Delta并聯(lián)機器人的發(fā)展及其在食品工業(yè)上的應(yīng)用

康曉娟

（武漢人天包裝技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430205）

Delta并聯(lián)機器人是一種由移動副或轉(zhuǎn)動副驅(qū)動的并聯(lián)機器人（又稱為并聯(lián)機械手）。由于這類機械手可將驅(qū)動器布置在機架上，且可將從動臂做成輕桿，這樣極大地提高了系統(tǒng)的動力性能，因此可獲得很高的速度和加速度，特別適于對物料的高速搬運操作。由于Delta并聯(lián)機器人采用閉環(huán)機構(gòu)，其末端件上的動平臺同時由3根驅(qū)動桿支撐，與串聯(lián)機器人的懸臂梁相比，其承載能力高、剛度大，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，所以Delta并聯(lián)機器人在電子、輕工、食品與醫(yī)藥等行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。由于串聯(lián)、并聯(lián)機器人在機構(gòu)及性能上的對偶關(guān)系，它們之間在應(yīng)用上不是替代而是互補的關(guān)系，各自都有其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域［1－5］。

1 國外Delta并聯(lián)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

Delta機器人最早是由法國人Clavel博士于1985年發(fā)明的，并提出了3種機構(gòu)變異形式，以適應(yīng)不同空間需求（見圖1）。1987年瑞士Demaurex公司首先購買了Delta機器人的知識產(chǎn)權(quán)并將其產(chǎn)業(yè)化，主要用于巧克力、餅干、面包等食品包裝［6］。之后BOSCH和ABB也購買了Delta機器人的知識產(chǎn)權(quán)，國際著名機器人制造商ABB于1999年推出IRB340Delta機器人（見圖2）［7］，這種機器人配置了真空系統(tǒng)和計算機視覺系統(tǒng)，實現(xiàn)了Delta機器人的產(chǎn)業(yè)化，用于食品、醫(yī)藥和電子等行業(yè)。Demaurex公司在同年與瑞士SIG公司合作并開發(fā)了C23、C33和CE33 3種系列Delta機械手［8］（見圖3），其中C33采用直線副驅(qū)動取代轉(zhuǎn)動副驅(qū)動，有效地解決了重力平衡問題，該公司后續(xù)又推出了SIG XR33和SIG XR22系列機械手，加速度可達12×g。

圖1 Clavel發(fā)明的Delta機構(gòu)Figure 1 Delta mechanism invented by Clavel

圖2 ABB公司的IRB 340FlexPickerFigure 2 IRB 340FlexPicker of ABB

圖3 SIG公司的CE33機器人Figure 3 CE33robot of SIG

2009年Clavel博士發(fā)明的Delta機構(gòu)專利保護期已過，所以近幾年很多機器人公司也開始推出了自己的Delta機器人，比如德國ELAU公司聯(lián)合PWB制造了ELAU Robot P3（見圖4），同時也開發(fā)了一種二自由度的Delta機器人，其終端動平臺只能在二維平面內(nèi)運動（見圖5）［9］；日本的法那科從2009年開始在Delta機構(gòu)的基礎(chǔ)上研制了 M-1iA（2009）、M-2iA （2010）、M-3iA （2012）機 器 人 （見 圖 6）［10］。日本的川崎最近也推出了Delta機器人。顯然Delta機構(gòu)在三維空間內(nèi)高效的物流解決方案推動了各國機器人公司就該機構(gòu)的開發(fā)熱潮。

圖4 ELAU PacDrive Robot P3機器人Figure 4 PacDrive Robot P3robot of ELAU

圖5 ELAU二自由度的Delta機器人Figure 5 ELAU delta robot with two degrees of freedom

圖6 日本法那科Delta機器人Figure 6 Fanuc delta robot

為了擴展Delta機器人的應(yīng)用范圍，各機器人制造商通常采用外加UPU支鏈實現(xiàn)繞水平面法線的轉(zhuǎn)動自由度，而UPU支鏈本身的壽命又成為影響上述機械手性能的主要矛盾。近年來為了解決UPU支鏈的問題，各國機器人公司紛紛推出自己獨特的Delta機器人結(jié)構(gòu)。Pierrot等［11－13］發(fā)明了一種稱為Par4的機械手。該機械手結(jié)構(gòu)簡單，運動靈活，在工作空間中可保證各向同性并具有較高的剛度。Adept公司以Par4機械手為原型開發(fā)出名為Quattro的高速并聯(lián)機械手，號稱是世界上抓取速度最快的機器人（圖7），也是世界上最節(jié)能的機器人，據(jù)稱其試驗最高加速度可達20×g，工業(yè)應(yīng)用時的最高加速度可達12×g，如果不帶旋轉(zhuǎn)功能，其負載可達15kg。迄今為止，上述各種高速并聯(lián)機械手已應(yīng)用在電子、醫(yī)藥、食品等工業(yè)自動化生產(chǎn)或包裝流水線的分揀、抓放、包裝等操作（見圖8、9）。

就技術(shù)特點來講，目前應(yīng)用于實際生產(chǎn)中的Delta機器人有兩種結(jié)構(gòu)形式：① 是二自由度的Delta機器人，其結(jié)構(gòu)形式見圖5。這種結(jié)構(gòu)其負載能力較大，最大能夠達到40 kg，但由于其終端動平臺只能在二維平面內(nèi)運動，在應(yīng)用過程中需要配套其它的物料整理設(shè)備，所以其應(yīng)用受到很大的限制。② 目前應(yīng)用非常廣泛的三自由度Delta機器人，其動平臺可以實現(xiàn)空間X、Y、Z3個方向的運動，所以這種結(jié)構(gòu)形式更具柔性化，在實際應(yīng)用中也更加簡單。另外三自由度Delta機器人能夠?qū)崿F(xiàn)很高的加速度，所以這種機器人可以說是世界上最快的機器人，但其能夠承受的負載遠沒有二自由度的Delta機器人大。

圖7 Adept公司的Quattro機器人Figure 7 Quattro robot of Adept

圖8 ABB IRB340在德國戴姆勒克Figure 8 ABB IRB340grab screw bolt in a factory in Germany

圖9 C23機械手用于物品分揀Figure 9 C23robot sorting matter

由于三自由度Delta機器人的柔性及高速的特點，國外大多數(shù)廠家只研發(fā)三自由度Delta機器人。當然各個公司研發(fā)的三自由度的Delta機器人具有各自的特點，總的來說三自由度Delta機器人分為三軸驅(qū)動形式和四軸驅(qū)動形式。ABB公司研發(fā)的IRB360機器人就為典型的三軸驅(qū)動形式［14］，其特點是3個主動臂通過3個從動臂驅(qū)動終端動平臺運動，中間設(shè)計有一根旋轉(zhuǎn)軸通過聯(lián)軸結(jié)驅(qū)動動平臺上的法蘭實現(xiàn)不滿圈任意角度旋轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)機器人在抓取物料后先將物料旋轉(zhuǎn)一定角度后再放置到位，但這種Delta機器人其運動速度沒有四軸驅(qū)動的Delta機器人快。

四軸驅(qū)動的Delta機器人其結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于專利保護目前國外只有Adept公司生產(chǎn)四軸驅(qū)動的Delta機器人［15］，其特點是4個主動臂通過4個從動臂驅(qū)動終端動平臺運動，這種機器人中間沒有安裝旋轉(zhuǎn)軸，廠家在動平臺上設(shè)計了一套同步帶傳動裝置（見圖10），來達到旋轉(zhuǎn)的目的，但這套同步帶傳動裝置使得終端旋轉(zhuǎn)法蘭處于偏心狀態(tài)，這大大降低了機器人的負載能力，所以在不需要旋轉(zhuǎn)的場合，四軸驅(qū)動的Delta機器人負載能力最大，速度也是最快的。

還有一些機器人制造商［10］，以三軸驅(qū)動Delta機器人為原型根據(jù)負載大小設(shè)計了一系列的Delta機器人，并在動平臺上加裝更為復(fù)雜的齒輪傳動機構(gòu)，使機器人終端手爪具有更多的自由度。這里最有代表性的是日本發(fā)那科公司設(shè)計的Delta機器人，如圖6所示，其機器人終端手爪不但可以旋轉(zhuǎn)，還可以任意角度揚起。當然，在機器人終端加裝復(fù)雜機構(gòu)將使機器人的負載能力下降，所以這種機器人在完成復(fù)雜動作的同時只能用于重量更輕的物料抓取。

圖10 Par4robot動平臺Figure 10 Par4robot platform

2 中國Delta并聯(lián)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

Delta并聯(lián)機器人發(fā)明成功以來，中國各高校從未停止過對Delta并聯(lián)機器人的研究，包括Delta并聯(lián)機器人的運動學(xué)建模、工作空間求解、實時動態(tài)仿真及集成優(yōu)化設(shè)計方法等，且日趨成熟。但在實體方面，由于Delta機構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)保護，中國Delta并聯(lián)機器人的開發(fā)要滯后一些。中國關(guān)于Delta并聯(lián)機器人的實體研發(fā)是從較為簡單的二自由度Delta并聯(lián)機器人開始的。為了研發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的并聯(lián)機器人，天津大學(xué)［16－19］于2001年開始研制二自由度的Delta機器人，目標是突破Delta機構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)，2003年平面二自由度的Delta機器人研制成功（見圖11），其末端加速度最高可達10×g。2003年末出口英國 Warwick大學(xué)樣機一臺用于教學(xué)和科研，當時得到用戶高度評價，創(chuàng)中國機器人整機產(chǎn)品出口的首例；天津大學(xué)還以4臺Diamond機構(gòu)為硬件核心，為天津力神電池股份有限公司研制成功中國首條高性能鋰離子電池分選自動化生產(chǎn)線；滿足了力神年產(chǎn)1.5億支鋰電池四期擴產(chǎn)重大需求，有效地解決了企業(yè)生產(chǎn)中的瓶頸問題，取得重大經(jīng)濟和社會效益；該裝備2006年初在中國“十五”重大科技成就展展出，2007年獲得美國專利［20－24］。但這種平面二自由度的Delta機器人其終端動平臺只能在二維平面內(nèi)運動。在應(yīng)用過程中需要配套其它的物料整形設(shè)備，且速度沒有三自由度的Delta機器人快，其應(yīng)用受到了一定的限制。

圖11 天津大學(xué)二自由度Delta機器人Figure 11 Tientisn University delta robot with two degrees of freedom

近幾年Delta機構(gòu)的知識產(chǎn)權(quán)保護過期，中國各機器人制造商及設(shè)備制造企業(yè)紛紛開始研發(fā)Delta并聯(lián)機器人。在2013年的上海機器人展上有些廠商展出了二自由度的Delta并聯(lián)機器人，有些則展出了三自由度的Delta機器人。但不管哪一種，其設(shè)計思路基本上是照抄國外機器人的結(jié)構(gòu)形式。2010年武漢人天包裝技術(shù)有限公司推出二自由度的Delta并聯(lián)機器人（見圖12），并將其成功應(yīng)用于民爆大藥卷自動裝箱生產(chǎn)線中，完成大藥卷的裝箱任務(wù)，該項目已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并榮獲第四屆中國爆破器材行業(yè)協(xié)會科學(xué)技術(shù)獎項目獎三等獎［25］。2012年，沈陽新松、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、廈門至工機電、樂佰特等機器人制造商成功地將三自由度的Delta并聯(lián)機器人國產(chǎn)化并在上海工業(yè)機器人展會上展示。2013年沈陽新松和廣州數(shù)控的Delta并聯(lián)機器人已實現(xiàn)量產(chǎn)（見圖13、14）［26，27］。其在實現(xiàn)繞水平面法線的轉(zhuǎn)動自由度的研究方面基本上是照搬國外的結(jié)構(gòu)模式。

由于中國Delta并聯(lián)機器人的發(fā)展時間較短，國內(nèi)Delta并聯(lián)機器人負載能力及運動速度方面要遜色于國外Delta并聯(lián)機器人，如表1所示。為了提高負載能力，中國廠家加大了電機功率，這樣又增加了機器人的能耗。

圖12 武漢人天二自由度Delta機器人Figure 12 Wuhan Rentiandelta robot with two degrees of freedom

圖13 廣州數(shù)控Delta機器人Figure 13 GSK delta robot

圖14 沈陽新松Delta機器人Figure 14 Sinsun delta robot

表1 國內(nèi)外Delta并聯(lián)機器人性能對照表［16，17］Table 1 Delta robot’s performance comparison

但中國國產(chǎn)Delta并聯(lián)機器人有很大的價格優(yōu)勢，購買Adept的一臺Delta并聯(lián)機器人大概要30多萬人民幣，而國產(chǎn)Delta并聯(lián)機器人只需要十幾萬人民幣。目前中國Delta并聯(lián)機器人的關(guān)鍵件例如電機、減速器及鉸接球軸承依賴于進口，如果能夠突破這些關(guān)鍵技術(shù)，那么中國國產(chǎn)Delta并聯(lián)機器人的價格能夠降到更低。除了價格優(yōu)勢，在售后服務(wù)上中國國內(nèi)機器人制造商要比國外機器人制造商靈活很多。

3 Delta并聯(lián)機器人在中國的應(yīng)用

中國Delta并聯(lián)機器人的應(yīng)用是在近幾年出現(xiàn)用工荒之后。2010年美國Adept公司的Quattro高速并聯(lián)機器人成功應(yīng)用于中國利樂枕裝箱生產(chǎn)線上完成利樂枕的裝箱功能，2臺并聯(lián)機器人合作可完成12 000包/h的裝箱速度（見圖15）［28］。在這之后Delta并聯(lián)機器人在利樂枕裝箱生產(chǎn)線上大量使用，隨后ABB、發(fā)那科及川崎公司的Delta并聯(lián)機器人開始進入中國市場。目前在乳品包裝生產(chǎn)線上應(yīng)用最多的分別是Adept公司和ABB公司的Delta并聯(lián)機器人。還有一些Delta并聯(lián)機器人應(yīng)用于民爆炸藥的包裝生產(chǎn)線上，完成小藥卷的整理和排列（見圖16）［29］。同時在其它一些食品包裝生產(chǎn)線、藥品分揀、收集及輕質(zhì)產(chǎn)品的包裝、加工裝配中均有應(yīng)用，比如將輸送帶上雜亂無章的巧克力、火腿腸或者冰激凌裝入小盒中。還有些廠家利用Delta機器人將輸送線上的物料排列成需要的樣式后再用其它設(shè)備裝箱（見圖17）。盡管Delta機器人在中國已有了很多應(yīng)用案例，但與國外比起來，可以說國內(nèi)Delta并聯(lián)機器人在生產(chǎn)線上的實際應(yīng)用還比較少，目前主要集中在伊利、蒙牛這樣高利潤的大型生產(chǎn)企業(yè)，其他大多數(shù)廠家依然靠人工分揀、裝箱。出現(xiàn)這種情況的原因是：① 大多數(shù)生產(chǎn)企業(yè)一直習(xí)慣于人工分揀、裝箱，采用機器人代替人工需要一個認識接受的過程；②外國進口的Delta并聯(lián)機器人較昂貴，而中國國產(chǎn)Delta并聯(lián)機器人處于剛剛起步的階段。

圖15 Adept公司的Quattro機器人應(yīng)用于利樂枕裝箱生產(chǎn)線Figure 15 Adept Quattro robot applicated in tetra pillow packaging line

圖16 Adept公司的Quattro機器人應(yīng)用于民爆炸藥生產(chǎn)線Figure 16 Adept Quattro robot applied in explosive packaging line

圖17 Delta機器人構(gòu)成的餅干包裝線Figure 17 Delta robot applied in biscuit packaging line

4 結(jié)論

Delta并聯(lián)機器人是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機器人，在各行各業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在國外經(jīng)過了20多年的發(fā)展，其結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)已經(jīng)非常的成熟，且廣泛應(yīng)用于電子、食品和醫(yī)藥等行業(yè)，完成諸如抓取、分揀以及包裝等大量的重復(fù)性操作。國外機器人制造商還在不斷地優(yōu)化機器人的結(jié)構(gòu)和控制程序，爭取達到更高的運動速度及更大的負載能力。中國Delta并聯(lián)機器人不論是應(yīng)用還是開發(fā)都是從2010年開始剛剛起步，目前中國集成商還是傾向于采用進口Delta并聯(lián)機器人。而Delta并聯(lián)機器人的研發(fā)與生產(chǎn)正處于起步階段，現(xiàn)正逐步推向市場。要想達到國外Delta機器人的運動性能，不但要從控制程序上下工夫，還要提高機器人的裝配及制造精度。

中國Delta并聯(lián)機器人除了性能上低于國外機器人外，國內(nèi)用戶的認知度也不夠，所以市場推廣需要一個較長的過程。但國內(nèi)Delta并聯(lián)機器人可以依據(jù)其價格及售后服務(wù)上的優(yōu)勢爭取一些負載不大、速度要求不高的應(yīng)用場合。

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