Delta并聯(lián)機(jī)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(jī)器人是一種由移動(dòng)副或轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)器人（又稱為并聯(lián)機(jī)械手）。由于這類機(jī)械手可將驅(qū)動(dòng)器布置在機(jī)架上，且可將從動(dòng)臂做成輕桿，這樣極大地提高了系統(tǒng)的動(dòng)力性能，因此可獲得很高的速度和加速度，特別適于對(duì)物料的高速搬運(yùn)操作。由于Delta并聯(lián)機(jī)器人采用閉環(huán)機(jī)構(gòu)，其末端件上的動(dòng)平臺(tái)同時(shí)由3根驅(qū)動(dòng)桿支撐，與串聯(lián)機(jī)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(jī)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(jī)器人在機(jī)構(gòu)及性能上的對(duì)偶關(guān)系，它們之間在應(yīng)用上不是替代而是互補(bǔ)的關(guān)系，各自都有其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域［1－5］。

1 國(guó)外Delta并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

Delta機(jī)器人最早是由法國(guó)人Clavel博士于1985年發(fā)明的，并提出了3種機(jī)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(gòu)買了Delta機(jī)器人的知識(shí)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(gòu)買了Delta機(jī)器人的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，國(guó)際著名機(jī)器人制造商ABB于1999年推出IRB340Delta機(jī)器人（見圖2）［7］，這種機(jī)器人配置了真空系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了Delta機(jī)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(jī)械手［8］（見圖3），其中C33采用直線副驅(qū)動(dòng)取代轉(zhuǎn)動(dòng)副驅(qū)動(dòng)，有效地解決了重力平衡問(wèn)題，該公司后續(xù)又推出了SIG XR33和SIG XR22系列機(jī)械手，加速度可達(dá)12×g。

圖1 Clavel發(fā)明的Delta機(jī)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(jī)器人Figure 3 CE33robot of SIG

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

圖4 ELAU PacDrive Robot P3機(jī)器人Figure 4 PacDrive Robot P3robot of ELAU

圖5 ELAU二自由度的Delta機(jī)器人Figure 5 ELAU delta robot with two degrees of freedom

圖6 日本法那科Delta機(jī)器人Figure 6 Fanuc delta robot

為了擴(kuò)展Delta機(jī)器人的應(yīng)用范圍，各機(jī)器人制造商通常采用外加UPU支鏈實(shí)現(xiàn)繞水平面法線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，而UPU支鏈本身的壽命又成為影響上述機(jī)械手性能的主要矛盾。近年來(lái)為了解決UPU支鏈的問(wèn)題，各國(guó)機(jī)器人公司紛紛推出自己獨(dú)特的Delta機(jī)器人結(jié)構(gòu)。Pierrot等［11－13］發(fā)明了一種稱為Par4的機(jī)械手。該機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)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(jī)械手為原型開發(fā)出名為Quattro的高速并聯(lián)機(jī)械手，號(hào)稱是世界上抓取速度最快的機(jī)器人（圖7），也是世界上最節(jié)能的機(jī)器人，據(jù)稱其試驗(yàn)最高加速度可達(dá)20×g，工業(yè)應(yīng)用時(shí)的最高加速度可達(dá)12×g，如果不帶旋轉(zhuǎn)功能，其負(fù)載可達(dá)15kg。迄今為止，上述各種高速并聯(lián)機(jī)械手已應(yīng)用在電子、醫(yī)藥、食品等工業(yè)自動(dòng)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(diǎn)來(lái)講，目前應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的Delta機(jī)器人有兩種結(jié)構(gòu)形式：① 是二自由度的Delta機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)形式見圖5。這種結(jié)構(gòu)其負(fù)載能力較大，最大能夠達(dá)到40 kg，但由于其終端動(dòng)平臺(tái)只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，在應(yīng)用過(guò)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(jī)器人，其動(dòng)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)空間X、Y、Z3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，所以這種結(jié)構(gòu)形式更具柔性化，在實(shí)際應(yīng)用中也更加簡(jiǎn)單。另外三自由度Delta機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)很高的加速度，所以這種機(jī)器人可以說(shuō)是世界上最快的機(jī)器人，但其能夠承受的負(fù)載遠(yuǎn)沒(méi)有二自由度的Delta機(jī)器人大。

圖7 Adept公司的Quattro機(jī)器人Figure 7 Quattro robot of Adept

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

圖9 C23機(jī)械手用于物品分揀Figure 9 C23robot sorting matter

由于三自由度Delta機(jī)器人的柔性及高速的特點(diǎn)，國(guó)外大多數(shù)廠家只研發(fā)三自由度Delta機(jī)器人。當(dāng)然各個(gè)公司研發(fā)的三自由度的Delta機(jī)器人具有各自的特點(diǎn)，總的來(lái)說(shuō)三自由度Delta機(jī)器人分為三軸驅(qū)動(dòng)形式和四軸驅(qū)動(dòng)形式。ABB公司研發(fā)的IRB360機(jī)器人就為典型的三軸驅(qū)動(dòng)形式［14］，其特點(diǎn)是3個(gè)主動(dòng)臂通過(guò)3個(gè)從動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)終端動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，中間設(shè)計(jì)有一根旋轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸結(jié)驅(qū)動(dòng)動(dòng)平臺(tái)上的法蘭實(shí)現(xiàn)不滿圈任意角度旋轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)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(jī)器人其運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有四軸驅(qū)動(dòng)的Delta機(jī)器人快。

四軸驅(qū)動(dòng)的Delta機(jī)器人其結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于專利保護(hù)目前國(guó)外只有Adept公司生產(chǎn)四軸驅(qū)動(dòng)的Delta機(jī)器人［15］，其特點(diǎn)是4個(gè)主動(dòng)臂通過(guò)4個(gè)從動(dòng)臂驅(qū)動(dòng)終端動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人中間沒(méi)有安裝旋轉(zhuǎn)軸，廠家在動(dòng)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了一套同步帶傳動(dòng)裝置（見圖10），來(lái)達(dá)到旋轉(zhuǎn)的目的，但這套同步帶傳動(dòng)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(jī)器人的負(fù)載能力，所以在不需要旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，四軸驅(qū)動(dòng)的Delta機(jī)器人負(fù)載能力最大，速度也是最快的。

還有一些機(jī)器人制造商［10］，以三軸驅(qū)動(dòng)Delta機(jī)器人為原型根據(jù)負(fù)載大小設(shè)計(jì)了一系列的Delta機(jī)器人，并在動(dòng)平臺(tái)上加裝更為復(fù)雜的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使機(jī)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(jì)的Delta機(jī)器人，如圖6所示，其機(jī)器人終端手爪不但可以旋轉(zhuǎn)，還可以任意角度揚(yáng)起。當(dāng)然，在機(jī)器人終端加裝復(fù)雜機(jī)構(gòu)將使機(jī)器人的負(fù)載能力下降，所以這種機(jī)器人在完成復(fù)雜動(dòng)作的同時(shí)只能用于重量更輕的物料抓取。

圖10 Par4robot動(dòng)平臺(tái)Figure 10 Par4robot platform

2 中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀

Delta并聯(lián)機(jī)器人發(fā)明成功以來(lái)，中國(guó)各高校從未停止過(guò)對(duì)Delta并聯(lián)機(jī)器人的研究，包括Delta并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、工作空間求解、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)仿真及集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等，且日趨成熟。但在實(shí)體方面，由于Delta機(jī)構(gòu)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)器人的開發(fā)要滯后一些。中國(guó)關(guān)于Delta并聯(lián)機(jī)器人的實(shí)體研發(fā)是從較為簡(jiǎn)單的二自由度Delta并聯(lián)機(jī)器人開始的。為了研發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的并聯(lián)機(jī)器人，天津大學(xué)［16－19］于2001年開始研制二自由度的Delta機(jī)器人，目標(biāo)是突破Delta機(jī)構(gòu)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，2003年平面二自由度的Delta機(jī)器人研制成功（見圖11），其末端加速度最高可達(dá)10×g。2003年末出口英國(guó) Warwick大學(xué)樣機(jī)一臺(tái)用于教學(xué)和科研，當(dāng)時(shí)得到用戶高度評(píng)價(jià)，創(chuàng)中國(guó)機(jī)器人整機(jī)產(chǎn)品出口的首例；天津大學(xué)還以4臺(tái)Diamond機(jī)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(guó)首條高性能鋰離子電池分選自動(dòng)化生產(chǎn)線；滿足了力神年產(chǎn)1.5億支鋰電池四期擴(kuò)產(chǎn)重大需求，有效地解決了企業(yè)生產(chǎn)中的瓶頸問(wèn)題，取得重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；該裝備2006年初在中國(guó)“十五”重大科技成就展展出，2007年獲得美國(guó)專利［20－24］。但這種平面二自由度的Delta機(jī)器人其終端動(dòng)平臺(tái)只能在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。在應(yīng)用過(guò)程中需要配套其它的物料整形設(shè)備，且速度沒(méi)有三自由度的Delta機(jī)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(jī)器人Figure 11 Tientisn University delta robot with two degrees of freedom

近幾年Delta機(jī)構(gòu)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)過(guò)期，中國(guó)各機(jī)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(jī)器人。在2013年的上海機(jī)器人展上有些廠商展出了二自由度的Delta并聯(lián)機(jī)器人，有些則展出了三自由度的Delta機(jī)器人。但不管哪一種，其設(shè)計(jì)思路基本上是照抄國(guó)外機(jī)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(jī)器人（見圖12），并將其成功應(yīng)用于民爆大藥卷自動(dòng)裝箱生產(chǎn)線中，完成大藥卷的裝箱任務(wù)，該項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并榮獲第四屆中國(guó)爆破器材行業(yè)協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)項(xiàng)目獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)［25］。2012年，沈陽(yáng)新松、廣州數(shù)控、南京埃斯頓、廈門至工機(jī)電、樂(lè)佰特等機(jī)器人制造商成功地將三自由度的Delta并聯(lián)機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化并在上海工業(yè)機(jī)器人展會(huì)上展示。2013年沈陽(yáng)新松和廣州數(shù)控的Delta并聯(lián)機(jī)器人已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)（見圖13、14）［26，27］。其在實(shí)現(xiàn)繞水平面法線的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的研究方面基本上是照搬國(guó)外的結(jié)構(gòu)模式。

由于中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展時(shí)間較短，國(guó)內(nèi)Delta并聯(lián)機(jī)器人負(fù)載能力及運(yùn)動(dòng)速度方面要遜色于國(guó)外Delta并聯(lián)機(jī)器人，如表1所示。為了提高負(fù)載能力，中國(guó)廠家加大了電機(jī)功率，這樣又增加了機(jī)器人的能耗。

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

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

圖14 沈陽(yáng)新松Delta機(jī)器人Figure 14 Sinsun delta robot

表1 國(guó)內(nèi)外Delta并聯(lián)機(jī)器人性能對(duì)照表［16，17］Table 1 Delta robot’s performance comparison

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

3 Delta并聯(lián)機(jī)器人在中國(guó)的應(yīng)用

中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)器人的應(yīng)用是在近幾年出現(xiàn)用工荒之后。2010年美國(guó)Adept公司的Quattro高速并聯(lián)機(jī)器人成功應(yīng)用于中國(guó)利樂(lè)枕裝箱生產(chǎn)線上完成利樂(lè)枕的裝箱功能，2臺(tái)并聯(lián)機(jī)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(jī)器人在利樂(lè)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(jī)器人開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。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(jī)器人。還有一些Delta并聯(lián)機(jī)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(shí)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(wú)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(jī)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(jī)器人在中國(guó)已有了很多應(yīng)用案例，但與國(guó)外比起來(lái)，可以說(shuō)國(guó)內(nèi)Delta并聯(lián)機(jī)器人在生產(chǎn)線上的實(shí)際應(yīng)用還比較少，目前主要集中在伊利、蒙牛這樣高利潤(rùn)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(jī)器人代替人工需要一個(gè)認(rèn)識(shí)接受的過(guò)程；②外國(guó)進(jìn)口的Delta并聯(lián)機(jī)器人較昂貴，而中國(guó)國(guó)產(chǎn)Delta并聯(lián)機(jī)器人處于剛剛起步的階段。

圖15 Adept公司的Quattro機(jī)器人應(yīng)用于利樂(lè)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(jī)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(jī)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(jī)器人是目前商業(yè)應(yīng)用最成功的并聯(lián)機(jī)器人，在各行各業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用前景。在國(guó)外經(jīng)過(guò)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(guó)外機(jī)器人制造商還在不斷地優(yōu)化機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和控制程序，爭(zhēng)取達(dá)到更高的運(yùn)動(dòng)速度及更大的負(fù)載能力。中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)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(guó)集成商還是傾向于采用進(jìn)口Delta并聯(lián)機(jī)器人。而Delta并聯(lián)機(jī)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(chǎng)。要想達(dá)到國(guó)外Delta機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能，不但要從控制程序上下工夫，還要提高機(jī)器人的裝配及制造精度。

中國(guó)Delta并聯(lián)機(jī)器人除了性能上低于國(guó)外機(jī)器人外，國(guó)內(nèi)用戶的認(rèn)知度也不夠，所以市場(chǎng)推廣需要一個(gè)較長(zhǎng)的過(guò)程。但國(guó)內(nèi)Delta并聯(lián)機(jī)器人可以依據(jù)其價(jià)格及售后服務(wù)上的優(yōu)勢(shì)爭(zhēng)取一些負(fù)載不大、速度要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。

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