上海航天805所高鹏团队开创设计机器人双输入差速驱动装置

2016-12-27 13:05:06  来源:每日科技网

        【每日科技网】

 

  高鹏(左一)核心团队在技术攻关。

  据报道,机器人的“肌肉”系统一般都是“一个输入一个输出”,为了让机器人的“肌肉”更加灵活与强壮,中国航天科技集团公司上海航天805所的高鹏团队,开创了“两个输入一个输出”。这就好比为机器人多搭了一条“骨骼肌”,由此提高了机器人的性能与可靠性。

  然而,高鹏团队志在远方:“希望这项技术能推广到更多领域应用,目前我们只是刚刚迈出了第一步。”

  1个“80后”和2个“85后”的核心团队

  高鹏核心团队,由1个“80后”和2个“85后”组成。

  出生于1982年的高鹏,博士毕业于上海交通大学精密仪器及机械专业,年纪轻轻已是工程师。如此年轻就挑大梁绝非偶然:2012年进入中国航天科技集团公司上海航天805所工作的他一直从事驱动控制领域项目研制工作,在机器人技术研究方面具有突出的研发和创新能力,主持并参与了多项省部级研究项目,已成长为驱动控制及机器人领域的重要技术骨干。近些年来,高鹏带领其团队通过对机器人技术和产业的调研,结合单位在驱动控制领域的发展需求,瞄准机器人产业核心驱动器件进行技术研究和产品研制。

  工程师宗魏是上海航天自己培养的硕士,学的是飞行器设计专业,主要从事机械设计及测试技术研究,参与了机器人双输入差速驱动器的机械设计和样机测试。值得一提的是,出生于1985年的她,虽然有着男性的名字,却是这个团队里的女性。

  出生于1988年的刘天明,更是一位年轻的工程师,去年刚从上海航天飞行器设计专业硕士毕业,初生牛犊不怕虎的精神驱使他在研究生期间就参与到机器人双输入差速驱动器的驱动方案设计攻关中。

  “宗魏有工程化经验,在实际工作中,提供了不少宝贵的经验和建议。”高鹏笑着评价道,作为一名女性,宗魏就像是一个“润滑剂”。“在机械设计过程中,每个人的想法不一样,她会‘以柔克刚’,把大家的想法综合、归纳,提出合理化建议,为团队小伙伴所信服,同时她也主动担负起后勤保障的角色,深夜加班时一碗碗热气腾腾的泡面给予的正是拼搏的不竭动力。”

  此外,团队还有几位技术“大咖”曾令斌、韩亮亮的鼎力相助。“我们团队成员全部都是‘80后’,都怀揣着欲与天公试比高的情怀。”高鹏说,年轻的优势是充满激情,敢于挑战,善于创新,思维不拘一格,行为果断。但也有不足,那就是经验少,考虑不够全面。正是在“老法师”任安业、邹怀武等研究员的指点和帮助下,才实现了机器人双输入差速驱动器的完美打造。

  灵感来自于汽车差动器的逆向启发

  成立两年来,高鹏团队始终致力于以机器人为代表的智能装备核心器件的自主创新,在提高性能和降本增效的道路上不断探索。基于长期从事机器人研究经历,源自于对实际机构驱动控制问题的思考与创新,开创性设计出这种机器人双输入差速驱动装置。“像达芬奇医疗机器人,可以给病人动手术,一旦采用我们的双输入系统,可以让它的‘手臂’变得更加柔软,动作更加顺畅,提高操作的精准性,从而提高医疗的安全性,降低医疗成本。”

  创新不是一蹴而就的。“我们的idea来源于汽车差动器。汽车是靠一个发动机输入,两个轮子输出,正是采用了差动器才实现转向时内车轮和外车轮速度不一样输出。于是,我们通过逆向思维,‘两个输入一个输出’的idea便由此产生了。但是,我们始终追求的目标是:设计的结构形式要便捷,而且还要控制好它的成本。”高鹏介绍说,在完成原型设计工作之后,如何低成本、高可靠实现产品成为摆在团队面前的问题。他们深入到加工制造第一线,通过大量的走访调研找到了合适的制造伙伴,但是对于首台样机的制造与调试并不是一帆风顺的,工艺和材料成为需要亟待解决的首要问题。团队成员蹲点到生产车间,与工人师傅共同探索,通过反复的尝试,探寻到合理的加工方法,既保证质量的同时又提高加工效率。同时,还试验出理想的材料,在提高寿命的同时又降低成本。装配过程中的磕绊和调试过程中的困扰丝毫没有阻挡团队的信心,经过反复实验测试和设计改进,产品的运动性能、控制性能更加趋于合理化。

  成品出来后,通过初期的测试效果满意:作为机器人核心器件,双输入差速驱动器不仅摆脱了对国外谐波或RV常规驱动产品的限制,而且具有低间隙小回差、调速范围宽、快速无极换向、冗余备份、能源回收等性能,适用于高精度传动与控制,而且凭借其简单制造工艺和低廉研制成本可实现未来产业化发展。

  记者看到的这款装置大概只有碗口大小,安装在机器人“关节”里,但它是小身材,大能量。

  “常规产品只能实现固定力矩速度变换,有着运动响应依赖于电机性能等不足。”高鹏例举了自己产品的种种好处:宽范围调速、无极换向、传动精度高、能源回收、刚度变换、冗余备份。“像能源回收,常规单输入减速器无法在驱动状态下实现负载功率回收利用,我们的技术利用双输入单输出结构,可以实现一个输入的驱动输出时,另一输入的能量回收,从而提高能源利用率。”高鹏说,常规单输入减速器不具有安全备份能力,我们的技术利用双输入实现冗余备份,从而增强机器人的运行安全性和可靠性。

  目标:将技术“民用化”推广到更多领域

  “这项技术做起来并不复杂,它的功能是目前常规产品的覆盖。但是,作为航天产品,它的安全性和可靠性是最关键的。”高鹏说,由于是双输入,因此即便它有一个输入坏了,另一个还能正常工作。

  高鹏为这项技术规划的目标是“四步走”:第一步做样机,先奠定技术和工艺基础;第二步型谱化,也就是规格系列化,形成产品族谱;第三步智能化,为产品装配智能化驱动大脑,实现高性能应用;第四步整机化,建立装备制造体系,实现综合化发展。

  “目前我们只是迈出了第一步:完成样机研制。”但是,对于未来,高鹏信心满满:从经济效益分析来看,机器人制造业中调速器占其单机成本的30%,目前机器人选用的驱动器多为谐波减速器、RV减速器等,且多为国外产品。与我们这项技术规格相近的减速器价格昂贵,我们样机的制造成本只有它的30%,若以后实现批量化生产可进一步降低40%,约为参考产品的18%,因此具有突出的成本优势。

  此外,国外产品其订货周期为8-12周,加上合同流程和报关等过程,从订单到实物间隔最小为16周。“而我们的产品采用简洁化构型,齿轮等主要部件不需要特殊处理,原理样机制造及装配过程约为8周,批量化生产后可控制在4周内,而且可以根据用户实际需要进行定制。”全国推广“中国制造”,是高鹏团队的愿景。

  “未来,我们的目标是将之‘民用化’。”高鹏表示,机器人双输入差速驱动器在空间领域可应用于空间机器人、行星车、高精度指向机构等,在民用领域则可以用于交通、物流、加工制造等各种机器人及驱动机构,是未来军民融合产业化发展一个重要突破方向。

  在中国智能制造2025的号召下,在国家军民融合发展的大背景下,中国航天科技集团公司上海航天805所为员工的技术创新搭建出良好的平台,并为创新性项目产业化发展提供积极帮助。因此,团队正依托所在单位同外部投资公司和产业化用户进行积极接洽,拟在机器人集成应用、性能伺服驱动领域方面实现典型示范应用。

  “未来你们见到的机器人、智能轮椅、电动汽车、无人机也许将会应用到我们团队的产品。”高鹏笑着说。

  “路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”高鹏及其团队成员将在技术研发与产业化的道路上不断探索,披荆斩棘。

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