9月1日，机器人领域顶级期刊IEEE Transactions on Robotics在线刊登了我院数字制造装备与技术国家重点实验室白坤教授灵巧机器人手腕最新研究成果“Spherical Wrist With Hybrid Motion-Impedance Control for Enhanced Robotic Manipulations”（DOI: 10.1109/TRO.2021.3099310）, 白坤教授为论文第一作者。
协作机器人已经在越来越多的领域代替了人的部分工作，但在很多灵巧精细操作方面尚难以达到人手所具备的能力。仿生学及机器人相关研究表明，灵巧的手腕对于精细操作的贡献要大于末端执行器。现有以机械传动为基础的机械操作臂由于缺少灵巧且具有感知顺应能力的腕关节是阻碍机器人进一步提高精细操作能力的瓶颈。
针对这一问题，研究团队提出具有仿生物球关节结构的新型机器人腕关节驱动，利用球面分布的电磁与永磁间的直接作用，实现单关节上的连续三自由度运动以及无传动的直驱三维力矩调节，并达到自身对外界交互力智能感知和顺应的目的，实现灵巧的仿人腕关节功能。
和现有机器人腕关节主要依赖多轴串联和减速传动方式不同，研究团队所提出的球腕关节具有灵巧无传动结构以及驱动力矩直接作用于末端、并可以进行反向驱动的能力。通过与传统机械操作臂的仿真以及实验对比证明，球腕驱动一方面极大的改善了现有机器人腕关节的复杂结构，消除了串联结构造成运动中的奇异点，实现灵活运动；另一方面，由于减少了以往驱动系统与末端之间的力矩传动环节从而减少了摩擦并实现反向驱动能力，达到了力矩感知与控制一体化驱动的目的。在此基础上研究团队实现了球腕多维力矩无传感实时观测，舍去了外加力传感器从而保持了灵巧结构，同时提出新的混合运动-阻抗控制方法，解决了传统机器人控制中的精确与顺应之间的矛盾。通过对外界交互力的实时准确感知，控制系统能够在非结构化环境中自主的进行精密运动控制与主动阻抗控制的自适应调节，从而实现了类似人手腕关节的增强精细化操作能力。以咽拭子采样过程为对象进行的实验验证表明，在没有外界视觉引导的情况下，该球腕关节操作末端采样拭子既可以保证精确的轨迹跟踪（从而避免不必要的接触引起不适），也可以在采样区域需要进行主动接触时实现球腕的有效顺应（保证接触力在安全范围之内且平稳）。该球腕驱动的提出将为协作机器人的进一步发展提供增强性能和创新功能，有望在医疗机器人、磨抛机器人、服务机器人等方面获得更广泛的应用。
该工作得到国家自然科学基金（NSFC）面上项目“面向主从机器人力操作的一体化机电设计和控制”（No. 51675194）以及NSFC-深圳联合基金重点项目“基于人体关节模型的顺应康复外骨骼设计和控制”（No. U1713204）资助。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9513569
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