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科技讲堂 | 清华大学长聘教授刘辛军——仿生创新之大型复杂构件加工

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专 家 介 绍

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刘辛军  清研院功勋科学家

清华大学长聘教授、博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授、国家“万人计划”领军人才




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加工机器人 TK-Robot P系列



前  言

在我国能源、航空航天等领域蓬勃发展的背景下,空间站大型舱体结构件、大型航空薄壁件等复杂构件的高效高质量加工需求越发旺盛,创新性研究的重要性日渐凸显。

但是,目前大型复杂构件的高质量制造存在诸多难题,需要通过科技创新研究提出变革性的技术及装备。


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具有大型舱体结构的空间站


刘辛军教授表示,科技创新研究可总结为“揭示规律、创造发明、改造世界”三个阶段,并将此与古典哲学思想、辩证唯物主义方法论重要思想相结合,把科技创新研究模式概括为“寻其道、谋其术、求其魂、索其变、用其精”的辩证统一过程。


寻其道  遵循自然界规律

“寻其道的本质是科学观察与科学认识,是一种好奇探索,是人天性的表现。”刘辛军教授介绍到,自然界中的各种生命体在进行生命活动时,总是遵循着一定的规律,这为我们从事科技创新研究提供了一定的依据。

受自然界中生命体作业特征和外形启发,刘辛军教授提出大型复杂构件原位柔性加工解决方案,并提出了一种移动式加工机器人概念,该机器人由AGV移动车、机械臂和并联式5轴运动末端执行器构成。

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长颈象鼻虫与移动式加工机器人









谋其术 寻找合适方法

“在认知并揭示了事物发展规律的基础上,若要产生发明创造,便要找到合适的方法。”刘辛军教授认为,“谋其术”的本质是以创造发明为目标的一种技术应用。

刘辛军教授表示:“提出的移动式加工机器人,AGV移动车和机械臂是比较成熟的,并联式5轴运动末端执行器设计是需要解决的难点,采用我们研究的基于Grassmann线几何和线图法的构型综合方法这一“术”开展机器人的并联机构构型设计。最终得到一种结构紧凑、轻量化、高灵活性的5自由度并联机构。”



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5自由度并联机构



求其魂 改进发明的技术应用

刘辛军教授解析,“求其魂是让我们了解发明创造中起主导和决定作用的因素,从而发挥发明创造的最佳性能、实现最佳效果。”

从自然界生命体,可以领悟到隐藏在生命体和机器内部机构的第一功能应该是传递运动和力,由此,刘辛军团队提出并建立一套机构运动和力传递与约束特性的性能评价体系,实现了5自由度并联机构尺寸参数及结构参数的优化,进而研发出一台5自由度并联加工机器人。


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五自由度并联加工机器人


这种机构性能评价方法,参考了自然界生命体的运动以及力传递有效性法则,有效体现了机构设计中性能评价“求其魂”。


为了高效和灵活,两轴转动往往是耦合(并联)运动,比如人手腕的转动运动。刘辛军介绍道,设计的机器人具有5个自由度,其中的2个转动运动是“姿态耦合”的,这是该机构设计中耦合调姿“求其魂”的体现。



索其变 科技创新实践

要实现对研究目标的进一步创新,需要发挥人的悟性,通过“索其变”,探索五自由度并联加工机器人的变通形式,应对更为复杂的加工需求,从而实现柔性制造。

刘辛军教授说,“我们可以想象把这个5自由度并联机构作为一个功能单元,变通为一个类似于人手的功能模块,从而发明出“移动平台+机械臂+5轴联动并联功能模块”形式的移动式混联加工机器人,以满足大型复杂构件的原位加工需求。”


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移动加工示意图


这种新装备与新模式的提出,使得大型复杂构件的制造模式产生了颠覆性的变化,相当于把“机床”举起来,将“铁打的机床、流水的工件”的传统加工模式变革为“铁打的工件、流水的机床”模式。这种新装备是一种介于机床和工业机器人之间的机器人化装备,兼具灵活性、效率和精度的优势。


用其精 发挥优势达到最佳效果

在上述工作的基础上,还需要对提出的装备与模式进行合理应用,最终实现大型复杂构件的高效高质量加工。

刘辛军教授说,“我们采用设计的移动式混联加工机器人,基于多学科交叉,结合移动平台自主导航和双目视觉定位,进行了航天器舱体设备安装支架端面的原位铣削应用验证,证实了提出的移动式混联加工机器人及原位加工模式是行之有效的。”


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原位铣削加工验证

文章来源:机器人AI视界    Me工程师


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