一、摘要
本项目以提高协作机器人载荷自重比和柔顺运动控制性能为目标，重点研究轻量化协作机器人设计方法与控制技术。通过研究基于多极Halbach整体充磁转子与印制绕组双定子的新型盘式电机设计方法，提高机器人关节电机的转矩密度与过载能力，降低转矩波动；研究基于谐振与反谐振频率配置的机器人一体化关节集成优化设计方法与基于双编码器反馈的高带宽控制算法，提高关节负载惯量比，改善关节动态响应与振动抑制性能；研究基于刚度分配的机器人本体轻量化设计方法，揭示机器人在带载条件下连杆刚度分配对操作点挠度的影响机理，优化连杆的拓扑结构参数，助力轻量化协作机器人提高变载荷作业精度；研究基于期望阻抗模型对感知力进行实时修正的柔顺控制方法，分析协作机器人与环境耦合下的动力学特性，实现协作机器人变刚度柔顺控制。本项目的研究工作对于提高我国协作机器人的技术水平，推动协作机器人向更轻量、更柔顺、更安全的方向发展具有重要意义
二、研究计划执行情况概述
本项目的研究基本按计划开展，具体研究要点及执行情况如下：
课题一：双定子印制绕组轴向磁通高性能永磁力矩电机设计方法
研究要点：
基于多极Halbach整体充磁转子与印制绕组双定子、轴向气隙磁场的新型拓扑结构盘式电机为研究对象，开展无框式关节电机设计分析方法、高效散热方法及转矩波动抑制方法的研究，满足机器人关节对高转矩密度、高过载能力与低转矩波动电机性能的需求。
执行情况：
按计划执行。提出结合伪三维法、精确子域法等的电磁场建模方法，能有效处理转子偏移、端部效应、转子偏心等问题，计算结果与有限元有良好一致性；设计了含PCM的电机散热结构，利用“T型”等LPTN建模方法分析热场，模型经实验验证能有效模拟电机温度场；提出多种定子扩张构型及分层优化策略提升电机力矩与效率，制作样机测试，理论、有限元与实验结果相符。
课题二：一体化关节集成优化设计方法与高带宽控制方法
研究要点：
建立一体化关节的刚柔耦合动力学模型，并基于该模型展开关节优化设计方法与快速响应控制方法的研究，为实现机械臂在不同刚度交互环境下的柔顺运动控制打下基础。
执行情况：
按计划执行。通过增大惯量比与关节刚度，提升控制稳定性与动态响应，为高带宽柔顺控制打基础。设计并制作大、中、小三款模块化、高转矩密度、双向驱动的扁平化外型关节，满足不同力矩需求；提出基于双干扰观测器、前馈与反馈控制器的新型三元复合位置控制架构、基于高斯核-预设性能函数的柔性关节导纳控制架构、基于类卡罗流体的柔性关节抗冲击拖动控制架构；提出双定子电机的内外定子力矩分配方法。
课题三：基于操作空间刚度建模的协作机器人轻量化设计方法
研究要点：
研究协作机器人的连杆、关节与整机在操作空间刚度建模与带载下的挠度分析方法，进而研究连杆拓扑结构参数优化方法，从而在实现系统轻量化设计同时，间接完成各个部件的刚度分配，确保协作机器人变载荷作业下的操作点挠度在许用范围之内。
执行情况：
按计划执行。采用虚拟关节法、NSGA-II算法并结合多种建模方法，建立参数映射关系，调节连杆拓扑结构参数，实现机器人本体轻量化及性能优化；分别搭建了基于EtherCAT通讯方案和多路CANopen通讯方案的七轴协作机器人样机搭建方法；采用基于单位对偶四元数的方法进行样机标定，减少运算量；提出基于自动搜索多元多项式和基于幺半群编码的线性参数化动力学建模方法，提高实时计算效率。
课题四：轻量化协作机器人柔顺控制与振动抑制方法
研究要点：
基于课题二的单关节动力学模型与控制算法，展开轻量化协作机器人柔顺控制与振动抑制方法的研究，主要包括：协作机器人动力学建模与参数辨识方法、基于轨迹实时预测与干扰补偿的关节层自适应控制策略、基于对感知力矩实时修正的协作机器人柔顺控制方法。
执行情况：
按计划执行。提出基于自适应跃度的协作机器人阻抗控制技术，自动调节反馈增益抑制振动；提出基于运动意图估计和力前馈补偿的人机协作神经导纳控制技术，减少人类伙伴能量消耗的同时提高位置响应速度；提出基于自适应跃度的多任务层次阻抗控制技术，将鲁棒积分误差的运动控制扩展到多任务场景。
课题五：轻量化协作机器人样机试制与实验验证
研究要点：
试制关节电机，并自主开发驱动控制板；试制一体化关节，并搭建关节实验测试平台，对集成优化设计的关节动态响应和运动控制性能进行验证；搭建机器人实验测试平台，验证协作机器人的柔顺运动控制性能。
执行情况：
按计划执行。项目研制了3款关节、3款电机、2款协作臂；提出基于离散形式控制障碍函数的人机交互安全控制架构和人机安全共存控制策略；进行人机协作碰撞安全性研究，建立改进的人体胸腔等效碰撞模型，提高了碰撞响应的拟合度和安全限制速度计算的精准性；提出基于高维虚拟夹具技术的人机协作方法，通过实验平台评估，提高任务执行效率，降低操作者精神压力。
三、研究目标完成情况
项目研究目标与实际进展执行形况如下表所示：
| 研究目标 | 实际进展 | 完成情况 |
|---|---|---|
| 提出基于多极Halbach整体充磁转子与双定子印制绕组、轴向气隙磁场的新型拓扑结构盘式力矩电机设计方法 | 提出了基于平行充磁的表贴式面包型磁极和扁线绕组工艺、软磁复合材料的无扼分块铁芯拓扑结构盘式电机设计方法 | 完成 |
| 提出基于反谐振频率配置实现一体化关节轻量化设计的方法与基于双编码器反馈的高动态响应控制方法 | 提出了增大关节负载惯量比以调节反谐振频率配置，实现一体化关节轻量化设计的方法；提出了基于双编码器反馈，针对关节导纳控制的高带宽内环位置控制器设计方法 | 完成 |
| 提出通过优化连杆结构参数来间接分配部件刚度，确保带载下操作点的挠度在许用范围内，实现协作机器人本体轻量化的设计方法 | 提出了基于刚度模型的协作机器人结构多目标尺寸优化方法，实现了协作机器人连杆机械结构的轻质高刚度 | 完成 |
| 试制基于高性能永磁力矩电机以及协作机器人的一体化关节，实现关节高带宽控制 | 搭建了由永磁力矩电机、伺服驱动器、谐波减速器、电机端增量式编码器、输出端绝对式编码器、制动器、力传感器等组成的一体化关节样机平台，通过Speedgoat实时仿真系统配合Elmo驱动器来对一体化关节进行控制 | 完成 |
| 试制协作机器人的样机一套，实现在与不同刚度环境交互下的柔顺控制 | 搭建了基于一体化关节的机械臂样机平台，基于稳定性观测器设计了变导纳控制算法，实现了在与不同刚度环境交互下的柔顺控制以及保证交互的稳定性 | 完成 |
| 申请发明专利至少4项 | 已申请发明专利10项 | 超出 |
| 发表高水平期刊、会议论文至少15篇，其中SCI论文至少10篇 | 已发表高水平期刊、会议论文69篇，其中SCI论文31篇 | 超出 |
| 培养研究生10名 | 中国科学院宁波材料所培养研究生9名，其中博士研究生3名；中国科学院沈自所培养硕士研究生4名 | 超出 |