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隨著科技越來越發達,機器人也逐漸進入人們的生活,給生活帶來很大的便利。
機器人分為串聯機器人、并聯機器人和混合機器人三大類別。其中,并聯機器人由一些閉環運動鏈組成,有兩種經典構型:Delta機器人和Stewart機器人。
Delta并聯機器人在上世紀90年代才真正引起廣泛注意,具有剛度高、速度快、柔性強、重量輕等優點。在食品、醫藥、電子等輕工業中應用最為廣泛,在物料的搬運、包裝、分揀等方面有著無可比擬的優勢。近年來,隨著在市場中的應用日益廣泛,并聯機器人已成為工業機器人需求增長的新生力量。
目前來看,并聯機器人基數尚小,相較于傳統串聯機器人市場,參與的玩家不多,國際企業包括ABB、發那科、博力實、歐姆龍等。高工產研機器人研究所(GGII)數據顯示,2019年,中國市場DELTA銷量4620臺,同比增長30.14%,其市場產值規模5.94億元,同比增長12.50%。GGII預計,作為工業機器人的細分賽道,Delta并聯機器人市場足夠支撐起每年10億級的市場需求。
相較于Delta機器人的火熱,Stewart機器人作為世界上出現的第一種并聯機器人,其應用場景一直沒有得到充分挖掘。
Stewart機器人是什么?
Stewart機器人擁有六自由度,有六條支鏈,每條支鏈的兩端為球副,中間由一移動副聯接兩桿。
Stewart機器人最初由Gough在1947年發明,被用于檢測各種載荷條件下的輪胎磨損。將Stewart與Gough聯系在一起是源于Stewart在1965年發表的一篇論文中,提及了Gough的工作和這種平臺的圖像,這篇論文對并聯機器人運動學的發展產生了重要的影響。基于此,這類構型的并聯機器人也被稱為Gough-Stewart機器人。
在學術上,Stewart機器人也是最經典的并聯機器人構型。大學課本里介紹并聯機器人,第一個例子大多是Stewart機器人;教材中對并聯機器人進行運動學和動力學計算舉例,大多也會以Stewart機器人為例,足見Stewart機器人在并聯機器人中的地位。
Stewart機器人的優點:
1、重載:這也是并聯機構普遍的優勢,但是Stewart機器人優勢尤其明顯。理由很簡單,它有六條 “腿”,動平臺和負載的重量被分散到了六條支鏈上。有研究顯示,在具有相同負載能力的情況下,Stewart機器人的重量大約是傳統六自由度串聯機器人重量的1/20;
2、全自由度:Stewart機器人擁有完整的六個自由度,所以其動平臺在工作空間內理論上可以完成任意位姿的運動。
Stewart機器人由于其構型和自由度的特點,也有其先天不足,限制著其進一步發展,其缺點如下:
1、沒有正解解析解:由于其具有六個自由度和構型的特點,現在還沒有求解出其運動學正解的解析解,所以其現在很難實現像Delta機器人一樣的高精度運動(delta機器人可以求解出其運動學正解的解析解);
2、奇異位型復雜:由于自由度多,Stewart機器人的奇異位型十分復雜,現在學術界已經求解出它的8種奇異位型,其中第8種奇異位型于2004年被求解出來,彼時距離Stewart發表的論文已經過去了半個世紀,也就是說,可能還有奇異位型未被發現;
3、沒有工作空間的解析解:由于學術界還沒有求解出Stewart機器人的解析解,所以其工作空間也沒有解析解,現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機器人的一大缺點,而Stewart機器人又沒有工作空間解析解,對于Stewart機器人的應用就更加不利了。
新興機器人企業的入局
覺察到Stewart機器人的獨特優勢,現在已經有機器人廠商開始研發Stewart機器人,進而有可能將其觸手伸向搖擺臺、模擬臺領域,與傳統專注于搖擺臺、模擬臺的“領跑”企業競爭。
機器人企業最大的優勢在于其控制技術。由于Stewart機器人使用場景對精度一般要求不高,運動較簡單,將傳統的機器人控制算法、軌跡規劃算法應用到模擬臺的場景,屬于降維競爭。
另一方面,和傳統的搖擺臺、模擬臺企業相比,機器人企業的劣勢也同樣明顯:
1、資質問題:相當一部分的模擬臺項目出自于軍方,如果企業想要投標,需要有一定的保密資質,而這個資質是相當一部分機器人企業所不具備的。沒有資質,企業連投標的資格都沒有。可是一旦成功申請保密資質,企業就需要遵守規定,例如辦公電腦不能上網等,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機器人的應用場景不同,Stewart機器人常用于重載的工況,其安裝方式與Delta也不同,它的定平臺在下,動平臺在上。動平臺上的負載,可能是一艘軍艦,可能是一架飛機,也可能是一輛坦克。負載可能為幾噸、幾十噸甚至上百噸。工況的突然轉變,也會對公司帶來全新的挑戰;
3、非標設計的要求:現在做Delta機器人的企業,多為研發出不同型號的機器人,然后將不同型號的機器人應用于不同的場景上。但是搖擺臺、模擬臺的每個項目都不一樣,工況千差萬別,所以很難依靠幾種現有的型號應付不同的項目,需要經常針對不同的項目,對搖擺臺進行單獨的結構設計、仿真。
而非標設計最大的難點是:圖紙只會使用一次,最多兩三次,從成本和時間上來說,非標設備在生產過程中不允許零件二次制造(與生產線的非標設計有些類似)。這種經常性的機器人本體的非標設計要求,也可能會讓機器人企業不太適應。
基于上述分析,在資質、重載和非標三個不利因素下,現有的Delta企業如果想進軍搖擺臺領域,更好的方式是與原有成熟的搖擺臺企業合作。但是南京全控通過多年自身研發努力，已經成功攻破這三座壁壘，公司目前已通過GJB9001C-2017武器裝備質量管理體系、武器裝備科研生產單位二級保密資質、ISO9001質量體系、ISO14001環境管理體系認證、ISO45001職業健康安全管理體系、CE產品認證和軟件企業、知識產權管理體系認證、兩化融合管理體系認證，截至2022年3月南京全控全球累計申請專利127件，其中申請發明專利16件，PCT國際專利申請1件，累計獲得授權專利94件，軟件著作權44件、軟件產品8件、商標28件，獲得國家高新技術企業、江蘇省科技型中小企業等稱號。幾噸的項目已成為家常便飯，數十噸的項目今年也有不少，其廣泛應用于電影主題危機航線、陰陽師等、軍工項目空中加受油模擬都是數十噸高負載項目。
未來Stewart并聯機器人將在軍工、娛樂發揮越來越重要的作用，同時在醫療等高精度定位場所也會有長足的發展。作為國內領先的六自由度Stewart運動平臺企業，今后南京全控也將繼續加大研發力度，豐富產品種類，為國產Stewart并聯機器人行業發展做貢獻。
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