Stewart并聯(lián)機器人的獨特優(yōu)勢和應用范圍

隨著科技越來越發(fā)達，機器人也逐漸進入人們的生活，給生活帶來很大的便利。

機器人分為串聯(lián)機器人、并聯(lián)機器人和混合機器人三大類別。其中，并聯(lián)機器人由一些閉環(huán)運動鏈組成，有兩種經(jīng)典構型：Delta機器人和Stewart機器人。

Delta并聯(lián)機器人在上世紀90年代才真正引起廣泛注意，具有剛度高、速度快、柔性強、重量輕等優(yōu)點。在食品、醫(yī)藥、電子等輕工業(yè)中應用最為廣泛，在物料的搬運、包裝、分揀等方面有著無可比擬的優(yōu)勢。近年來，隨著在市場中的應用日益廣泛，并聯(lián)機器人已成為工業(yè)機器人需求增長的新生力量。

目前來看，并聯(lián)機器人基數(shù)尚小，相較于傳統(tǒng)串聯(lián)機器人市場，參與的玩家不多，國際企業(yè)包括ABB、發(fā)那科、博力實、歐姆龍等，中國企業(yè)包括勃肯特、阿童木、華盛控、李群等。高工產(chǎn)研機器人研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，2019年，中國市場DELTA銷量4620臺，同比增長30．14%，其市場產(chǎn)值規(guī)模5．94億元，同比增長12．50%。GGII預計，作為工業(yè)機器人的細分賽道，Delta并聯(lián)機器人市場足夠支撐起每年10億級的市場需求。

相較于Delta機器人的火熱，Stewart機器人作為世界上出現(xiàn)的第一種并聯(lián)機器人，其應用場景一直沒有得到充分挖掘。

Stewart機器人是什么？

Stewart機器人擁有六自由度，有六條支鏈，每條支鏈的兩端為球副，中間由一移動副聯(lián)接兩桿。

Stewart機器人最初由Gough在1947年發(fā)明，被用于檢測各種載荷條件下的輪胎磨損。將Stewart與Gough聯(lián)系在一起是源于Stewart在1965年發(fā)表的一篇論文中，提及了Gough的工作和這種平臺的圖像，這篇論文對并聯(lián)機器人運動學的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響?；诖耍@類構型的并聯(lián)機器人也被稱為Gough-Stewart機器人。

在學術上，Stewart機器人也是最經(jīng)典的并聯(lián)機器人構型。大學課本里介紹并聯(lián)機器人，第一個例子大多是Stewart機器人;教材中對并聯(lián)機器人進行運動學和動力學計算舉例，大多也會以Stewart機器人為例，足見Stewart機器人在并聯(lián)機器人中的地位。

Stewart機器人的優(yōu)點顯而易見：

1、重載：這也是并聯(lián)機構普遍的優(yōu)勢，但是Stewart機器人優(yōu)勢尤其明顯。理由很簡單，它有六條 “腿”，動平臺和負載的重量被分散到了六條支鏈上。有研究顯示，在具有相同負載能力的情況下，Stewart機器人的重量大約是傳統(tǒng)六自由度串聯(lián)機器人重量的1/20;

2、全自由度：Stewart機器人擁有完整的六個自由度，所以其動平臺在工作空間內(nèi)理論上可以完成任意位姿的運動。

Stewart機器人由于其構型和自由度的特點，也有其先天不足，限制著其進一步發(fā)展，其缺點如下：

1、沒有正解解析解：由于其具有六個自由度和構型的特點，現(xiàn)在還沒有求解出其運動學正解的解析解，所以其現(xiàn)在很難實現(xiàn)像Delta機器人一樣的高精度運動（delta機器人可以求解出其運動學正解的解析解）;

2、奇異位型復雜：由于自由度多，Stewart機器人的奇異位型十分復雜，現(xiàn)在學術界已經(jīng)求解出它的8種奇異位型，其中第8種奇異位型于2004年被求解出來，彼時距離Stewart發(fā)表的論文已經(jīng)過去了半個世紀，也就是說，可能還有奇異位型未被發(fā)現(xiàn);

3、沒有工作空間的解析解：由于學術界還沒有求解出Stewart機器人的解析解，所以其工作空間也沒有解析解，現(xiàn)在通用的方法是使用蒙特卡洛法搜索。工作空間小原本就是并聯(lián)機器人的一大缺點，而Stewart機器人又沒有工作空間解析解，對于Stewart機器人的應用就更加不利了。

Stewart機器人的主要“玩家”

正是由于Stewart機器人的這些優(yōu)缺點，Stewart機器人常被用于模擬臺、搖擺臺領域，例如飛行模擬器、地震模擬臺、艦船模擬臺、汽車模擬臺等;在民用方面的應用包括電影座椅等。這類工況一般都希望平臺有六個自由度，重載，但是運動的速度比較低，同時對運動的精度要求不高。

現(xiàn)在國內(nèi)傳統(tǒng)的生產(chǎn)Stewart平臺相關產(chǎn)品的企業(yè)主要有天津鼎成、福云天翼、大連瑞新、星光凱明、武漢華之洋等。

天津鼎成高新技術產(chǎn)業(yè)有限公司，是天津工程機械研究院全資子公司，由原天工所軍工處于1999年改制而來，隸屬于中國機械工業(yè)集團有限公司，其產(chǎn)品以串聯(lián)搖擺臺和六自由度并聯(lián)搖擺臺為主。

大連瑞信搖擺臺科技有限公司，其前身為哈爾濱工業(yè)大學流體傳動及控制教研室，公司于2001年創(chuàng)建，主營二、三、六自由度并聯(lián)搖擺臺。

天津福云天翼科技有限公司，是哈爾濱工業(yè)大學電液伺服仿真及試驗系統(tǒng)研究所于2010年創(chuàng)建而成的獨資公司，主營各種模擬臺及三、六自由度并聯(lián)搖擺臺。

北京市星光凱明動感仿真模擬器中心，于1999年成立，主營單自由度、二自由度、三自由度、四自由度、六自由度運動仿真試驗平臺。

武漢華之洋科技有限公司其前身為七一七研究所光電系統(tǒng)應用部，是中國船舶重工集團第七一七研究所（HIEO）的控股子公司，創(chuàng)建于2000年，主營二、三、五自由度串聯(lián)和六自由度并聯(lián)搖擺臺。

綜合來看，現(xiàn)有的搖擺臺玩家一般發(fā)源于研究所，或者由具備國家軍工背景的企業(yè)衍生而來，這些企業(yè)或長期和軍方打交道，或本身就是國家的軍工企業(yè)，同時本身也有一定的科研能力，所以有資格，也有能力分享搖擺臺這塊“蛋糕”。一般的民營機器人企業(yè)由于沒有上述優(yōu)勢，所以通常不將搖擺臺作為研發(fā)重點。

新興機器人企業(yè)的入局

覺察到Stewart機器人的獨特優(yōu)勢，現(xiàn)在已經(jīng)有機器人廠商開始研發(fā)Stewart機器人，進而有可能將其觸手伸向搖擺臺、模擬臺領域，與傳統(tǒng)專注于搖擺臺、模擬臺的“領跑”企業(yè)競爭。

機器人企業(yè)最大的優(yōu)勢在于其控制技術。由于Stewart機器人使用場景對精度一般要求不高，運動較簡單，將傳統(tǒng)的機器人控制算法、軌跡規(guī)劃算法應用到模擬臺的場景，屬于降維競爭。

另一方面，和傳統(tǒng)的搖擺臺、模擬臺企業(yè)相比，機器人企業(yè)的劣勢也同樣明顯：

1、資質(zhì)問題：相當一部分的模擬臺項目出自于軍方，如果企業(yè)想要投標，需要有一定的保密資質(zhì)，而這個資質(zhì)是相當一部分機器人企業(yè)所不具備的。沒有資質(zhì)，企業(yè)連投標的資格都沒有。可是一旦成功申請保密資質(zhì)，企業(yè)就需要遵守規(guī)定，例如辦公電腦不能上網(wǎng)等，這樣的條件對于公司辦公效率是不利的;

2、重載的要求：和Delta機器人的應用場景不同，Stewart機器人常用于重載的工況，其安裝方式與Delta也不同，它的定平臺在下，動平臺在上。動平臺上的負載，可能是一艘軍艦，可能是一架飛機，也可能是一輛坦克。負載可能為幾噸、幾十噸甚至上百噸。工況的突然轉變，也會對公司帶來全新的挑戰(zhàn);

3、非標設計的要求：現(xiàn)在做Delta機器人的企業(yè)，多為研發(fā)出不同型號的機器人，然后將不同型號的機器人應用于不同的場景上。但是搖擺臺、模擬臺的每個項目都不一樣，工況千差萬別，所以很難依靠幾種現(xiàn)有的型號應付不同的項目，需要經(jīng)常針對不同的項目，對搖擺臺進行單獨的結構設計、仿真。

而非標設計最大的難點是：圖紙只會使用一次，最多兩三次，從成本和時間上來說，非標設備在生產(chǎn)過程中不允許零件二次制造（與生產(chǎn)線的非標設計有些類似）。這種經(jīng)常性的機器人本體的非標設計要求，也可能會讓機器人企業(yè)不太適應。

基于上述分析，在資質(zhì)、重載和非標三個不利因素下，現(xiàn)有的Delta企業(yè)如果想進軍搖擺臺領域，更好的方式是與原有成熟的搖擺臺企業(yè)合作。

但是由于資質(zhì)問題，出現(xiàn)的合作情況更可能是傳統(tǒng)的搖擺臺企業(yè)占主動權。在合作中，搖擺臺企業(yè)以自己的資質(zhì)參加投標，機器人企業(yè)作為搖擺臺企業(yè)的一個乙方參與其中。在實際項目中，搖擺臺企業(yè)負責機械設計、鉸點位置確定（機器人企業(yè)也可參與其中）、加工工藝，而機器人企業(yè)可以負責控制算法、機器人位置標定等工作。

后記

在搖擺臺領域，將搖擺臺、模擬臺稱作機器人的說法并不常見，但是以Stewart構型為基礎的六自由度搖擺臺能夠滿足機器人的一切定義，所以它是貨真價實的并聯(lián)機器人，是Delta機器人的“大哥哥”。

Stewart機器人的發(fā)明標志著并聯(lián)機器人的誕生;它在軍工，娛樂等方面發(fā)揮著自己的作用，減速器、電動缸（液壓缸）、虎克鉸、球鉸和控制器是其核心元器件。也可應用于多種的運動模擬以及高精度定位場所。Stewart類機器人用于高鐵行進模擬場合。

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