阿童木机器人-打怪升级指南

自上世纪八十年代以来，一类以并联机构为主机构的新型工业机器人(并联机器人)为某些特定工业领域不断提供出更为完美的解决方案，引起了工业界和学术界的普遍关注。在各种各样的并联机器人种类之中，存在一类由外转动/移动副驱动、含平行四边形支链的并联机器人(又称为并联机械手)。这类机器人因可将驱动装置布置在静平台(机架)上，而且从动臂多采用轻质细杆制作而成，故末端动平台可获得很高的运动速度和加速度，特别适合于高速物流生产线上物料的分拣、搬运和抓放等操作，因此成为近年来研究和开发的热点。

高速并联机器人的研究最早追溯到Clavel 博士于1985 年发明的Delta 机械手。该机器人主动臂由外转动副驱动，从动臂为平行四边形结构，末端执行器可在工作空间内实现3 维高速平动。而且，在静、动平台间加装两端带有虎克铰链的可伸缩转轴，可实现末端执行器绕动平台所在平面法向的单自由度转动，从而完成对标的物的抓放动作。

图1 阿童木机器人完美攻略

围绕高速并联机械手高速高精作业需求，我们通常认为控制器、伺服电机、减速机是核心技术。但是事实上，这是我们将并联机器人进行了拆分对待，忽视了并联机器人本身的技术要素。那么，在并联机器人通向产品的道路上，我们要打败多少怪物，才能真正的取得成功呢？今天，我向大家讲述阿童木并联机器人产品的打怪升级之路。不过好在，我们团队不谢努力制作了并联机器人完美攻略。

图2 第一关—拓扑综合

这个都是圈圈的图是个什么东西？看不懂啊！这时我们内心在呐喊，第一关就这么难啊！我来给大家讲讲攻略吧！这第一关叫做拓扑综合，其主要目的是根据需求，发明出能够满足动作需求的机构。咱们现在看到的并联机器人产品最初都是长得这个样子的。咱们数学界是有一套组合拳来解决这个问题，比如收缩图理论、组合分析、枚举论和螺旋理论等。数学真伟大，没有数学这个回旋踢咱们可过不了这第一关啊！同仁们加油！

图3 第二关-参数设计

这个看着好像是咱机器人的形状了，不过咋还这么多符号呢？脸上全是茫然。咱们过了第一关，拿到了一个大致能实现需求的机构构型。这东西没法用啊！怎么知道输入输出的数学关系，怎么确定每个零部件的尺度参数，确定机器人长多大呢？再如何经过训练让机构长出肌肉，确定每个零部件的结构参数？又如何确定用多大的力来驱动这个机构运动呢？这是第二关吗？不是说好容易些的吗？没办法了，为了最后的成功，我们继续攻略吧！第一步，我们得用空间向量或者螺旋理论建立描述我们这个机构输入输出关系的运动学、动力学模型；第二步，我们结合机构的运动特性提炼运动学和动力学方程中的优化目标和约束条件，对机构的尺度参数和结构参数进行优化设计；第三步，我们根据尺度参数和结构参数，通过牛顿欧拉等等数学工具，再确定机构的驱动参数。事实上述过程是这样的：

好吧！看着就够神秘！！！！

图4 第三关—虚拟仿真

老大，这时咱们可以做样机了吧？怎么可能。无敌的老外，担心你的模型是错的，担心你数据造假。咱还得过第三关-虚拟仿真。这时什么matlab、adams、samcef、ansys都得会啊！这一套组合踢出去，万水千山走过，我们自豪的说，没问题了，仿真分析和理论设计吻合。

老大，我可以绘制零件图纸了吗？怎么可能。你知道每个零件公差精度怎么给吗？你知道哪个零件需要重点关注吗？你知道部件装配精度需要如何保证吗？你知道部件的装配工艺吗？

图5 第四关—精度设计与标定

我终于明白了，我以后决不会说本体没有核心技术了，是我还不懂啊！不懂就得学啊！好吧！又是数学！这第四关就是建立机器人的误差分析模型，分离可补偿误差和不可补偿误差。针对可补偿误差，我们需建立运动学标定模型，在后面控制系统里进行补偿；针对不可补偿误差，我们需进行灵敏度分析和公差设计，确定关键零部件的制造和装配精度，并依据该精度确定零部件的装配工艺和检测方法。

图6 第五关控制器与算法

以上四关过后，感觉天空飘起了彩虹，终于可以期盼样机本体部分可以制作了。不过，快乐的时刻都是短暂的。我们好像漏掉了什么东西？是的，我们只做骨架和肌肉，大脑怎么建呢？思维怎么形成呢？好在这是个产品，不是个人，这个大脑我们是可以买的。但是，不行啊，核心技术怎么能掌握在被人手里呢，况且我们还有优秀的算法需要写进去呢。

所以，我们下定决心，在市场一切反对自主研发的声音下，我们成立了神秘的大脑研究部。从此，该部门开启了没有白天黑夜的过关之路。这第五关时间过得好长啊！弄得我们几乎都快失去信心了。无数的弹药都投在了这个地方。没办法，谁让咱基础差呢！好在我们唯一的资本就是年轻有毅力、善于学习。经过长达3年的持续攻关，我们终于完成了大脑的建设，并在思维层面也取得了突破。通过对于运动规律和抑振算法的研究，使得机器人的精度又提升啦！

图7 第六关—性能试验

眼看胜利的曙光尽在眼前了，我的内心是激动、喜悦掺杂着泪水啊！感觉终于要松一口气了。啊！咋又来了一关！因为咱做的是产品，不能只是研究啊！这些研究得落实成切实得产品性能，得转化客户需要的速度、精度等性能参数。当然最重要的是咱得做可靠性研究测试，这客户的24小时使用，是无比纠结的一件事情，如果这个不过关，每天半夜电话可以打到你神经衰弱的。好吧，那不用做思想工作了，咱们过关吧！

这次终于懂了，一个产品原来这么多东西！