天津大學項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度平麵機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構，打破了國外的專利壁壘
，在航天航空
、軌道交通、船舶製造等領域具有廣闊的應用前景。

　　看過電影《摩登時代》的人都還記得，喜劇大師卓別林飾演的工人查理每天唯一的任務就是在流水線上重複著同樣的工作——扭緊六角螺帽。如今在現代智能製造工廠，查理這種重複性強、學習性弱、危險性高的工作
，已經被工業機器人所取代。

　　用工業機器人替代機床實現高柔性
、低成本加工正在成為智能製造裝備技術的重要發展趨勢。天津大學機械工程學院機械係教授劉海濤項目團隊經過20多年的研發，首創了一種由2自由度平麵機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構，打破了國外的專利壁壘
，在航天航空、軌道交通

、船舶製造等領域具有廣闊的應用前景。日前，“高性能混聯加工機器人”技術成果獲得天津市技術發明一等獎。該項目還先後獲國家發明專利33件、發表學術論文59篇。

　　高性能製造急需的核心裝備

　　如今，在汽車、電子、物流等各個工業領域，我們經常能看到多關節機械手或多自由度的機器裝置
，這些都是工業機器人。

　　“串聯機器人出現時間早，具有運動靈活
、工作空間大等優點。而並聯機器人與串聯機器人相比

，具有承載能力強、剛度大、精度高
、動態特性優等特點。”liuhaitaoyonglegebiyulaijieshi
，chuanlianjiqirenjiuxiangyigeshoubi，yougegeguanjiechuanlianzaiyiqi。erbinglianjiqirenshiyigebihuanjiegou
，jiuxiangbaliangzhishouwozaiyiqi

，youliangtiaoshoubigongtongwanchengyijianshi。

　　串聯和並聯機器人雖然各有優勢
，但也都有其劣勢。“串聯機器人是‘孤掌難鳴’
，一條手臂負載能力有限
，其剛度和精度具有局限性。而並聯機器人由於是兩隻手握在一起
，運動靈活性下降，工作範圍變小。”劉海濤介紹

，混聯機器人在一定的操作空間內擁有靈活多角度的操作，又能保證高速高精度的特性。

　　混聯機器人目前已成為機器人加工技術的一個重要發展方向。同時，由混聯機器人構成的機器人化加工裝備（以下簡稱混聯加工機器人），也是我國航天航空等重點領域實現高性能製造急需的核心裝備。

　　2000年(nian)初(chu)，劉(liu)海(hai)濤(tao)所(suo)在(zai)課(ke)題(ti)組(zu)便(bian)開(kai)始(shi)投(tou)入(ru)對(dui)混(hun)聯(lian)加(jia)工(gong)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)研(yan)究(jiu)
，此(ci)時(shi)我(wo)國(guo)尚(shang)未(wei)建(jian)立(li)起(qi)這(zhe)類(lei)機(ji)器(qi)人(ren)係(xi)統(tong)完(wan)整(zheng)的(de)研(yan)發(fa)體(ti)係(xi)
，既(ji)無(wu)成(cheng)熟(shu)產(chan)品(pin)，更(geng)無(wu)在(zai)高(gao)端(duan)領(ling)域(yu)的(de)應(ying)用(yong)。

　　市場上

，西班牙龍信和瑞典艾克斯康公司生產的混聯加工機器人是世界上僅有的兩款商業化的產品，通過專利壁壘長期獨霸國際市場。

　　“應用國外產品價格高
，而且整個係統包括工藝流程等都是封閉的，除了維護費用高以外，未來工藝改革等都受到一定限製。”劉海濤說，因此這種局麵亟待突破，需要研發、生產我國自主可控的混聯加工機器人。

　　混聯加工機器人研發生產難度大

　　然而混聯加工機器人並不是串聯和並聯機器人的1+1=2
，其研發和產業化難度非常大。

　　首先，最大的難點就是混聯加工機器人的構型，也就是骨架的設計

，包括鉸鏈類型、數量及其空間布置形式等。“能實現同樣運動的構型浩如煙海，就好比人和魚的骨架雖然不同，但都能在水裏遊。”劉海濤說，這麼多構型最終隻有極少數具有工程實用價值
，結構是否簡單
、受力是否合理、可ke否fou低di成cheng本ben製zhi造zao以yi及ji是shi否fou便bian於yu靈ling活huo布bu局ju等deng都dou是shi技ji術shu難nan點dian。此ci外wai
，作zuo為wei一yi個ge閉bi環huan結jie構gou，由you於yu混hun聯lian加jia工gong機ji器qi人ren是shi多duo軸zhou聯lian動dong的de，因yin此ci如ru何he實shi現xian高gao精jing度du運yun動dong也ye是shi一yi個ge難nan點dian。

　　“構型雖然有理論方法，但是設計出來的骨架大多數都不適用，沒有規律可循，設計需要一定的靈感。”劉海濤說
，“靈感其實也是來源於工程的實踐中。”

　　項目組通過四代工程樣機的迭代開發，最終首創了一種由2自由度平麵機構、集成鉸鏈和6自由度支鏈構成的混聯加工機器人新機構。同時
，通過將機器人學、機床動力學、數字樣機技術有機結合，提出了主參數關聯設計和層次化設計策略
，發明了尺度—結構—驅動器集成設計新方法，突破了混聯加工機器人動態設計核心技術，保證了機器人兼具優良的運動靈活性、靜剛度和動態特性。

　　其(qi)次(ci)，產(chan)品(pin)不(bu)可(ke)能(neng)都(dou)處(chu)於(yu)理(li)想(xiang)狀(zhuang)態(tai)，在(zai)零(ling)部(bu)件(jian)的(de)加(jia)工(gong)和(he)裝(zhuang)配(pei)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，都(dou)會(hui)產(chan)生(sheng)誤(wu)差(cha)影(ying)響(xiang)到(dao)精(jing)度(du)。因(yin)此(ci)控(kong)製(zhi)和(he)補(bu)償(chang)技(ji)術(shu)也(ye)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)
，項(xiang)目(mu)組(zu)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)這(zhe)項(xiang)技(ji)術(shu)調(tiao)控(kong)裝(zhuang)備(bei)的(de)精(jing)度(du)，從(cong)而(er)保(bao)證(zheng)機(ji)器(qi)人(ren)末(mo)端(duan)的(de)高(gao)精(jing)度(du)運(yun)作(zuo)。

　　為了提高機器人的靜動態精度，項目組將機器人學
、結構動力學
、大數據分析有機結合
，突破了高速高精度五軸聯動控製、位姿誤差綜合補償、平滑與運動平穩軌跡規劃、高效精準視覺定位等一係列核心關鍵技術。

　　zuihou
，congyingyongdejiaodulaikan，hunlianjiagongjiqirenhuiyouhenduoyingyongchangjing。butongdegongyiyoubutongdeshengchanxuqiu
，zhedouxuyaohunlianjiagongjiqirenhezhuangbeixiangshiying。liuhaitaojulishuo，biruxixuejiagongjiuyouhenduogongyicanshu
，baokuoshiyongshenmeyangdedaoju
，yongduokuaidejingeisudujinxingjiagong，daojudezhuansushiduoshaodeng，erdamo、焊接
、拋光等不同的應用也都有各自的工藝要求。

　　“隻有把理論和最後應用需要形成一套完整的體係才能實現產業化。”劉海濤說。

　　項目組不僅解決了混聯加工機器人機構創新、設計理論、精度調控中的難題

，還突破了加工工藝中的關鍵環節，打通了從自主設計到工程應用的全鏈條。混聯加工機器人可搭建各類適用於銑削

、製孔
、焊接、拋磨、裝配等作業的單機和多機製造係統。

　　經第三方權威機構檢測
，項目組研發生產的混聯加工機器人性能指標與國外同類產品技術水平相當，實現了從追趕到並跑的技術跨越。

　　解決我國重大工程中的製造難題

　　目前，劉海濤項目組開發的以混聯加工機器人為核心的全向移動銑削、光學元件超精密拋光、空間型線攪拌摩擦焊接、汽車模具拋磨等係列新型工藝裝備，率先實現了在航天航空

、新能源、汽車製造等領域的工程應用，解決了一批我國重大工程中的製造難題。

　　劉liu海hai濤tao舉ju例li說shuo，傳chuan統tong的de機ji械xie加jia工gong都dou使shi用yong機ji床chuang
，機ji床chuang加jia工gong技ji術shu已yi有you百bai年nian發fa展zhan史shi，技ji術shu成cheng熟shu且qie加jia工gong精jing度du高gao
，因yin此ci航hang天tian領ling域yu很hen多duo重zhong要yao的de工gong件jian都dou是shi由you機ji床chuang加jia工gong而er成cheng。然ran而er隨sui著zhe航hang天tian製zhi造zao領ling域yu需xu要yao加jia工gong的de工gong件jian尺chi寸cun越yue來lai越yue大da，像xiang航hang天tian艙cang、火箭燃料貯箱等
，使用機床完成局部加工就有些“力不從心”了。

　　“占地大、造價高，同時還要保證高精度，對機床加工技術的要求越來越高。而且工件上下機床過程複雜，導致加工周期長。”劉海濤說，而使用混聯加工機器人可以實現原位加工，工件不動，機器人可以靈活“遊走”，還能多機同時進行操作，大大提高了生產效率。同時混聯加工機器人還可以與測量
、傳感技術集成

，真正體現了製造業的“智慧”。

　　據悉，目前“高性能混聯加工機器人”成果已經向廣州數控等企業實施專利許可2項

，獲得歐盟CE安全認證並出口英國。

　　劉海濤表示：“未來
，麵向我國高端製造領域對機器人化加工裝備的重大需求，項目組將持續深入地開展機器人—測控—工藝係統集成技術研究
，努力拓展所研發的混聯加工機器人的應用領域，為提升我國高性能加工機器人的技術水平、推進製造業創新驅動發展提供技術支撐。”