機床是制造業的“工作母機”，一個國家機床行業技術水平，是衡量其裝備制造業先進程度的重要標志。根據結構特點的不同，機床有串聯式、并聯式和混聯式。串聯式結構相當于我們單手操作，工作范圍大但承載能力小；而并聯式可視作雙手或多手并用，承載能力大、剛度高，精度高，但工作范圍小。混聯機床由并聯部分和串聯部分組成，兼具工作范圍大和精度高的優勢，是開發高端機床的合適方案。

李秦川，浙江理工大學教授，畢業于燕山大學，博士師從我國并聯機器人機構學的開拓者黃真教授，博士課題主要研究少自由度并聯機器人構型綜合，即根據并聯機器人的運動要求即自由度，發明新的機構構型，并研究設計方法。2003年，李秦川博士畢業后加盟浙江理工大學。李秦川教授近年來主持國家杰出青年科學基金、浙江省杰出青年科學基金等項目，入選國家和浙江省萬人計劃科技創新領軍人才，是浙江理工大學機器人研究團隊的帶頭人。團隊目前有教授二人、副教授一人，講師六人，研究方向包括機器人結構創新與優化技術、機器人精密測量與驅動技術、機器人先進控制技術、機器人感知與智能認知技術。

 

并聯機器人：高速、高剛度、大承載能力

 

長期研究表明，混聯機床最合適的并聯部分是可輸出兩個轉動和一個平動的并聯機器人。并聯機器人具有許多無法替代的優勢，如高速、高剛度、承載能力大、動態響應好等。

“就好比一只手端水和兩只手端水，一只手端水的話，總會有些顫抖，但是兩只手的話，就會穩定很多。”對于并聯機器人，李秦川教授打了一個生動鮮活的比喻，“而我們的并聯機器人有四條支臂，這樣一來，穩定性就很高了。”

近 10 年來，以并聯機器人機構作為主機構的并/混聯構型裝備已獲得廣泛應用。對于很多不需要空間六個自由度的操作(如對準、姿態定位、軸對稱的機加工)，此時使用合適的少自由度(自由度數小于6)并聯機器人可以降低加工制造、標定、控制和維護等方面成本，少自由度并聯機器人已成為國際并聯機構學術界和工業界關注的熱點和前沿。發達國家非常注重少自由度并聯機器人的自主創新、系統設計和工程應用，如歐盟在第五、六、七框架中先后部署了 Robot Tool、MACH21、SMErobot等科技計劃，為提高飛機數字化裝配、汽車制造、食品醫藥生產線自動化水平，設計和開發以少自由度并聯機器人為主執行機構的新一代高端裝備。尤其是具有兩個轉動自由度和一個移動自由度的兩轉一移三自由度并聯機器人，被用作望遠鏡聚焦裝置、運動模擬器、微操作機械手、坐標測量機、加工中心的主軸頭等。這些應用中最成功的當屬德國 DS Technologie 公司于1999 年推出的基于 3-PRS 并聯機構的 Z3 主軸頭，該主軸頭與 X/Y 軸線性導軌集成后，可構建五坐標高檔數控加工中心，主要用于大型航空結構件（梁、筋、肋板、框、壁板）的高速加工。

就目前來說，成功應用的混聯機床寥寥無幾，主要原因有兩方面：一是缺乏合適的并聯機構構型，機構內部鉸鏈（薄弱環節）數目過多，限制了機構的精度，二是并聯機構的轉動軸是虛擬的，無法實時測量和閉環控制。在浙江省自然科學基金重點項目的資助下，浙江理工大學李秦川教授團隊針對以上難題開展了研究，取得了一系列創新性成果，2014年1月，李秦川教授團隊開展了“RPR 類并聯機構構型綜合與尺度設計方法”項目，并于2017年12月順利通過結題驗收。

在該項目開展之前，國際上鉸鏈數最少的兩轉一移并聯機構是Exechon并聯機器人，由瑞典艾克斯康公司研發，具有13個單自由度鉸鏈，且轉動軸是虛擬的，控制難度大。李秦川教授以位移流形數學理論為基礎，對機構內關節的活動運動和消極運動進行辨識。由于消極運動對機構的輸出運動不起作用，可將消極運動對應的關節移除，從而降低機構內部鉸鏈數目。再結合轉動軸構造與遷移方法，將并聯機構的轉動軸設計為與某個關節軸線重合。通過以上方法，設計出了一系列新型兩轉一移并聯機構。每個機構僅有12個單自由度鉸鏈，且轉動軸是機構內部實際存在的關節軸，可在關節上安裝傳感器，實時測量轉動角度，從而實現閉環控制。由于具有這些特點，設計出來的并聯機構相比于Exechon機器人，無論是在精度方面，還是在控制難度上，都具有顯著的優勢。在新提出構型的基礎上，團隊研究設計了一臺五軸混聯機床，適用于切削加工、焊接等一系列復雜操作，展現出了優越的操作性能。相關專利已完成實施許可轉化，有望突破歐美國家在混聯機床領域的壟斷局面，為中國制造高端裝備的研發提供助推器。項目研究成果得到了國際同行的高度評價。美國國家機器人路線圖編委、耶魯大學A M. Dollar教授評價項目成果是“位移流形方法在并聯機構構型綜合中應用的里程碑”。

 

從無到有拼搏前行

 

李秦川教授回顧了他們團隊最初設計的動機，感慨說：“普通的并聯機器人的輸出沒有各向異性，而只有各向同性，因此，這些并聯機器人有時不能滿足一些特殊的工藝需求。就拿火箭燃料箱為例，它的頂是圓頂結構，所采用的是攪拌摩擦焊的焊接工藝，也就是通過摩擦生熱的方式把兩塊材料接在一起，這樣就不需要焊接輔料。火箭燃料箱的直徑非常大，有的可能長達5米，在進行攪拌摩擦焊時，可能在一個方向上需要很大的擺動幅度，但是在另一個方向上，所需要的擺動幅度卻很小，而傳統的并聯機器人很難滿足這種工藝要求，因為傳統的機器人在每個方向上的擺動幅度都是均勻一致的。基于這樣的應用需求，我們就想了，能不能設計具有輸出各向異性的并聯機器人？”

李秦川教授稱自己的研究屬于概念設計范疇，是實現“從無到有”的過程。這個過程對新裝備的研發是至關重要的。究其原因，機構是裝備的核心骨架。新的構型是獲得自主知識產權的前提，而有效的設計方法則是工程實際應用的基礎保證，因此要實現高端裝備的自主創新，必須在機構的構型和設計方法上有所突破。如何找到一種系統的方法，能夠科學有效地發明新機構，解決構型綜合問題，本質上也是一種原始創新。

李秦川教授說，在省基金的資助之下，他們已經完成了基礎性的工作，而接下來，在基金的支持下，李秦川教授的團隊將進一步開展機器人基礎理論和應用關鍵技術研究，為提升我國機器人高端裝備的理論與技術水平繼續拼搏前行。

 

 （作者：高天峰 通訊員：周麗敏）

來源：浙江基礎研究