【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】6月24日，機(jī)器人領(lǐng)域頂級期刊International Journal of Robotics Research刊發(fā)了機(jī)械學(xué)院丁漢院士團(tuán)隊關(guān)于機(jī)器人化智能制造的最新研究成果“A novel electromagnetic variable stiffness actuator for robotic grinding: Design, modeling, optimization, and control(用于機(jī)器人磨拋的新型電磁變剛度致動器：設(shè)計、建模、優(yōu)化和控制)”。作為該期刊首次發(fā)表的機(jī)器人順應(yīng)磨拋加工領(lǐng)域研究論文，該成果成功解決了機(jī)器人自適應(yīng)力控磨拋加工中的順應(yīng)性難題。我校智能制造裝備與技術(shù)全國重點實驗室為論文唯一完成單位，機(jī)械學(xué)院2023級博士研究生湯旭為第一作者，楊吉祥教授為通訊作者，丁漢院士為共同作者。
 

　　機(jī)器人磨拋加工需依賴平穩(wěn)高精度力控以保障材料去除精度與表面質(zhì)量，這對航空領(lǐng)域弱/變剛度工件加工尤為重要。然而，傳統(tǒng)柔性末端執(zhí)行器因剛度固定導(dǎo)致順應(yīng)性受限，在弱/變剛度工件磨拋過程中難以維持接觸力穩(wěn)定，進(jìn)而影響材料去除精度與表面質(zhì)量。
 

　　面對上述挑戰(zhàn)，該論文研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地設(shè)計了一種電磁驅(qū)動式變剛度力控執(zhí)行器，并構(gòu)建了涵蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計、電磁建模、參數(shù)優(yōu)化、環(huán)境剛度精確估計得到的主動力-剛度控制的系統(tǒng)理論框架。通過機(jī)器人磨拋過程中接觸剛度感知策略及環(huán)境剛度主動匹配的電磁彈簧變剛度調(diào)控方法，解決了航空發(fā)動機(jī)葉盤/葉片等復(fù)雜薄壁變接觸剛度零件磨拋時形性精度下降的難題，顯著提升了機(jī)器人磨拋的加工精度與工件表面光潔度，為該領(lǐng)域后續(xù)研究與實踐提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。
 

基于電磁驅(qū)動式變剛度力控執(zhí)行器的主動力-剛度控制系統(tǒng)
 

　　研究團(tuán)隊首先基于平面Halbach永磁陣列構(gòu)建了具有±15mm的線性可控非均勻磁場的電磁可變剛度彈簧。該設(shè)計確保了電流輸入與剛度輸出之間的高度線性映射關(guān)系，有效支撐了剛度調(diào)節(jié)的實時性與精度要求。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊通過結(jié)構(gòu)集成方式將洛倫茲電機(jī)作為主動力輸出單元，與電磁可變剛度彈簧解耦組合構(gòu)建出一體化但功能互不干擾的“主動力控制-剛度調(diào)控”雙通道執(zhí)行系統(tǒng)，從而在硬件層級實現(xiàn)真正意義上的力/剛度解耦控制。
 

電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)優(yōu)化模型建立
 

　　研究團(tuán)隊進(jìn)一步在電磁建模與優(yōu)化方法層面展開深入研究以提升執(zhí)行器力-剛度控制性能。團(tuán)隊首先構(gòu)建了覆蓋洛倫茲電機(jī)與電磁可變剛度彈簧的磁場分布數(shù)值模型，并引入力-磁場-線圈參數(shù)關(guān)系構(gòu)建了力和剛度的23個參數(shù)表征模型。在此基礎(chǔ)上，將23個關(guān)鍵參數(shù)分為固定邊界約束與自適應(yīng)邊界約束兩類，并構(gòu)建了具備結(jié)構(gòu)裝配可行性與電磁兼容性的聯(lián)合參數(shù)優(yōu)化方法。該方法結(jié)合粒子群優(yōu)化算法與邊界自適應(yīng)策略，顯著提升了解的物理實現(xiàn)性與優(yōu)化收斂性，成功實現(xiàn)了力常數(shù)、剛度線性度等執(zhí)行器核心性能指標(biāo)的全面滿足與均衡優(yōu)化。
 

物理可行的電磁參數(shù)優(yōu)化方法
 

　　在控制方法方面，研究團(tuán)隊構(gòu)建了基于Kelvin-Voigt線性粘彈模型的環(huán)境剛度實時估計框架，針對復(fù)雜接觸工況中易出現(xiàn)的力控擾動與反饋噪聲問題，設(shè)計了一種結(jié)合殘差加權(quán)移動平均濾波的剛度估計策略。該方法有效提升了環(huán)境剛度感知的穩(wěn)定性與動態(tài)響應(yīng)性，強(qiáng)化了執(zhí)行器在復(fù)雜任務(wù)中剛度閉環(huán)控制的魯棒性與響應(yīng)一致性。在此基礎(chǔ)上，論文進(jìn)一步提出了一種結(jié)合非線性PID控制器與主動剛度匹配策略的雙環(huán)控制架構(gòu)。力控制環(huán)以期望接觸力為目標(biāo)，采用非線性PID控制算法動態(tài)調(diào)節(jié)洛倫茲電機(jī)的驅(qū)動力；剛度控制環(huán)根據(jù)實時剛度估計結(jié)果，驅(qū)動電磁可變剛度彈簧主動調(diào)整剛度輸出，使其與估計環(huán)境剛度實現(xiàn)匹配，從而降低系統(tǒng)剛度失配引起的附加動態(tài)誤差。
 

基于噪聲抑制接觸剛度感知的主動剛度匹配雙環(huán)控制架構(gòu)
 

　　最后，研究團(tuán)隊開發(fā)了電磁驅(qū)動式變剛度力控執(zhí)行器原型機(jī)，并將其集成到六自由度工業(yè)機(jī)器人末端，在薄壁曲面的磨拋任務(wù)中驗證所研制執(zhí)行器與控制系統(tǒng)的工程適應(yīng)性。結(jié)果表明，電磁驅(qū)動式變剛度力控執(zhí)行器在主動剛度控制狀態(tài)下，相比無主動剛度控制的狀態(tài)，力控誤差和材料去除深度誤差分別下降了20.63%，46.63%，表現(xiàn)出優(yōu)異的接觸力穩(wěn)定性和環(huán)境剛度實時適應(yīng)能力，證明了電磁驅(qū)動式變剛度力控執(zhí)行器作為機(jī)器人柔順力控制末端執(zhí)行器的有效性和優(yōu)勢。
 

機(jī)器人磨拋實驗平臺
 

　　該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金卓越研究群體項目“機(jī)器人化智能制造”的資助。