轉(zhuǎn)載自高工機(jī)器人

各位來(lái)賓下午好，非常榮幸在這個(gè)會(huì)上做報(bào)告。這個(gè)題目（《并聯(lián)機(jī)器人助力中國(guó)制造2025》）特別大，我主要是介紹我們團(tuán)隊(duì)近幾年來(lái)做的關(guān)于混聯(lián)機(jī)器人的一些工作。

大家都知道，工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)非常大的范疇，混聯(lián)機(jī)器人基本上屬于工業(yè)機(jī)器人下面的一個(gè)分支，它主要是圍繞大型結(jié)構(gòu)件加工提出的。大型結(jié)構(gòu)件有很多的例子，包括我們航天火箭、飛機(jī)火車(chē)，主要有兩個(gè)特點(diǎn)：一個(gè)是尺寸非常大，要求精度很高；同時(shí)，還需要現(xiàn)場(chǎng)制造。

那么解決的方案，基本上有三大類(lèi)：

第一類(lèi)，就是用我們傳統(tǒng)的大型的機(jī)床加工，包括龍門(mén)機(jī)床。還有現(xiàn)場(chǎng)的，主要就是便攜式裝備，適合開(kāi)敞性比較好的現(xiàn)場(chǎng)局部的制造，比如飛機(jī)里面的鉆鉚，半自動(dòng)或全自動(dòng)的鉆床，或者是像這樣的爬壁的機(jī)器人。這邊下邊這個(gè)圖是德國(guó)開(kāi)發(fā)的用于大型管道的機(jī)器人。

還有一類(lèi)是我們特別熟知的機(jī)器人移動(dòng)工作站，它包括兩類(lèi)，一類(lèi)采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這類(lèi)機(jī)器人應(yīng)用范圍是最廣的，第一個(gè)適合大范圍的移動(dòng)，能夠執(zhí)行焊接，拋錨，對(duì)加工精度要求不是很高。但是是在一個(gè)非常大的場(chǎng)合。

還有一類(lèi)上個(gè)世紀(jì)80年代開(kāi)始有，本世紀(jì)初開(kāi)始發(fā)展，到今天才得到了比較廣泛應(yīng)用的機(jī)器人，叫做混聯(lián)機(jī)器人。那么這種機(jī)器人就可以做成移動(dòng)工作站，比較適合于大型導(dǎo)軌上，以機(jī)床和機(jī)床相當(dāng)?shù)木龋簿褪沁_(dá)到了比如說(shuō)十個(gè)微米或者二十微米的精度，進(jìn)行局部高速精密加工。這里是一些相關(guān)的圖片，左上角的圖片，就是在空客A350寬體客機(jī)機(jī)翼高速加工一個(gè)混聯(lián)機(jī)器人。

目前在世界上，我個(gè)人了解，并聯(lián)機(jī)器人和混聯(lián)機(jī)器人已經(jīng)很多了。但是，真正的在工程中得到應(yīng)用的，基本上就是這么三類(lèi)：第一類(lèi)就是Tricept機(jī)器人。這個(gè)公司叫做LOXIN機(jī)器人，開(kāi)始在汽車(chē)領(lǐng)域，現(xiàn)在在航空領(lǐng)域用。第二類(lèi)就是Exechon機(jī)器人，是瑞典Exechon發(fā)明的同名機(jī)器人，就是右上角那個(gè)圖的機(jī)器人。還有一類(lèi)是Sprint Z3機(jī)器人，這是德國(guó)公司發(fā)明的機(jī)器人，主要用在了大型飛機(jī)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件的高速加工。這些裝備應(yīng)該說(shuō)都是高端裝備，成套使用，每臺(tái)裝備售價(jià)應(yīng)該在一千萬(wàn)元人民幣左右。
 

這個(gè)可以從四個(gè)方面體現(xiàn)出來(lái)：

第一個(gè)是它的速度。它的速度和這個(gè)所謂的關(guān)節(jié)型機(jī)器人相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比機(jī)床高，最高可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)G的速度，機(jī)床基本上實(shí)現(xiàn)不了。精度，略比機(jī)床要低，但是遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于工業(yè)機(jī)器人，也就是我們關(guān)節(jié)臂這樣的機(jī)器人，關(guān)節(jié)臂，就是轉(zhuǎn)動(dòng)出現(xiàn)很小的誤差之后，一伸長(zhǎng)馬上誤差就出來(lái)了。所以說(shuō)串聯(lián)的關(guān)節(jié)型工業(yè)機(jī)器人很難去用到道級(jí)加工精度。剛性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于機(jī)床，但是比關(guān)節(jié)型機(jī)器人要高。然后，它的柔性接近于關(guān)節(jié)型機(jī)器人，比機(jī)床高。我覺(jué)得它是機(jī)床技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)二者的一個(gè)結(jié)合。右邊列出了Tricept 845的技術(shù)指標(biāo)，從精度、技術(shù)、重量等等，都是按照機(jī)床的規(guī)格來(lái)制造的。

天津大學(xué)從03年開(kāi)始研究這個(gè)，至今已經(jīng)有十幾年了。從最開(kāi)始做了兩個(gè)系列的：一個(gè)是Rtivariant，一開(kāi)始用于鋼構(gòu)的加工，我們?cè)谏虾Ｊ啦?huì)的一些結(jié)構(gòu)是用這個(gè)機(jī)器人做出來(lái)的。后來(lái)感覺(jué)做粗加工不行，又做精加工，從2010年以后我們側(cè)重的研究了這個(gè)，后來(lái)提高機(jī)床的精度，也得到了一些應(yīng)用。

下面有這么幾個(gè)問(wèn)題，也就是說(shuō)我們?cè)诖?lián)機(jī)器人的研究或者混聯(lián)機(jī)器人研究過(guò)程之中遇到的一些問(wèn)題，想和大家交流一下。

從高性能混聯(lián)機(jī)器人這個(gè)研究來(lái)說(shuō)，我們國(guó)家還是起步階段，沒(méi)有得到大的應(yīng)用，基本上還是在實(shí)驗(yàn)室的階段。另外，像Tricept、Exechon、Sprint在飛機(jī)領(lǐng)域都得到了應(yīng)用，但是都被保護(hù)起來(lái)了。我們國(guó)家花了很多錢(qián)購(gòu)置這樣的裝備，比如我剛才說(shuō)的Sprint Z3這樣的裝備，就賣(mài)400萬(wàn)歐元。我們國(guó)家在飛機(jī)制造企業(yè)已經(jīng)引進(jìn)了鉆鉚，我們也引入了Tricept這樣的裝備，每一臺(tái)都是上千萬(wàn)。

從機(jī)器人角度來(lái)說(shuō)，第一：要有高靈活性和高柔性，也就是說(shuō)它要有比較強(qiáng)的位姿能力。

第二：就是有高速、高加速的特性，相比國(guó)外做的，它的精載速度要達(dá)到60-90m/min，這就是高性能的機(jī)器人目標(biāo)。它的性能達(dá)到2個(gè)G。

第三：還有一個(gè)高精度，就是重復(fù)精度要達(dá)到10個(gè)微米，它的準(zhǔn)確性要達(dá)到0.05毫米。

第四：還有它的高靜動(dòng)態(tài)特性，我們一般做關(guān)節(jié)型機(jī)器人的分析，它的頻率不會(huì)高于10HZ，這樣的話用不到企業(yè)里頭。如果使得這個(gè)機(jī)器人達(dá)到30HZ以上。這樣才能用到加工里去。

這樣實(shí)際上就面臨了各種各樣的挑戰(zhàn)：

第一個(gè)就是如何找到新的構(gòu)型。新的TOP結(jié)構(gòu)優(yōu)多樣多樣性的，它能夠保證它能夠輕量化，如何從眾多的構(gòu)型里頭找到具有工程使用價(jià)值的結(jié)構(gòu)，這是第一個(gè)面臨的挑戰(zhàn)。

第二個(gè)它要達(dá)到特定的性能，第一個(gè)要功能，第二個(gè)就是性能。性能無(wú)非就是它的精度，它的剛度，它的動(dòng)態(tài)特性要滿足加工的要求。這里對(duì)它的尺度、結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)和控制參數(shù)等都需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。

第三個(gè)就是說(shuō)如何在工程里使用，這里涉及到各種各樣的技術(shù)，有裝備技術(shù)、有加工技術(shù)、有測(cè)量技術(shù)等等。

我今天主要就是介紹前兩個(gè)，一個(gè)是如何來(lái)找到新的構(gòu)型，第二個(gè)如何做它的設(shè)計(jì)。

第一個(gè)，我這個(gè)取得的是自主創(chuàng)新，因?yàn)槲覀円黄茋?guó)外產(chǎn)權(quán)，我們要發(fā)明自己的機(jī)器人，如何做這個(gè)事情？第二個(gè)如何突破關(guān)鍵技術(shù)，使得它的精度達(dá)到工程應(yīng)用的要求？

要做到這兩點(diǎn)，實(shí)際上從構(gòu)型設(shè)計(jì)里，就是我們被稱(chēng)之為功能與性能同時(shí)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。功能就是要實(shí)現(xiàn)多少的自由度，性能就是要達(dá)到相關(guān)的加速特性、相關(guān)的精度，如何來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際上面臨了很多的技術(shù)挑戰(zhàn)。

那么，第一個(gè)就是說(shuō)如何來(lái)找到可以突破國(guó)外知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新機(jī)構(gòu)。這是面臨的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)在剛才我列寫(xiě)的Tricept已經(jīng)有了。前者，我們分析了一下，它的稱(chēng)之為位置型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)加上AC頭構(gòu)成了一個(gè)混聯(lián)機(jī)器人。后者，也就是底下這個(gè)Z3頭是AB擺，是姿態(tài)型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，加上一個(gè)XYZ長(zhǎng)行導(dǎo)管，這是拓樸結(jié)構(gòu)5軸的本質(zhì)。

第一個(gè)如何找到這樣的拓樸結(jié)構(gòu)？我們提出了一種找到這種新機(jī)構(gòu)的方法?；镜囊c(diǎn)它是一個(gè)平面運(yùn)動(dòng)鏈再添加一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，關(guān)鍵就是在這些拓樸構(gòu)型里面找到合適的構(gòu)型。為此，我們就提出了三個(gè)拓樸構(gòu)型優(yōu)先準(zhǔn)則：第一個(gè)就是找到合適的軸線方位，或者你是姿態(tài)型的，或者位置型的。

第二個(gè)非常重要，你所有的腿的設(shè)計(jì)，要滿足一定的力學(xué)準(zhǔn)則，使得它具有好的效果。以前研究到那一步綜合完了就完了，不再考慮這樣的事情。

第三個(gè)就是你這種機(jī)器人必須要做成一種模塊，具有可重構(gòu)性。

按照這樣三個(gè)準(zhǔn)則，實(shí)際做下來(lái)，真正的有用的很少。就是我們右邊打的綠勾的有用。其中兩個(gè)國(guó)外已經(jīng)發(fā)明了，就是Exechon和Z3，那第三個(gè)在哪？

為此我們發(fā)明這樣的機(jī)構(gòu)，它的平名就是由位置并聯(lián)機(jī)構(gòu)加AC頭，然后加上第三條腿，構(gòu)成了這樣一個(gè)5自由度混合并聯(lián)機(jī)器人。

那么這個(gè)機(jī)器人有什么優(yōu)點(diǎn)？它是作業(yè)式機(jī)器人，比現(xiàn)有的Diamond少6個(gè)負(fù)荷。同時(shí)我們可以在這個(gè)中間那條腿和兩個(gè)腳上安裝直線光圈，可以直接感知，進(jìn)而保證它的位置精度。還有一些其他的一些優(yōu)點(diǎn)。

那么應(yīng)該說(shuō)我們發(fā)明的Diamond機(jī)器人是具有我們國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一款機(jī)器人，利用這個(gè)機(jī)器人，或者機(jī)器人的模塊，就可以重構(gòu)出各種各樣的大型構(gòu)建的現(xiàn)場(chǎng)加工裝備。比如可以做成立式的、臥式的布局，也可以做成躺型的布局，適合現(xiàn)場(chǎng)加工的需求。這里我就不想多說(shuō)了。

第一個(gè)是參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)際上你有了拓樸構(gòu)型之后，如何來(lái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，還是比較復(fù)雜的問(wèn)題。那么，原來(lái)的設(shè)計(jì)光考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)，我們這里不光考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)，而且考慮了動(dòng)力學(xué)性能，也就是它的剛度和動(dòng)力學(xué)性能。這里我們給出了整個(gè)相關(guān)的設(shè)計(jì)流程。這是最終的設(shè)計(jì)結(jié)果，右邊是靜力學(xué)和動(dòng)態(tài)特性，大家可以看到它的凈剛度和低頻率基本上還是小型的臥式的加工方式。

第二個(gè)就是綜合性能保障技術(shù)。從機(jī)器人本體來(lái)說(shuō)面臨兩的個(gè)挑戰(zhàn)：第一個(gè)如何控制好，像機(jī)床一樣控制好，這個(gè)是面臨的問(wèn)題。第二個(gè)就是精度的問(wèn)題。

從控制的角度來(lái)說(shuō)，它和串聯(lián)的機(jī)器人完全一樣面臨著兩大困惑。第一個(gè)也就是說(shuō)你的折算到電機(jī)上的，重力負(fù)載也是變化的。這兩個(gè)，重力擾動(dòng)也是隨位形變化，所以要找到適合于這種變化的控制器。

目前來(lái)說(shuō)，我們國(guó)家西門(mén)子已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)，但是我們國(guó)家這個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的制造商還沒(méi)有提供，我們目前主要在這樣開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)上做了相關(guān)的工作。大體的思路，也就是說(shuō)在一個(gè)位形下整理好，在若干個(gè)位型下做好。然后反權(quán)重加權(quán)法，得到全域的控制參數(shù)。基本思路是這樣的。

第二個(gè)就是如何提高它的精度。剛才提到直線光柵，提出了精度的補(bǔ)償方法，達(dá)到像機(jī)床一樣。這是傳統(tǒng)的串聯(lián)的工業(yè)機(jī)器人和大多數(shù)的并聯(lián)機(jī)器人做不到的。這是它的工藝保障技術(shù)，我不再多說(shuō)了，包括誤差補(bǔ)償、如何裝配。

前兩者就是要保證它和機(jī)床一樣，要保證它的技術(shù)指導(dǎo)精度。在此基礎(chǔ)上可以采用兩種方法進(jìn)行補(bǔ)償，一個(gè)就是把空間做劃分，直接補(bǔ)償；還有一個(gè)就是用系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的方法進(jìn)行補(bǔ)償。這個(gè)是我們的一些結(jié)果。

這個(gè)是我們?nèi)ツ曜龅臉訖C(jī)，是比較小的樣機(jī)，我們叫Diamond 600，它的位置的重復(fù)精度在9個(gè)μ。這個(gè)重復(fù)精度應(yīng)該高于串聯(lián)的機(jī)器人的數(shù)量級(jí)。這個(gè)應(yīng)該在中間那張圖片體積誤差，是60個(gè)μ的體積誤差，在一米的工作空間里是這樣的范疇。同時(shí)，我們也對(duì)進(jìn)行NAS加工，誤差達(dá)到了9μ。

最后工程應(yīng)用，我介紹兩個(gè)例子，有幾個(gè)錄像。第一個(gè)就是我們主軸用的是7千瓦的主軸，主要體現(xiàn)速度和加速度的特性，這個(gè)速度可以達(dá)到1個(gè)G的加速度。然后進(jìn)一步輕量化，我們想突破2個(gè)G，現(xiàn)在制造了1個(gè)G的加速度。這個(gè)是演示在整個(gè)空間里的位姿能力。這個(gè)是我們做了雙機(jī)的，右邊是支撐部，左邊加工部。然后，有一個(gè)薄臂器，表示這兩個(gè)機(jī)器可以同步的加工。

最后談兩個(gè)應(yīng)用。第一個(gè)應(yīng)用我們沒(méi)有做到飛機(jī)上，第一個(gè)面向國(guó)家這個(gè)點(diǎn)火工程。它里頭的大口徑非球面光學(xué)零件的拋光主要用這樣的工序，用精拋，快拋，然后小磨頭的拋光裝備。

然后傳統(tǒng)用ABB機(jī)器人在做，串聯(lián)機(jī)器人。串聯(lián)機(jī)器人的特性，頻率低，所以振幅特別大。我們采用這個(gè)之后，大幅度的提高了它的精度和材料的去除率，這個(gè)去除率與原來(lái)的水平比較，整整提高了一倍。這是第一臺(tái)樣機(jī)。這是我們第二臺(tái)樣機(jī)，就是做拋光。這個(gè)X軸和Y軸、Z軸的正負(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于串聯(lián)機(jī)器人。這是我們做的第一個(gè)應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)在用了。

然后第二個(gè)，這個(gè)裝備主要圍繞著飛機(jī)的制孔。這個(gè)最難的一個(gè)問(wèn)題，打在鋁上沒(méi)有問(wèn)題，比較難的是在鈦合金和復(fù)材上打孔。傳統(tǒng)打孔工藝就是用了多把刀，來(lái)回?fù)Q刀，加工副材用一種刀，加工鈦合金用另外一種刀。還有用螺旋洗的方式加工，用專(zhuān)業(yè)螺旋加工。我們提出的思路是直接采用混聯(lián)機(jī)器人，發(fā)揮它的高剛度，直接采用混聯(lián)機(jī)器人加螺旋加工就可以做出來(lái)。

這是我們初步做的實(shí)驗(yàn)，這個(gè)疊層構(gòu)建是一層鈦合金，一個(gè)是復(fù)材。前面是鈦合金，目前加工一個(gè)孔，就用一把刀，然后用4分鐘把這個(gè)疊層構(gòu)建，加工19.5毫米的孔，用了4分鐘。傳統(tǒng)刀具要N把刀。這個(gè)加工效率還是非常好的，而且加工精度達(dá)到了要求。比如我們4分鐘做一個(gè)孔，板厚度10mm，孔徑19.05mm。這個(gè)粗糙度也滿足了要求，用一把刀直接加工，而且沒(méi)有冷卻液。

這個(gè)國(guó)際上，據(jù)我了解，英國(guó)兩家在做這個(gè)。英國(guó)的鵬達(dá)狄（音譯）在這樣做，直接用機(jī)器人，直接進(jìn)行螺旋銑孔的技術(shù)。應(yīng)該說(shuō)，我們這臺(tái)機(jī)器人是世界上第三家能夠干這件事的。右邊這個(gè)是我們加工鈦合金，加工復(fù)材、它的表面粗糙度、孔徑的一些圖片，報(bào)名這個(gè)機(jī)器人做這件事還是有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)的。

最后做一個(gè)總結(jié)，我們發(fā)明了和研制出了一種高性能的混聯(lián)機(jī)器人，這種機(jī)器人應(yīng)該說(shuō)在大型結(jié)構(gòu)件，特別是航天航空軌道交通這樣局部的加工上有很好的前景。我們期待與企業(yè)開(kāi)展深入的合作，把我們這種機(jī)器人能夠推向市場(chǎng)，助力中國(guó)制造2025。

阿童木機(jī)器人是辰星（天津）自動(dòng)化設(shè)備有限公司旗下的品牌，是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的并聯(lián)機(jī)器人制造商，創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)來(lái)自并聯(lián)機(jī)器人研發(fā)知名高校-天津大學(xué)；阿童木機(jī)器人擁有鉆石、金剛、閃電全系列并聯(lián)機(jī)器人核心自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)；阿童木機(jī)器人在整機(jī)性能、作業(yè)可靠性、現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)方面具有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，目前已率先實(shí)現(xiàn)對(duì)英國(guó)和俄羅斯的出口，創(chuàng)國(guó)產(chǎn)機(jī)器人整機(jī)出口的先例。阿童木機(jī)器人力圖做世界一流的并聯(lián)機(jī)器人企業(yè)。阿童木蜘蛛手在食品、制藥、電子、日化等行業(yè)的分揀、搬運(yùn)、裝箱、抓取等環(huán)節(jié)都有涉及。

在這個(gè)機(jī)器逐漸替代人工的時(shí)代，并聯(lián)機(jī)器人有著很好的發(fā)展前景，但是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)很激烈。阿童木蜘蛛手在質(zhì)量、性能等方面都達(dá)到了國(guó)外技術(shù)水平，甚至趕超他們。