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東方網:上海航天805所開創設計機器人雙輸入差速驅動裝置
瀏覽: 發布日期:2016-12-27

據《青年報》報道,機器人的“肌肉”系統一般都是“一個輸入一個輸出”,為了讓機器人的“肌肉”更加靈活與強壯,中國航天科技集團公司上海航天805所的高鵬團隊,開創了“兩個輸入一個輸出”。這就好比為機器人多搭了一條“骨骼肌”,由此提高了機器人的性能與可靠性。

然而,高鵬團隊志在遠方:“希望這項技術能推廣到更多領域應用,目前我們只是剛剛邁出了第一步。”

1個“80后”和2個“85后”的核心團隊

高鵬核心團隊,由1個“80后”和2個“85后”組成。

出生于1982年的高鵬,博士畢業于上海交通大學精密儀器及機械專業,年紀輕輕已是高級工程師。如此年輕就挑大梁絕非偶然:2012年進入中國航天科技集團公司上海航天805所工作的他一直從事驅動控制領域項目研制工作,在機器人技術研究方面具有突出的研發和創新能力,主持并參與了多項省部級研究項目,已成長為驅動控制及機器人領域的重要技術骨干。近些年來,高鵬帶領其團隊通過對機器人技術和產業的調研,結合單位在驅動控制領域的發展需求,瞄準機器人產業核心驅動器件進行技術研究和產品研制。

工程師宗魏是上海航天自己培養的碩士,學的是飛行器設計專業,主要從事機械設計及測試技術研究,參與了機器人雙輸入差速驅動器的機械設計和樣機測試。值得一提的是,出生于1985年的她,雖然有著男性的名字,卻是這個團隊里唯一的女性。

出生于1988年的劉天明,更是一位年輕的工程師,去年剛從上海航天飛行器設計專業碩士畢業,初生牛犢不怕虎的精神驅使他在研究生期間就參與到機器人雙輸入差速驅動器的驅動方案設計攻關中。

“宗魏有工程化經驗,在實際工作中,提供了不少寶貴的經驗和建議。”高鵬笑著評價道,作為一名女性,宗魏就像是一個“潤滑劑”。“在機械設計過程中,每個人的想法不一樣,她會‘以柔克剛’,把大家的想法綜合、歸納,提出合理化建議,為團隊小伙伴所信服,同時她也主動擔負起后勤保障的角色,深夜加班時一碗碗熱氣騰騰的泡面給予的正是拼搏的不竭動力。”

此外,團隊還有幾位技術“大咖”曾令斌、韓亮亮的鼎力相助。“我們團隊成員全部都是‘80后’,都懷揣著欲與天公試比高的情懷。”高鵬說,年輕的優勢是充滿激情,敢于挑戰,善于創新,思維不拘一格,行為果斷。但也有不足,那就是經驗少,考慮不夠全面。正是在“老法師”任安業、鄒懷武等研究員的指點和幫助下,才實現了機器人雙輸入差速驅動器的完美打造。

靈感來自于汽車差動器的逆向啟發

成立兩年來,高鵬團隊始終致力于以機器人為代表的智能裝備核心器件的自主創新,在提高性能和降本增效的道路上不斷探索。基于長期從事機器人研究經歷,源自于對實際機構驅動控制問題的思考與創新,開創性設計出這種機器人雙輸入差速驅動裝置。“像達芬奇醫療機器人,可以給病人動手術,一旦采用我們的雙輸入系統,可以讓它的‘手臂’變得更加柔軟,動作更加順暢,提高操作的精準性,從而提高醫療的安全性,降低醫療成本。”

創新不是一蹴而就的。“我們的idea來源于汽車差動器。汽車是靠一個發動機輸入,兩個輪子輸出,正是采用了差動器才實現轉向時內車輪和外車輪速度不一樣輸出。于是,我們通過逆向思維,‘兩個輸入一個輸出’的idea便由此產生了。但是,我們始終追求的目標是:設計的結構形式要便捷,而且還要控制好它的成本。”高鵬介紹說,在完成原型設計工作之后,如何低成本、高可靠實現產品成為擺在團隊面前的問題。他們深入到加工制造第一線,通過大量的走訪調研找到了合適的制造伙伴,但是對于首臺樣機的制造與調試并不是一帆風順的,工藝和材料成為需要亟待解決的首要問題。團隊成員蹲點到生產車間,與工人師傅共同探索,通過反復的嘗試,探尋到合理的加工方法,既保證質量的同時又提高加工效率。同時,還試驗出理想的材料,在提高壽命的同時又降低成本。裝配過程中的磕絆和調試過程中的困擾絲毫沒有阻擋團隊的信心,經過反復實驗測試和設計改進,產品的運動性能、控制性能更加趨于合理化。

成品出來后,通過初期的測試效果滿意:作為機器人核心器件,雙輸入差速驅動器不僅擺脫了對國外諧波或RV常規驅動產品的限制,而且具有低間隙小回差、調速范圍寬、快速無極換向、冗余備份、能源回收等性能,適用于高精度傳動與控制,而且憑借其簡單制造工藝和低廉研制成本可實現未來產業化發展。

記者看到的這款裝置大概只有碗口大小,安裝在機器人“關節”里,但它是小身材,大能量。

“常規產品只能實現固定力矩速度變換,有著運動響應依賴于電機性能等不足。”高鵬例舉了自己產品的種種好處:寬范圍調速、無極換向、傳動精度高、能源回收、剛度變換、冗余備份。“像能源回收,常規單輸入減速器無法在驅動狀態下實現負載功率回收利用,我們的技術利用雙輸入單輸出結構,可以實現一個輸入的驅動輸出時,另一輸入的能量回收,從而提高能源利用率。”高鵬說,常規單輸入減速器不具有安全備份能力,我們的技術利用雙輸入實現冗余備份,從而增強機器人的運行安全性和可靠性。

將技術“民用化”推廣到更多領域

“這項技術做起來并不復雜,它的功能是目前常規產品的覆蓋。但是,作為航天產品,它的安全性和可靠性是最關鍵的。”高鵬說,由于是雙輸入,因此即便它有一個輸入壞了,另一個還能正常工作。

高鵬為這項技術規劃的目標是“四步走”:第一步做樣機,先奠定技術和工藝基礎;第二步型譜化,也就是規格系列化,形成產品族譜;第三步智能化,為產品裝配智能化驅動大腦,實現高性能應用;第四步整機化,建立裝備制造體系,實現綜合化發展。

“目前我們只是邁出了第一步:完成樣機研制。”但是,對于未來,高鵬信心滿滿:從經濟效益分析來看,機器人制造業中調速器占其單機成本的30%,目前機器人選用的驅動器多為諧波減速器、RV減速器等,且多為國外產品。與我們這項技術規格相近的減速器價格昂貴,我們樣機的制造成本只有它的30%,若以后實現批量化生產可進一步降低40%,約為參考產品的18%,因此具有突出的成本優勢。

此外,國外產品其訂貨周期為8-12周,加上合同流程和報關等過程,從訂單到實物間隔最小為16周。“而我們的產品采用簡潔化構型,齒輪等主要部件不需要特殊處理,原理樣機制造及裝配過程約為8周,批量化生產后可控制在4周內,而且可以根據用戶實際需要進行定制。”全國推廣“中國制造”,是高鵬團隊的愿景。

“未來,我們的目標是將之‘民用化’。”高鵬表示,機器人雙輸入差速驅動器在空間領域可應用于空間機器人、行星車、高精度指向機構等,在民用領域則可以用于交通、物流、加工制造等各種機器人及驅動機構,是未來軍民融合產業化發展一個重要突破方向。

在中國智能制造2025的號召下,在國家軍民融合發展的大背景下,中國航天科技集團公司上海航天805所為員工的技術創新搭建出良好的平臺,并為創新性項目產業化發展提供積極幫助。因此,團隊正依托所在單位同外部投資公司和產業化用戶進行積極接洽,擬在機器人集成應用、性能伺服驅動領域方面實現典型示范應用。

“未來你們見到的機器人、智能輪椅、電動汽車、無人機也許將會應用到我們團隊的產品。”高鵬笑著說。

“路漫漫其修遠兮,吾將上下而求索。”高鵬及其團隊成員將在技術研發與產業化的道路上不斷探索,披荊斬棘。(郭穎)

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