文章来源 机器人大讲堂

▍研究背景

为了使机器人能够在非结构化环境中更加安全高效地实现人-机-环境的共融，关节的顺应性是新型智能机器人的主要发展趋势之一。现有顺性方法主要通过力的测量控制或者基于弹性元件的变刚度驱动来实现。前者难以克服在未知环境交互中的不稳定问题，后者虽能通过固有的弹性实现高效稳定顺应，但弹性元件需要异常复杂的变刚度机构限制了机器人（尤其是多自由度关节）的灵巧设计。

针对这一问题，华中科技大学机械科学与工程学院白坤教授研究团队提出一种机器人关节电机以及万向刚度调节方法。通过控制电机电流形成在任意位置的“凹陷”磁能场，使得电机转子具有在磁能场极值处的平衡点，且关节刚度矩阵可通过磁能场的梯度调节。该方法不需要位置或力的测量控制，且在不需要任何弹性元件的条件下实现机器人关节各方向固有刚度与三维旋转姿态的动态实时调节。论文发表于机器人领域权威期刊IEEE Transactions on Robotics（DOI: 10.1109/TRO.2023.3336319）。

▍灵巧球关节电机设计

论文提出了一种具有灵巧运动和柔顺交互特性的仿生关节球关节电机，如图1所示。球关节电机的定子和转子分别由电磁线圈(安装在定子的外表面)和永磁体(嵌入在转子中)组成。永磁体和线圈分布在两个同心球面上，转子通过一个低摩擦球形滚动关节支撑。通过永磁体和线圈之间的电磁相互作用，可以直接驱动球关节电机在一个关节内进行全方位旋转。当线圈中输入驱动电流时，线圈和永磁体中的电磁能会在转子上产生三维电磁转矩，并驱动转子实现三自由度旋转。

图1 机器人球关节电机结构

▍万向刚度调节方法

该球关节电机的刚度与平衡点可以在不需要任何弹性元件的条件下通过电磁能量场整形的方法来进行连续的实时调节（如图2）。通过在电磁线圈中输入一组电流，可以在任意点附近控制电磁能场的形状。当形成以期望平衡状态点(qe)为最低能量点的“凹陷”电磁能场时，球关节电机转子可以在不需要任何反馈控制和弹性元件的情况下拮抗地调节到平衡状态。当转子轴被外力或转矩推离平衡点时，电磁转矩(由电磁能场的梯度产生)将转子轴推回到平衡状态(类似于图2中所示的一组拮抗弹簧)，而这种刚度可以通过配置能量场的梯度来调节。由于球关节电机的球面结构，其各向的刚度可以独立控制，其平衡点也可以连续变化。

图2基于磁能场整形的万向变刚度方法

▍实验验证

团队研制了具有可变刚度的机器人灵巧球关节驱动系统，搭载于KUKA机器人腕关节，验证了在任意理想平衡位置实时调节关节刚度方法的有效性（图3）。该驱动不仅可以实现刚度的准确实时调节，还可以通过连续改变平衡点实现三维旋转姿态的实时控制。

图3 关节刚度矩阵测试及验证

▍应用展示

配备有该灵巧手腕的机器人凭借其柔性操作能力进行了大倾角轴孔装配的演示。与传统方法依赖力矩传感器执行轴孔操作方法不同，具有弹性变刚度手腕关节的机器人能够通过灵活配置手腕刚度高效完成任务，整个过程无需力传感器，并且可以适用于具有大范围倾斜角度的轴孔装配（超过30度），无需示教或基于先验知识的编程。

图4柔顺关节轴孔装配演示

对于机器人来说，在非结构化环境中实时探测交互对象的刚度并确保与其稳定接触是至关重要的。研究团队利用具有柔顺关节的机器人实现了对非结构化目标形状和刚度的实时感知与稳定接触。在与由四种不同硬度的柔性材料制作的目标物体交互过程中，机器人在对环境完全未知的情况下凭借关节固有的顺应性实现了稳定的交互，并在过程中实现对目标边缘几何形状和连续变化刚度的准确动态测量。

图5 机器人对非结构化目标形状和刚度的动态实时感知与稳定交互

▍总结

本研究提出了一种同时控制机器人球关节电机转矩与转矩梯度的能量整形方法，实现了机器人关节多自由度运动及万向变刚度，且不需要任何弹性元件或基于力/力矩的反馈控制方法。该机器人灵巧驱动和变刚度方法为机器人的灵巧顺应提供了增强性能和创新功能，有望在医疗机器人、人形机器人、服务机器人等方面获得更广泛的应用。

华中科技大学机械科学与工程学院研究生李孟轲为论文第一作者，白坤教授为论文通讯作者。该项工作得到国家自然科学基金基础科学中心项目“机器人化智能制造”以及湖北省科技人才创新计划资助。