天津市技术发明奖一等奖项目简介


由天津大学机械工程学院黄田教授等完成

Diamond 高速并联机械手


  Diamond高速并联机械手于2006年获得天津市技术发明一等奖。 Diamond 高速并联机械手是在国家863计划资助下,由天津大学发明的一种具有我国自主知识产权的全铰接2平动自由度并联机构。该机构由机架、动平台和两组平行四边形支链组成。由于驱动电机固定在机架上,从动臂被制成轻杆从而可使末端执行器获得较高的速度和加速度。该机构还可与一个单自由度进给机构串接形成3自由度混联机械手,因此特别适用于在一个平面内需要高速运动,而在与该平面正交方向需要长距步进或缓进的场合,在医药、轻工、电子、食品等行业中对物料高速抓取操作方面具有广泛应用前景。
一、主要成果 :
1、Diamond机构的原始创新--发明了一种外转动副驱动的高速并联机器人机构Diamond机构。该机构的主要优点为:结构轻巧新颖、制作工艺性好、可实现高速运动,便于作为模块独立使用。获国家发明专利1项(ZL01145160.2),美国发明专利1项(US7090458B2)。
2、设计理论创新--揭示出外副驱动对称并联机构在对称位形上出现雅可比矩阵奇异值对消的现象,得到其条件数不再适合作为局部性能指标的重要结论。在此基础上,提出一种以雅可比最小奇异值和单轴驱动力矩全域代数特征为性能指标的尺度综合新方法,及基于惯性矩阵最大奇异值的伺服电机参数选配方法,并用它们指导了 3 个型号产品的系列化设计。同时提出精度设计及最小时间轨迹规划等保证系统性能的理论与方法。上述成果在 ASME J. of Mechanical Design 、 IEEE Trans. on Robotics 和 CIRP Annals 上发表论文 5 篇,在 3 年内被他引 23 次,与其它研究成果形成了一套完整的设计理论体系。
3、Diamond 机构专利技术的集成创新--(i)利用Diamond 机构专利技术,发明了一种锂离子电池自动分选成套装备。该装备以4台 Diamond 机械手为核心,采用双机组混联布局和单爪逐行分选策略,具有结构紧凑,分选种类多且效率高,及可实现与前序设备信息集成等优点。该装备为国际首创,性价比远高于日本进口产品,并已在电池制造企业得到成功应用,解决了制约企业产能和产品质量提高的瓶颈问题。(ii)实现了Diamond机构专利技术实施许可转让,以该项专利技术为核心与企业合作发明并研制成功一种集开箱、装箱、封箱等功能于一体的多功能高速软袋装箱机新产品。该产品具有装箱速度高、占地面积小、适用范围广等优点,并已在我国制药企业得到成功应用,填补了国内液体软袋类高速装箱设备的空白。
二、应用推广及社会经济效益
  基于Diamond机构,成功开发了3种系列产品。
1、2003年末Diamond600型实验教学用机械手出口英国Warwick大学。国外 20 多个科技新闻网站对此做了报道。同时,新华社、人民日报、科技日报、中央电视台及国内 60 多家门户网站也转载了新华社伦敦分社的消息,认为该机械手是中国机器人产品整机出口首例。此外,国内多所高校也先后购置了该机械手用于教学和科研。
2、2005年 11 月基于 Diamond 机械手,发明并研制成功我国首套高性能锂电池自动分选装备。该装备适用于LR1865 电池,成套装备分选效率256ppm,分选类别12种,分选能力较手工分选提高5倍,误检率降为0.1‰,性价比远超过日本进口产品。为确保企业产能和产品质量提供了重要保障,取得重大经济和社会效益。该套装备2006年1月入选国家"十五"科技创新重大成就展。
3、2006年1月实现Diamond 机构专利实施许可转让,转让经费200万元。以该项专利为核心技术,配备物料传送、纸箱传送、及隔板放置等机构,发明并研制成功一种高速软袋装箱机,可实现100~500g 液体软袋的80ppm装箱操作,并已在企业生产线上实现高效率、稳定、可靠使用。
  此外,还利用该项专利技术,发明并研制成功一种集开箱、封箱、加垫、装箱于一身的多功能高速软袋装箱一体机,并通过省级新产品鉴定,填补了国内二次包装领域高速软袋自动装箱设备的空白,产品技术处于国际先进水平。
  2003-2006 年与英国 Warwick 大学、西安交通大学、浙江工业大学、天津大学签订教学用 Diamond机器人合同,总金额60余万,其中出口英国创汇2.91万美元;截至 2007 年末,Diamond电池分选装备累计新增产值22318万,新增利税2121万;Diamond 装箱机累计实现新增产值1500万,新增利税110万。
  Diamond 机器人还应邀参加俄罗斯中国年科技交流活动;在国际刊物上发表论文5篇,他引33次;对提升我国并联机器人技术的国际学术声誉起到了重要作用。
  电池分选装备打破了制约产品产能和质量提高的瓶颈;高速软袋装箱机填补国内空白,对提高企业自主创新能力起到重要的示范与引领作用。
  上述成果对推动我国并联机构原创技术的工程应用起到了重要的引领作用,在先进工业机器人领域有力地配合了国家 " 十一五 " 自主创新、科技兴国的战略。
三、预期前景
  采用 Diamond1000 机械手开发的高速软袋装箱机和装瓶生产线,每套 70~80 万元人民币。目前,我国在制药行业有 400 多条规模的大型生产线,每条生产线需要 1~2 套装箱设备,因此仅在制药业 Diamond 装箱机械手便有预计 5 亿元左右的市场空间。在国际市场上, Diamond 装箱机械手的售价将超过人民币 100 万元/套,而目前性能之相当的仅有 Delta 机械手,其售价均超过 150 万元人民币。江阴纳尔捷包装设备有限公司已委托中国机械进出口公司代理 Diamond 装箱机械手产品,力争打入国际市场。
  有理由认为该类机械手系统将在高速抓放操作方面具有无可替代的优势,特别是添加机器视觉后,在食品、医药及其它轻工行业中将具有广泛的应用前景。
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