面向主从机器人力操作的一体化机电设计和控制

Master-slave robots enable an operator to manipulate a slave robot through master side to deliver complicated tasks (such as surgical robots), which is a good combination of human intelligence and machinery precision. Current master-slave robots primarily rely on visual assistance because of the challenges in realizing haptic and force feedback. Targeted on the force manipulations in human-machine and machine-environment interfaces, this proposal mainly aims at studies on compliance interaction, actuation system design and force feedback. In order to accomplish compliance interaction and reaction force feedback, impedance control and force control techniques for slave and master sides respectively will be established by investigating model-based master-slave methods; actuation systems with concise mechatronic structure and direct force-position output will be developed with proposal of actuation-sensing-control-integrated mechatronic design method. The deliverables of the proposed research including integrated actuation systems, sensor-less force sensing method, bottom-level algorithms for impedance/force control will not only improve the master-slave manipulation, but also contribute to relevant areas in robotic research.

主从机器人是指操作者通过主机控制从属机器人进行复杂工作（如手术机器人），是人的智慧和机器的精准的结合。现有主从机器人主要依赖视觉辅助，虽有触觉感知和力的反馈的相关方法，但在实现上则存在诸多难题。本课题面向主从操作中人与机器、机器与环境相互关系中的力操作，开展一体化驱动设计、柔性交互和力反馈相关内容的研究。通过提出驱动-传感-控制一体化的机电设计方法，研发结构简单灵活，具有直接力、位输出和反馈、控制能力的驱动系统，为精准、快速的力操作提供实现的手段；通过探索基于模型的主从控制策略，建立从机的阻抗控制以及主机的力控制方法，实现机器与环境的柔性交互和作用力的感知反馈。本课题的成果包括一体化的驱动系统、无传感的力感知方法、阻抗及力反馈的底层控制算法，不仅可以直接提高主从控制中的交互能力，还可以为其他机器人相关领域的研究做出贡献。

本项目针对主从系统在复杂非结构化的环境下的顺应交互和力觉反馈难题，开展一体化驱动设计、柔性交互和力反馈相关内容的研究。通过执行研究计划，完成了具有柔顺交互和实时力反馈主从操作的研究目标。本项目主要创新成果包括1）提出仿生球关节驱动，实现类似腕关节的灵活运动和无传动直驱，完成主从机器人灵巧末端驱动系统机电一体化设计。建立了基于磁链的驱动力、驱动电压综合驱动模型，形成高效设计和分析方法。提出动坐标系下球关节电机的控制方法，实现高精度运动控制。2）提出运动-阻抗混合控制方法，并建立基于交互力的控制切换条件从而实现了主从机器人末端在复杂环境下的动作执行精准度和顺应性的综合执行。建立基于直驱简单结构的高效扰动观测方法，实现无传感的交互力观测。3）利用具有反向驱动能力的直驱末端提出精准的力控制方法。提出基于异构系统和顺应操作的双边控制方法，实现主从系统对环境的顺应以及对操作者的高效力反馈。. 搭建了基于球关节驱动的主从系统，以咽拭子采样中的柔顺操作过程验证了系统实现复杂环境中的精密运动以及顺应操作综合执行的能力。本项目成果发表于IEEE Trans. on Industrial Electronics、IEEE/ASME Trans. on Mechatronics、IEEE Trans. on Industrial Informatics、中国科学-技术科学（英文版）等机械电子、信息类顶级国际期刊，论文成果获得ASME DSCD机电一体化领域2019年度最佳论文奖。出版一作英文专著1部，获中国出版学会评选的百种科技新书奖，并入选第十八届输出版优秀图书，作为中国原创成果对外推广。技术成果获授权中国发明专利7项，PCT国际专利1项，申请美国专利1项，并获得日内瓦国际发明金奖。相关成果应用于穿刺机器人主从控制，研发了具有力反馈功能的新型主手样机。