝粉”工人,其中的潜在应用市场需求巨大,并且未来将不断扩大。尤其是近年来,并联构型延伸到教育、生活服务等更广泛的应用市场,并联构型产业发展迅速。有专家预测“并联市场需求即将迎来井喷式增长”。
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