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我院丁汉院士团队发表机器人顺应磨抛加工的最新研究成果

作者:编辑:吴仰天发布:2025-07-01点击量:

6月24日,我院丁汉院士团队在机器人领域顶级期刊《International Journal of Robotics Research》上刊登了对于机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(用于机器人磨抛的新型电磁变刚度致动器:设计、建模、优化和控制)”。作为该期刊首次发表的“机器人顺应磨抛加工”领域研究论文,该成果成功解决了机器人自适应力控磨抛加工中的顺应性难题。我校智能制造装备与技术全国重点实验室为论文唯一完成单位,我院2023级博士研究生汤旭为第一作者,杨吉祥教授为通讯作者,丁汉院士为共同作者。

机器人磨抛加工需依赖平稳高精度力控以保障材料去除精度与表面质量,这对航空领域弱/变刚度工件加工尤为重要。然而,传统柔性末端执行器因刚度固定导致顺应性受限,在弱/变刚度工件磨抛过程中难以维持接触力稳定,进而影响材料去除精度与表面质量。

面对上述挑战,研究团队创新性地设计了一种电磁驱动式变刚度力控执行器,并构建了涵盖结构设计、电磁建模、参数优化、环境刚度精确估计得到的主动力-刚度控制的系统理论框架。通过机器人磨抛过程中接触刚度感知策略及环境刚度主动匹配的电磁弹簧变刚度调控方法,解决了航空发动机叶盘/叶片等复杂薄壁变接触刚度零件磨抛时形性精度下降的难题,显着提升了机器人磨抛的加工精度与工件表面光洁度,为该领域后续研究与实践提供了重要的理论基础和技术支撑。

基于电磁驱动式变刚度力控执行器的主动力-刚度控制系统

研究团队首先基于平面Halbach永磁阵列构建了具有±15尘尘的线性可控非均匀磁场的电磁可变刚度弹簧。该设计确保了电流输入与刚度输出之间的高度线性映射关系,有效支撑了刚度调节的实时性与精度要求。在此基础上,研究团队通过结构集成方式将洛伦兹电机作为主动力输出单元,与电磁可变刚度弹簧解耦组合构建出一体化但功能互不干扰的主动力控制-刚度调控双通道执行系统,从而在硬件层级实现真正意义上的力/刚度解耦控制。

电磁结构设计及参数优化模型建立

研究团队进一步在电磁建模与优化方法层面展开深入研究以提升执行器力-刚度控制性能。团队首先构建了覆盖洛伦兹电机与电磁可变刚度弹簧的磁场分布数值模型,并引入力-磁场-线圈参数关系构建了力和刚度的23个参数表征模型。在此基础上,将23个关键参数分为固定边界约束与自适应边界约束两类,并构建了具备结构装配可行性与电磁兼容性的联合参数优化方法。该方法结合粒子群优化算法与边界自适应策略,显着提升了解的物理实现性与优化收敛性,成功实现了力常数、刚度线性度等执行器核心性能指标的全面满足与均衡优化。

物理可行的电磁参数优化方法

在控制方法方面,研究团队构建了基于Kelvin-Voigt线性粘弹模型的环境刚度实时估计框架,针对复杂接触工况中易出现的力控扰动与反馈噪声问题,设计了一种结合残差加权移动平均滤波的刚度估计策略。该方法有效提升了环境刚度感知的稳定性与动态响应性,强化了执行器在复杂任务中刚度闭环控制的鲁棒性与响应一致性。在此基础上,论文进一步提出了一种结合非线性PID控制器与主动刚度匹配策略的双环控制架构。力控制环以期望接触力为目标,采用非线性PID控制算法动态调节洛伦兹电机的驱动力;刚度控制环根据实时刚度估计结果,驱动电磁可变刚度弹簧主动调整刚度输出,使其与估计环境刚度实现匹配,从而降低系统刚度失配引起的附加动态误差。

基于噪声抑制接触刚度感知的主动刚度匹配双环控制架构

最后,研究团队开发了电磁驱动式变刚度力控执行器原型机,并将其集成到六自由度工业机器人末端,在薄壁曲面的磨抛任务中验证所研制执行器与控制系统的工程适应性。结果表明,电磁驱动式变刚度力控执行器在主动刚度控制状态下,相比无主动刚度控制的状态,力控误差和材料去除深度误差分别下降了20.63%,46.63%,表现出优异的接触力稳定性和环境刚度实时适应能力,证明了电磁驱动式变刚度力控执行器作为机器人柔顺力控制末端执行器的有效性和优势。

机器人磨抛实验平台

该项研究工作得到了国家自然科学基金卓越研究群体项目“机器人化智能制造”的资助。

 

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