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DELTA机器人基础设计方案解析

来源: 时间:2020-07-31

一直觉得DELTA是一个怀才不遇的构型,明明各种性能吊打SCARA,却因为价格原因在销量被SCARA甩几条街。每隔两年总会听到“DELTA机器人今年要火了”的传言,然而每次都以哑火告终,虽然总体销量在上升,但整个市场销量也不过区区数千台,这也导致不少DELTA厂家选择放弃该机型的开发。

 

这也让一些宣称专注做并联机器人的厂家不得不得开始研发其他构型。单靠卖并联本体要养活一家公司并且持续扩大,实在太难。

 

DELTA机器人概述

 

比较常见的DELTA机器人的主要组成部分包括基座、主动臂、从动臂、动平台、旋转轴这几个大的部分。如下图:

基座

 

DELTA的基座简单来说就是一个安装大平板与3个120度均分的减速机安装平面组成。通常样机阶段都采用简单的拼装方式,类似下图。从成本与周期来说,这种方式在研发阶段自然非常合适。不过一旦进去量产阶段,一般都会采用铸造的方式制造,毕竟拼装的方式在造型与稳定性上都要差一些。反过来一体铸造的方式,成本跟加工难度自然要高一些。

主动臂驱动方式

 

主流的驱动方式都是电机带减速机带主动臂的直连R型驱动。如下图

也有非主流的,如BOSCH,采用间接驱动的方式,把旋转变成直线运动。

如气动王者使用直线模组代替主动臂

主动臂

 

主动臂其实乏善可陈,能讲的技术点不多。形状大同小异。主要区别在于材料的选择。有铝件、有碳纤维件、也有高端的钛合金。

 

总体来说主要考虑是强度高、重量轻、成本低等因素。

 

再往细了说,如何粘接、球头如何设计、怎么耐磨、硬限位、标定等待细节就要靠设计者自行摸索了。

 

主动臂减速机

 

之前也讲过,DELTA所用的减速机绝大多数都是采用行星减速机。选择行星减速机主要是由于行星减速机可以实现低减速比,高传动效率、长寿命的特点。而谐波与RV实现低减速比相对较难,传动效率相比行星也稍低一些。

 

然而行星减速机也有劣势,DELTA所用的行星减速机需要在3弧分以下,相比谐波与RV精度要差一些。当然也有的使用1弧分的行星,但这种精度的行星不旦难找,价格更是吓人。

 

使用谐波与RV的DELTA虽然少,但不是没有,比如QKM,比如Asyril,使用谐波,因为几乎没有背隙,所以抓取更平滑,精度更高,仔细观察两种机器人在抓取时的细节就可以发现了。

 

特别是Asyril,因为是桌面型DELTA,精度达到了逆天的0.002mm,注意哦,不是丝级哦,是u级哦。如果你没有概念,那我告诉你一根头发是60um,而这个机器人的精度是2um,感受下。

从动臂

 

从动臂设计与主动臂类似,除了形状上做一些变化,各家的方案类似,大多数是两头铝件,中间采用碳纤维管或者碳纤维棒粘接的方式。

 

重点还是两头的球铰的设计,以及如何保证每一根从动臂都长度相等的生产工艺。

运动关节

 

主动臂与从动臂的连接有不同的连接方式。

 

最常见的是使用球铰,如下图,关节更灵活。

也有不少使用虎克铰,好处是刚性更好,精度更高,如上面讲到Asyil,精度如此之高,也与使用了虎克铰有关。然而使用这种结构的装配精度要求更高,否则容易产生应力。

也有少数使用鱼眼球轴承。

三种方案各有优劣都有人在用,最主要的还是如果解决磨损问题。

 

弹簧

 

绝大部分DELTA都会使用弹簧将从动杆连接在一起,一是防脱,二是降噪。关于弹簧选用,其实也是大同小异,不过是选择弹力够,又磨用的规格而已。说容易,很容易,弹簧实在常用,说难也难,正好合适的弹簧也不好选。

 

关于弹簧防脱,也是个有意思的话题。使用球铰的厂家都会使用弹簧防脱,但是如果力够大,球头还是会脱出,所以也有厂家会增加防脱机构,或者使用虎克铰与鱼眼球轴承也不会脱出。

 

然而由于DELTA讲究轻量化,对于串联机器人来说,主动臂与从动臂强度都要小很多。一旦发生碰撞,矛盾就出来了,如果从动杆无法脱出,那就是碰撞硬,最终可能就是把从动杆撞断或者撞弯;而如果让球头脱出,从动杆掉落,其实也有一定的隐患。矛与盾,不好选。至少目前看来,只用弹簧防脱仍是主流。

 

第四轴

 

关于第四轴,主流的设计仍是将电机减速机放在基座上,通过旋转轴传递到动平台上。只是有的使用花键轴,有的是使用直线轴承的组合。

也有直接把电机放到了动平台的厂家

也有FANUC居然把电机放在了从动杆上,非常厉害

也有天才Adept采用了4条运动链实现了4个自由度。并且曾经多年霸占最快DELTA名号,可惜,曾经已是曾经~~~~

动平台

 

除了Adept的平台比较特殊之外,其他构型的动平台也是大同小异,主要变化是在三轴、四轴、五轴甚至六轴的传动实现。

 

值得一提的是,DELTA的三轴四轴目前仍是主流,而五轴DELTA的似乎开始有陆续入局者。而且六轴的DELTA,批量的成熟产品目前大概只有FANUC,毕竟设计难度与成本上都要高不少。

 

其实从10左右国内开始研究DELTA,到目前传统DELTA的构型基本已经被研究透了,强大的中国工程师如同破解高考一般,都已经形成的解题套路,也有人通过简化把成本压到极低。

 

然而超低价的DELTA始终没有引爆DELTA市场,归根结底,DELTA还是一款入门低,做精难的产品。这样讲似乎SCARA与六轴也如此。性能总是与成本挂勾,成本总是与服务与配套技术挂勾,降低性能、减少配套技术、降低服务水平,能产生的影响力始终有限。

 

但愿“DELTA今年要火了”摆脱狼来了的困境~~~~~

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