面向复杂作业环境的模块化移动操作机器人关键技术研究

The project aims to study the fundamental theories and key technologies pertaining to mobile manipulators towards complex manufacturing environment, which are the common technical problems faced by the traditional manufacture industry and the growing manufacturing service industry in Zhejiang Province when executing the "Fusion of Informatization and Industrialization " and " Replacing Human Workers with Machines " strategies. In order to broaden the applications of the research results, the concepts of modularity and reconfigurability will be employed throughout this project. The fundamental research issues of mobile manipulators, such as kinematics， dynamics, actuation and transmission mechanisms and intelligent control, will be intensively addressed. In addition, it is also targeted to make technology breakthroughs in high-performance torque motors, powered caster wheels, complaint joints, modular omnidirectional mobile platforms, modular and complaint manipulators, and coordinated mobile manipulation and control. Therefore, the project will not only help the transformation and upgrading of the manufacturing industry in Zhejiang, but also enhance the national research on mobile manipulators and the related disciplines.

本项目针对浙江省传统制造业和新兴制造服务业实施“两化融合” 与“机器换人”战略所面临的共性技术问题，研究面向复杂作业环境的移动操作机器人基础理论与关键技术。为了拓宽研究成果的应用范围，本项目以模块化、可重构的设计理念为主线，深入研究模块化移动操作机器人运动学、动力学、驱动传动及智能控制等关键基础问题，突破高性能力矩电机、解耦式主动万向脚轮、柔顺驱动关节、模块化全向移动平台、模块化柔顺操作臂以及移动操作协调控制等关键技术。因此，本项目的实施不仅能够助力浙江制造业的转型升级，对于提高我国移动操作机器人的研究水平，促进相关学科的发展也具有积极的推动作用。

本项目研究了模块化移动操作机器人的运动学、动力学、精密驱动传动以及柔顺运动控制等基础理论与方法，突破了高性能力矩电机、柔顺驱动关节、解耦式主动万向脚轮、模块化柔顺操作臂以及模块化全向移动平台的设计集成以及移动操作协调控制等关键技术。.项目以图论、李群及微分几何为基础，提出了与整体构型无关的模运动学、动力学建模方法，实现了模块化移动操作机器人的自动建模；提出了高性能永磁力矩电机的设计方法，通过采用HALBACH阵列的定子拓扑结构，显著提高了气隙磁密和转矩密度，通过磁导调制、磁通调形和磁路优化设计，减小了电机的齿槽效应和转矩波动，研制了系列永磁力矩电机，转矩密度高于2.4Nm/Kg，转矩波动小于1.7%；提出了基于高性能力矩电机的一体化关节模块集成设计方法，研制了大中小三款柔顺驱动关节，其定位精度均好于±0.001度；突破了模块化操作臂的轻量化设计和柔顺运动控制等关键技术，项目研制了两代7自由度模块化操作臂样机，其中第二代样机重复定位精度为0.07mm，最大运动速度为1m/s，自重/载荷比达2.86:1（库卡IIWR机器人为3:1）；创新性提出了在关节层采用力矩分频反馈控制，在操作臂层采用基于前向动力学仿真的力位混合控制方法及变阻抗柔顺控制策略，提高了操作臂的柔顺运动性能，相关研究成果获得IMIOT&ICSEE 2018国际会议最佳论文奖；提出了通过输入耦合实现输出解耦的传动原理，创新设计了解耦式主动万向脚轮，并研制了国内首台基于解耦式主动万向脚轮的全向移动机器人，显著提高了移动机器人的运动灵活性和驱动效率，相关技术实现了技术转移和产业化应用。建立了基于操作空间动力学的模块化移动操作机器人协调控制方法和定位导航方法，研制了全向移动操作机器人样机，完成了实验验证。.项目已发表学术文章54篇，其中SCI收录17篇，EI收录53篇，申请专利43项,（其中发明专利30项），已获授权专利18项（其中发明专利5项），授权软件著作权1项；项目培养博士后1名，硕士生7名；与项目研究相关的在读博士生8名，硕士生3名。