單人站立時(shí)長超5小時(shí)、日均搬貨量約1噸,人形機(jī)器人如何勝任車間物流任務(wù)?江南大學(xué)智能制造學(xué)院教授張秋菊團(tuán)隊(duì)攜手無錫蔚瀚智能科技有限公司、無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)的雙臂輪腿式人形機(jī)器人“艾德”,為解決這一難題提供了方案。“艾德”雙臂抓取力達(dá)6公斤以上,可以在良好鋪裝路面快速移動(dòng)。在智慧車間物流場景下,“艾德”機(jī)器人有望成為一名出色的車間“搬運(yùn)能手”。
“‘艾德’身高1.7米,全身具有32個(gè)自由度,擁有一雙6電缸驅(qū)動(dòng)的五指靈巧手。它不僅可以輕松抓起數(shù)公斤重物,還能進(jìn)行類人五指靈巧操作,是一臺(tái)名副其實(shí)的全尺寸工業(yè)人形機(jī)器人。”張秋菊近日接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹。
安裝“強(qiáng)關(guān)節(jié)”
傳統(tǒng)車間物流搬運(yùn)工作以人工為主,物料員需要頻繁往返于倉庫和生產(chǎn)線之間,完成一系列移動(dòng)運(yùn)輸任務(wù)和輔助上下料作業(yè)。而在智慧車間物流場景下,機(jī)器人可以代替物料員進(jìn)行柔性物料搬運(yùn),助力車間物流朝智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。
打造智慧車間物流場景,關(guān)鍵在于為機(jī)器人打造與人類相似的骨骼框架與關(guān)節(jié)系統(tǒng)等機(jī)械構(gòu)造,使其具有良好的操作和運(yùn)載能力,以適應(yīng)車間物流柔性化作業(yè)需求。其中,關(guān)節(jié)技術(shù)的優(yōu)劣直接決定了機(jī)器人的有效負(fù)載、靈活性、精確性和耐用性。
目前,人形機(jī)器人通常采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案,通過無框力矩電機(jī)與諧波減速器的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高扭矩動(dòng)力輸出。但傳統(tǒng)的諧波減速器使用的漸開線齒形結(jié)構(gòu)承載能力較小,不僅會(huì)造成機(jī)器人關(guān)節(jié)臃腫,增加機(jī)器人自重與體積,還大大限制了其空間動(dòng)作能力和工作負(fù)載。
如何在確保高扭矩輸出的同時(shí),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的輕量化與小型化,是團(tuán)隊(duì)需要攻克的一道難題。當(dāng)前,國內(nèi)外許多專家學(xué)者都在致力于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,部分企業(yè)已在關(guān)節(jié)模組上應(yīng)用了單圓弧齒形。這雖然減小了關(guān)節(jié)模組的體積,但在抗金屬疲勞能力上效果不夠理想。后來,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次試驗(yàn)與總結(jié),發(fā)現(xiàn)雙曲線齒形的諧波關(guān)節(jié)模組體積僅是普通齒形的30%,承載力卻是傳統(tǒng)關(guān)節(jié)模組的1—2倍。“艾德”使用的雙曲線齒形關(guān)節(jié)模組,顯著提升了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力與負(fù)載性能,更好適應(yīng)了高扭矩、高精度的工作條件,滿足了機(jī)器人關(guān)節(jié)小型化、輕量化的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
配備“靈巧手”
“艾德”不僅生得“孔武有力”,干起活來還“心靈手巧”。它可以在研究人員的監(jiān)督下抓取工具,也可以分揀物流箱內(nèi)不同種類貨物,并與人類簡單交互。這得益于研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的五指靈巧手技術(shù)。
人體的206塊骨頭中,有54塊在手上。人手運(yùn)動(dòng)看似平常,卻能勝任從精細(xì)物體抓取到復(fù)雜工具操作等多種任務(wù)。用機(jī)械運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)人手的操作功能,是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
“艾德”裝配的靈巧機(jī)械手,內(nèi)置6個(gè)小型直線電缸,采用精密連桿傳動(dòng)方案。該機(jī)械手具有6個(gè)主動(dòng)自由度、9個(gè)被動(dòng)自由度,每根手指都由獨(dú)立電缸驅(qū)動(dòng),可以輕松實(shí)現(xiàn)握拳、豎掌、捏取等動(dòng)作,更好復(fù)現(xiàn)了人類手勢。該機(jī)械手采用全鋁合金打造,總重不到0.6公斤,輕盈美觀、體積小巧。
研究人員介紹,這只手的另外一個(gè)亮點(diǎn)在于所有組件都集成到了掌內(nèi)。這意味著它無需額外部件,就能連接到現(xiàn)有的機(jī)械臂上。在實(shí)驗(yàn)中,機(jī)械手在拿鋼筆、拎料箱、用掃描槍掃碼糾錯(cuò)等多種車間工作場景中表現(xiàn)良好。
踏上“風(fēng)火輪”
要想成為一名合格的“物流員”,“艾德”既要跑得快,更要跑得穩(wěn)。
當(dāng)下,普通物流倉儲(chǔ)車間建筑面積已達(dá)1000平方米左右,而物料倉與生產(chǎn)線之間的距離通常設(shè)置在50米以上。為滿足運(yùn)輸要求,機(jī)器人單日需在倉庫與生產(chǎn)線間往返100余次,日行里程有時(shí)甚至?xí)^16千米。這對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與穩(wěn)定性提出了較高要求。
為了讓“艾德”在車間“跑”得又快又穩(wěn),研究團(tuán)隊(duì)采用輪腿式構(gòu)型,簡化了運(yùn)動(dòng)算法流程,降低了機(jī)器人在平衡控制上的芯片算力占用。“僅僅是底盤結(jié)構(gòu),我們就做了三次迭代。我們對上肢進(jìn)行輕量化處理,將重心完全降在了底盤高度,解決了前代樣機(jī)加減速振動(dòng)和重心偏移問題,使‘艾德’跑得更快,并兼具良好的操控性與穩(wěn)定性。”張秋菊介紹。
“‘艾德’測試運(yùn)動(dòng)速度為2米/秒,潛在運(yùn)動(dòng)速度大于15千米/小時(shí),能夠穩(wěn)定加減速、轉(zhuǎn)向、爬坡,達(dá)到了智慧車間物流的基本要求。”江南大學(xué)智能制造學(xué)院碩士研究生陳蘇芃說,“艾德”還搭載了一臺(tái)48伏特鋰電池,應(yīng)用電源管理技術(shù),確??梢栽陬~定狀態(tài)下持續(xù)工作超5小時(shí)。
“當(dāng)前,‘艾德’已經(jīng)初步通過車間物流功能性論證,可以完成簡單的物流搬運(yùn)演示。未來,我們希望進(jìn)一步提升機(jī)器人的智力水平、感知能力、雙臂協(xié)同和靈巧操作能力,讓‘艾德’有機(jī)會(huì)走進(jìn)企業(yè),在工業(yè)應(yīng)用場景中大顯身手。”張秋菊說。
單人站立時(shí)長超5小時(shí)、日均搬貨量約1噸,人形機(jī)器人如何勝任車間物流任務(wù)?江南大學(xué)智能制造學(xué)院教授張秋菊團(tuán)隊(duì)攜手無錫蔚瀚智能科技有限公司、無錫威孚高科技集團(tuán)股份有限公司自主研發(fā)的雙臂輪腿式人形機(jī)器人“艾德”,為解決這一難題提供了方案。“艾德”雙臂抓取力達(dá)6公斤以上,可以在良好鋪裝路面快速移動(dòng)。在智慧車間物流場景下,“艾德”機(jī)器人有望成為一名出色的車間“搬運(yùn)能手”。
“‘艾德’身高1.7米,全身具有32個(gè)自由度,擁有一雙6電缸驅(qū)動(dòng)的五指靈巧手。它不僅可以輕松抓起數(shù)公斤重物,還能進(jìn)行類人五指靈巧操作,是一臺(tái)名副其實(shí)的全尺寸工業(yè)人形機(jī)器人。”張秋菊近日接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)介紹。
安裝“強(qiáng)關(guān)節(jié)”
傳統(tǒng)車間物流搬運(yùn)工作以人工為主,物料員需要頻繁往返于倉庫和生產(chǎn)線之間,完成一系列移動(dòng)運(yùn)輸任務(wù)和輔助上下料作業(yè)。而在智慧車間物流場景下,機(jī)器人可以代替物料員進(jìn)行柔性物料搬運(yùn),助力車間物流朝智能化、自動(dòng)化方向發(fā)展。
打造智慧車間物流場景,關(guān)鍵在于為機(jī)器人打造與人類相似的骨骼框架與關(guān)節(jié)系統(tǒng)等機(jī)械構(gòu)造,使其具有良好的操作和運(yùn)載能力,以適應(yīng)車間物流柔性化作業(yè)需求。其中,關(guān)節(jié)技術(shù)的優(yōu)劣直接決定了機(jī)器人的有效負(fù)載、靈活性、精確性和耐用性。
目前,人形機(jī)器人通常采用旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方案,通過無框力矩電機(jī)與諧波減速器的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)高扭矩動(dòng)力輸出。但傳統(tǒng)的諧波減速器使用的漸開線齒形結(jié)構(gòu)承載能力較小,不僅會(huì)造成機(jī)器人關(guān)節(jié)臃腫,增加機(jī)器人自重與體積,還大大限制了其空間動(dòng)作能力和工作負(fù)載。
如何在確保高扭矩輸出的同時(shí),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的輕量化與小型化,是團(tuán)隊(duì)需要攻克的一道難題。當(dāng)前,國內(nèi)外許多專家學(xué)者都在致力于傳動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化,部分企業(yè)已在關(guān)節(jié)模組上應(yīng)用了單圓弧齒形。這雖然減小了關(guān)節(jié)模組的體積,但在抗金屬疲勞能力上效果不夠理想。后來,團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次試驗(yàn)與總結(jié),發(fā)現(xiàn)雙曲線齒形的諧波關(guān)節(jié)模組體積僅是普通齒形的30%,承載力卻是傳統(tǒng)關(guān)節(jié)模組的1—2倍。“艾德”使用的雙曲線齒形關(guān)節(jié)模組,顯著提升了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)能力與負(fù)載性能,更好適應(yīng)了高扭矩、高精度的工作條件,滿足了機(jī)器人關(guān)節(jié)小型化、輕量化的設(shè)計(jì)指標(biāo)。
配備“靈巧手”
“艾德”不僅生得“孔武有力”,干起活來還“心靈手巧”。它可以在研究人員的監(jiān)督下抓取工具,也可以分揀物流箱內(nèi)不同種類貨物,并與人類簡單交互。這得益于研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的五指靈巧手技術(shù)。
人體的206塊骨頭中,有54塊在手上。人手運(yùn)動(dòng)看似平常,卻能勝任從精細(xì)物體抓取到復(fù)雜工具操作等多種任務(wù)。用機(jī)械運(yùn)動(dòng)復(fù)現(xiàn)人手的操作功能,是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
“艾德”裝配的靈巧機(jī)械手,內(nèi)置6個(gè)小型直線電缸,采用精密連桿傳動(dòng)方案。該機(jī)械手具有6個(gè)主動(dòng)自由度、9個(gè)被動(dòng)自由度,每根手指都由獨(dú)立電缸驅(qū)動(dòng),可以輕松實(shí)現(xiàn)握拳、豎掌、捏取等動(dòng)作,更好復(fù)現(xiàn)了人類手勢。該機(jī)械手采用全鋁合金打造,總重不到0.6公斤,輕盈美觀、體積小巧。
研究人員介紹,這只手的另外一個(gè)亮點(diǎn)在于所有組件都集成到了掌內(nèi)。這意味著它無需額外部件,就能連接到現(xiàn)有的機(jī)械臂上。在實(shí)驗(yàn)中,機(jī)械手在拿鋼筆、拎料箱、用掃描槍掃碼糾錯(cuò)等多種車間工作場景中表現(xiàn)良好。
踏上“風(fēng)火輪”
要想成為一名合格的“物流員”,“艾德”既要跑得快,更要跑得穩(wěn)。
當(dāng)下,普通物流倉儲(chǔ)車間建筑面積已達(dá)1000平方米左右,而物料倉與生產(chǎn)線之間的距離通常設(shè)置在50米以上。為滿足運(yùn)輸要求,機(jī)器人單日需在倉庫與生產(chǎn)線間往返100余次,日行里程有時(shí)甚至?xí)^16千米。這對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與穩(wěn)定性提出了較高要求。
為了讓“艾德”在車間“跑”得又快又穩(wěn),研究團(tuán)隊(duì)采用輪腿式構(gòu)型,簡化了運(yùn)動(dòng)算法流程,降低了機(jī)器人在平衡控制上的芯片算力占用。“僅僅是底盤結(jié)構(gòu),我們就做了三次迭代。我們對上肢進(jìn)行輕量化處理,將重心完全降在了底盤高度,解決了前代樣機(jī)加減速振動(dòng)和重心偏移問題,使‘艾德’跑得更快,并兼具良好的操控性與穩(wěn)定性。”張秋菊介紹。
“‘艾德’測試運(yùn)動(dòng)速度為2米/秒,潛在運(yùn)動(dòng)速度大于15千米/小時(shí),能夠穩(wěn)定加減速、轉(zhuǎn)向、爬坡,達(dá)到了智慧車間物流的基本要求。”江南大學(xué)智能制造學(xué)院碩士研究生陳蘇芃說,“艾德”還搭載了一臺(tái)48伏特鋰電池,應(yīng)用電源管理技術(shù),確??梢栽陬~定狀態(tài)下持續(xù)工作超5小時(shí)。
“當(dāng)前,‘艾德’已經(jīng)初步通過車間物流功能性論證,可以完成簡單的物流搬運(yùn)演示。未來,我們希望進(jìn)一步提升機(jī)器人的智力水平、感知能力、雙臂協(xié)同和靈巧操作能力,讓‘艾德’有機(jī)會(huì)走進(jìn)企業(yè),在工業(yè)應(yīng)用場景中大顯身手。”張秋菊說。
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