Diamond高速并联机械手

ＴＩＡＮＪ ＩＮ Ｓ ＣＩＥＮＣＥ ＆ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
梅江平 （ 天津大学机械工程学院 天津 ３０００７３）
Ｐ ＡＲＴ ＴＨＲＥＥ：创新技术
２００７．４
天
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科
技
Ｄｉａ ｍ ｏ ｎ ｄ 高速并联机械手
【摘 要】为了突破 Ｄｅｌｔａ 机构的知识产权， 为我国相关行业提供具有国际竞争力的核心 装备， 天津大学在 国内率先开展了高速抓放操作用高速并联机器人的创新设计与关键技术研究， 实现了 １ 项 Ｄｉａｍｏｎｄ 机构 原始发明创新和 ２ 项延续发明创新， 即电池分选装备和软袋装箱设备， 项目取得了显著效益且应用前景 广泛。 【关键词】Ｄｉａｍｏｎｄ 高速并联机器人 机械手
ｃ） 装箱 机 在 北京 双 鹤 药业 应 用 现场 图 ３ 装箱设备
２．３．２ 高速 多 功 能软 袋 装 箱 机 非 ＰＶＣ 复 合 膜 软 包 装 是 药 液 包装 的 重 要发 展 趋 势 ， 其 二 次 包 装 包 括 套 袋 、开 箱 、装 箱 、封 箱 、码 垛 等 ５ 个 环 节 ， 其 中 装 箱 操 作 是 当 前 瓶 颈 问 题 。目 前， 我 国 除 少数 制 药 企业 进 口 昂贵 的 国 外设 备 外 ， 普 遍采用手工装箱操作， 容易产生污染， 存在药品安全隐患。 为此， ２００６ 年 １ 月江阴纳尔捷包装设备有限公司 购买 了 天 津 大 学 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 专 利 实 施 许 可 ， 与 天 津 大 学 合 作 ， 发 明 并研 制 成 功了 一 种 基于 Ｄｉａｍ ｏｎｄ１０００ 型 机 械 手 的 多 功 能 高 速 软 袋 装 箱 机 ， 实 现 了 ０．１ ～０．５ ｋｇ 液 体 软 袋 的 ８０ ｍ ｇ／Ｌ 的 高 速装 箱 操 作。该 装 备 已在 北 京 双鹤 药 业 股份 有限公司的葡萄糖输液软袋自动化生产线上投入使用。
图 １ Ｄｉａ ｍｏｎｄ 机 构 结构 学 原 理 该 项 目 发 明 的 高 速 并 联 机 器 人 机 构 — ——Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 如图 １ 所 示 。该机 构 由 基座 、动 平 台， 以 及 两 条结 构 完 全 相同的分支运动链组成， 每条支链中包含两组与肘关节相 连的平行四边形结构。各运动部件采用铰接连接， 并用外 转动副驱动。在安装于基座上的伺服电机驱动下， 利用平 行四边形的姿态保持性将 ２ 个主动臂的独立转动转换为 动平台的二维平动。该发明的特点在于： ①在其中一条支 链中引入了由连架从动臂和外从动臂构成的虚约束， 使得
４ 小结
该 项 目 研 究 工 作 得 到 国 家“８６３”计 划 ， 国 家 自 然 科 学 基金和英国皇家学会中—英合作及多项企业项目资助， 实 现了 １ 项 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 原 始 发 明 创 新 和 ２ 项 延 续 发 明 创 新— — —电 池 分 选装 备 和 软 袋 装 箱 设 备 ， 获 中 国 发 明 专 利 和 美 国 发明 专 利 各 １ 项 。相 应 理论 成 果 在 ＡＳＭＥ Ｊ ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌ Ｄｅ ｓ ｉｇｎ 和 ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ ． ｏｎ Ｒｏｂｏｔｉｃｓ 上发表论 文 ４ 篇， 在国内核心刊物和国际会议上发表论文 １０ 余篇。 其 中， 在 ＡＳＭＥ 和 ＩＥＥＥ 上 发表 的 论 文在 ２ 年 半 内被 他 引 ２３ 次。■
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系统的结构、运动学和静、动态性能关于任务空间对称。 ②采用加强筋连接双内从动臂， 不但可有效地消除铰链 间隙， 而且在保证所需自由度的前提下便于装配及提高 垂 直 于 运 动 平 面 的 静 、动 刚 度 。 该 机 构 的 主 要 优 点 为 ： 结 构轻 巧 新 颖、可 实 现 高速 运 动 ， 便于 作 为 模块 独 立 使用 ， 还 可与一单自由度进给机构串接构成 ３ 平动自由度混联机 械手。 ２．２ Ｄｉａ ｍｏｎｄ 机构 设 计 理论 与 关 键技 术 ２．２．１ 尺度综合与驱动器参数匹 配 技术 尺 度 综合 涉 及 在满足工程约束条件下， 确定构件尺度参数， 使得 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 在 其 工 作 空 间 内 性 能 最 优 。 为 此 提 出 一 种 以雅可比最小奇异值和单轴驱动力矩全域数字特征为性 能 指标 的 尺 度综 合 新 方法， 指 导 了 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 的 系 列 化设计。在此基础上， 建立了系统的刚体逆动力学模型， 并利用矩阵奇异值分解原理， 提出了一种伺服电机参数 的快速预估方法， 进而为驱动器参数匹配提供了重要的 理论依据。 ２．２．２ 动态设计技术 采用有限 元 法 建立 了 系 统的 弹 性 动力学模型， 并以单位质量所提供的低阶固有频率全域 均 值最 高 为 目标 实 现 了 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 运 动 构 件 截 面 参 数 的优化设计。同时采用铝合金和碳纤维制作运动部件， 实 现了轻量化设计， 有效地提高了系统的比刚度， 保证了高 速抓放操作时的优良动态特性。 ２．２．３ 精度设计、装配工艺与运 动 学 标定 技 术 建立 了 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 的 全 参 数 误 差 模 型 ， 揭 示 出 影 响 末 端 执 行 器 可 控（ 位 置） 和 不可 控（ 姿 态） 精 度 的 误差 源 ， 实 现了 机 构 铰链间隙圆和平行四边形对边误差的公差优化设计， 为 制定关键零部件的制造和装配工艺提供了重要的理论依 据。在建造过程中， 提出采用成组技术消除末端执行器非 可控误差的措施， 保证了机构的基础精度。针对该机构的 结构特点， 提出一种先辨识并补偿主动臂回零误差， 再识 别和补偿其他几何参数误差的运动学标定方法。以上研 究 有 效 提 高 了 机 构 的 几 何 精 度 ， Ｄｉａｍ ｏｎｄ ８００ 型 机 械 手 定位精度为 ０．０９ ｍｍ ， 重复定位精度为 ０．０３ ｍｍ ， 满足多 数抓取操作的实际需求。 ２．２．４ 轨迹规划与核心控制算法 轨 迹规 划 和 控制 器 参 数整 定 是 保证 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 在给 定 定 位精 度 下 实 现 高 速 抓放的重要技术手段。为此， 在考虑关节峰值力矩和峰值 转速等约束条件下， 提出一种直线 ／ 圆弧过渡和修正梯形 运 动规 律 的 轨迹 规 划 方法 。针 对 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 折 算 到 关 节空间惯性负载随位形变化的特点， 建立了机电耦合动 力学模型， 并提出一种控制器参数整定方法。上述措施在 保证定位精度的前提下有效地提高了抓取频次。 Ｄｉａｍ ｏｎｄ ６００ 型 机 械 手 在 定 位 精 度 为 ０．１ ｍ ｍ 时 的 抓 取 频次可达到 １２０ 次 ／ 分。 ２．３ 延续创新 ２．３．１ 高性能锂电池分选装备 分 选 操作 是 锂 离子 电 池
２ 创新点
收稿日期： ２００７－ ０６－ １ ５
该项目的总体研究目标和工作是： ①发明一种具有我 国自主知识产权的外副驱动 ２ 平动自由度高速并联机器 人机构， 实现原始创新， 并攻克其设计制造与控制技术； ② 以该高速并联机器人机构为核心， 开展延续创新。结合典 型行业需求， 发明并研制新型自动化装备， 并在工程中得 到应用。 ２．１ Ｄｉａ ｍｏｎｄ 机构 的 原始 创 新
ａ） 锂电池自动分选装备布局
ｂ） 电池 分 选 装备 在 力 神公 司 应 用现 场 图 ２ 锂电池自动分选装备
ａ） 高速软袋装箱总体布局
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３ 效益和应用前景
ｂ） 高速 软 袋 装箱 一 体 机
１ 背景和研究意义
在电 子 、轻工 、食 品 和医 药 等 行业 中 ， 通 常 需 要 以 很 高 的 速 度完 成 插 装、封 装 、包 装、分 检 等 操作 。 为 了 提 高 生 产 率， 上述操作需要借助机械手来完成。外转动副驱动的并 联机器人可使末端执行器获得极高的速度。
目前， 世界上最具代表性的高速抓放并联机器人当属 Ｃｌａｖｅ ｌ 发 明的 被 Ｂｏｓ ｃｈ 和 ＡＢＢ 两大 国 际 自动 化 装 备制 造 商 实 现 产 业 化 ３ 平 动 自 由 度 Ｄｅ ｌｔａ 机 构 。 据 不 完 全 统 计 ， Ｄｅ ｌｔａ 机构 在 欧 洲和 北 美 的食 品 、包 装、物 流 等 行 业 装 机 量 已近千台。
Ｄｅ ｌｔａ 机构 引 起了 学 术 界和 工 业 界的 普 遍 关 注 。 经 大 量 调 研 发 现 ， 在 轻 工 、食 品 和 医 药 等 行 业 的 二 次 包 装 和 分 检操作中仅需机器人在一个平面内完成高速抓放操作， 而 在 与之 正 交 方向 做 长（ 短） 距 步 进 运动 。例 如 ， 电池 分 选 、瓶 装或袋装食品和药品的装箱操作均属于这种情形。然而， 在该项目立项时， 国际上尚无这类机器人的有关报道。
为此， 天津大学并联构型装备课题组在国家 ８６３ 等 项目的支持下， 于 ２００１ 年在国内率先开展了高速抓放操 作用高速并联机器人的创新设计与关键技术研究， 以及科 研 成 果 转 化 等 工 作 ， 旨 在 突 破 Ｄｅ ｌｔａ 机 构 的 知 识 产 权 ， 为 我国相关行业提供具有国际竞争力的核心装备， 为推动我 国并联机器人技术的自主创新和工程应用起到重要示范 和引领作用。
Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 器 人 与 国 际 著 名 的 Ｄｅ ｌｔａ 机 器 人 性 能 相 当， 而 价 格 仅为 其 １／３， 具 备广 泛 的 应用 前 景 。
基于 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构的 电 池 分选 装 备 ， 其单 机 分 选效 率 ７１ ｍ ｇ／Ｌ， 分 选类 别 ６ 种 ， 且具 有 网 络通 讯 和 数据 库 管 理功能， 装备价格约 ６０ 万元。而日本进口的电池分选设 备采用直角坐标机械手和阵列多爪滤波分选方式， 分选效 率 ５０ ｍ ｇ／Ｌ， 分 选 类别 ５ 种 ， 售 价 １５０ 万 人 民 币。
同时， 该公司与天津大学还合作发明并研制成功了集 开箱、放置隔板、装箱和封箱等功能于一体的基于 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 构 的“ＤＪ 型 多 功 能高 速 软 袋装 箱 一 体机 ”新 产 品。
３．１ 效益 ①该 项 目出 口 英 国 １ 台 ， 被 新 华社 、人 民 日报 、科 技 日
报 、中 央 电视 台 及 国内 ６０ 多 家 门户 网 站 报导 ， 认 为 是中 国 首台 整 机出 口 的 机器 人 。此 外， 浙 江 工 业大 学 、西 安交 通 大 学和 天 津 大学 等 先 后购 置 了 ８ 台 Ｄｉａｍ ｏｎｄ ６００ 机 械 手 用于 教 学 和科 研 。② Ｄｉａｍ ｏｎｄ 电池 分 选 装备 解 决 了力 神 公司分选瓶颈， 为企业新增产值 ４ ０００ 多万元。该套装备 ２００６ 年 １ 月入 选 国 家“十 五 ”科 技创 新 重 大成 就 展 。③首 次实现了并联机器人技术专利实施许可转让， 转让费 ２００ 万元。所开发的高速软袋装箱设备填补了我国的空白， 并 在 制药 企 业 得到 应 用 。④２００７ 年 １ 月 ， 世 界著 名 包 装设 备 供 应商 德 国 Ｅｌａｕ ＡＧ 公司 与 天 津大 学 签 订框 架 协 议， 长 期 购 买 Ｄｉａｍ ｏｎｄ 机 械 手 用于 该 公 司包 装 设 备。⑤该 项 目 ２００４ 年 ９ 月通过国家 ８６３ 专家组验收， 并于 ２００６ 年获 得天津市技术发明一等奖。 ３．２ 应用前景
该项 目 研制 的 高 速软 袋 装 箱机 集 开 箱、放 置 隔 板、装 箱 、封 箱等 操 作 于一 体 ， 售 价 １００ 万 元 ， 国 内无 类 似 产品 。 而德国 Ｂｒａｄｍ ａｎ Ｌａｋｅ Ｇｒｏｕｐ 的装箱机采用 ＡＢＢ 的 ＩＲＢ３４０ Ｆｌｅ ｘＰｉｃｋｅ ｒ 机械 手 ， 售 价 ２００ 万 元 以 上， 且 需 另 配 开箱和封箱设备， 系统集成后占地面积大。
生产的最后一道关键工序， 其目的是按照电化学特性的一 致性对电池分类， 以避免水桶效应， 保证成组使用时的寿 命和性能。然而， 我国电池制造企业长期以来采用手工分 选或依赖进口设备， 前者效率低， 易因操作疲劳误检而造 成重大经济损失； 后者价格昂贵， 且难于实现与前序设备 的信息集成。
该项目发明并研制成功了一种高性能锂离子电池自 动 分 选成 套 装 备 （ 见 图 ２） 。 该 装 备 以 ４ 台 Ｄｉａｍ ｏｎｄ ８００ 型机械手为核心， 采用双机组混联布局方案和单爪逐行分 选策略， 可灵活实现串 ／ 并联分选模式切换。