1、1高适应性机构设计方法及其在电力行业的应用王洪光中国科学院沈阳自动化研究所2023年6月29日2目录1.高适应性机构研究与应用1.1.高适应性机构概述1.2.电网运维环境与任务需求1.3.高适应性机构的设计方法1.4.典型应用案例分析2.协作机器人在电力应用展望3.结论333一机多能高适应机器人多场景多任务多功能高变构能力高平顺性高稳定性环境适应性任务适应性核心机构适应性高适应性机构与机器人技术是世界各国竞相争夺领先地位的高技术领域，也是体现国家在装备制造领域能力与水平的标志-引自“机械工程学科发展战略报告（2021-2035）”高适应机器人应用领域航空、能源、水利、交通等1.1高适应性机构概
2、述美国-NRI、欧盟-地平线、日本-机器人新战略:美国、欧盟、日本等发达国家机器人规划均涉及研发多场景、多功能、多任务的高适应机器人国家十四五机器人产业发展规划:机器人核心技术攻关行动-机器人重构技术4从深空探测到载人深潜，从空天装备到高铁工程，我国已成功完成的各重大工程背后均有高适应性机构与机器人技术的有力支撑，未来的国防航天任务与国民经济建设对机构与机器人系统的高适应性提出了更加严峻的挑战，包括机构适应性、环境适应性和任务适应性。机构适应性是指通过机构的构型、尺度与结构设计，使之能够根据与其相互作用的对象或环境做出适应性改变，是机构学研究的重要内涵。仿生机构与机器人、连续体机器人、软体机器
3、人、折展机构、变形与可重构机器人、智能结构与机械超材料等均是典型的自适应机构。引自“机械工程学科发展战略报告（2021-2035）”源自“机械工程学科发展战略报告（2021-2035）”1.1高适应性机构概述51.1 高适应性机构概述人类进化人类进化Evolution与自然环境的交互、自适应、演变过程机器变革机器变革Step Change由单一简单任务到复杂工况的机器革新适应多工况、多环境、多需求的机器人机器人核心技术攻关行动的共性技术：机器人模块化与重构技术国家十四五机器人产业发展规划机器人技术引领的技术转型第四次工业革命机器人与人工智能智造强国顺应世界发展趋势、满足国家需求多任务多工况机构
4、适应机器人适应性变革一机多用、一机多能的技术趋势多场景控制适应变结构、变拓扑或变自由度视/力融合感知引导混合规划61.1 高适应性机构概述6变胞Origami机器人Felton,Tolley变胞并联机构Zhang,DaiGan,Dai变拓扑机构H.Yan（JMD）可重构自动化包装系统J.Dai（Unilever）变胞机构J.Dai+J.Rees（DETC）J.Dai,Q.Zhang柔性机构变胞制造L.Howell（BYU）水下变胞机器人I.M.Chen变胞微装配机器人Giorgio Bozzini变胞爬行机器人Zhang,DaiTand,Dai变胞多指灵巧手Dai（TRO）变胞码垛机器人Wan
5、g,Dai变胞过约束机器人Song,Dai（MMT）9适应多工况、多环境、多需求的机器(metamorphosis)由单一简单任务到复杂工况的机器革新(step change)机器革新与高适应机构绝缘子检测变胞机器人Yuan,Wang（MMT）空间可折展机构Huang（MMT）绝缘子检测变胞机器人Yuan,Wang（MMT）高适应机构(变胞机构)历史与发展结构尺寸能耗约束多作业任务需求环境适应性机构适应性任务适应性多环境适应可重构构型多功能适应多构型需求7现有机器人机构设计方法面临电网复杂环境和多任务适应性需求挑战复杂多作业任务状态检测设备操作 故障检修极端、复杂非结构环
6、境高空作业狭窄空间强电磁场轻质小型灵敏精准高负载比高刚度重载机器人机构大空间/体积比1.2 电网运维环境与任务需求极端环境和复杂任务工况的特殊性能需求81.3 高适应性机构的设计方法-传统机器人机构综合设计方法设计目标实现功能和限制条件基本工作原理拓扑结构设计构型综合、分析与优选驱动设计驱动类型、性能、位置运动尺度设计运动综合、分析与优化满足运动学需求动力参数设计综合、分析与优化满足动力学需求控制设计轨迹规划、生成控制策略和控制器设计满足控制需求优选设计方案改变拓扑结构改变驱动设计改变运动尺度改变动力参数改变控制设计NYYYYYYYYYNNNNNNN杨廷力杨廷力.机器人机构拓扑结构学机器人机构
7、拓扑结构学M.机械工业出版社机械工业出版社I.构型综合方法II.性能优化设计方法顺序设计优化方法传统设计方法先完成构型综合和拓扑设计，再依序完成运动学、静/动力学和控制性能优化（参数耦合）依赖设计人员经验选择拓扑性能设计未同步优化构型拓扑迭代设计周期长不确定性大9集成设计方法现代设计方法先完成构型综合和拓扑设计，完成运动学、静/动力学和控制性能建模后，同时完成参数-性能优化优化模型参数变量和优化目标多，优化求解困难依赖设计人员经验选择拓扑性能设计未同步优化构型拓扑迭代设计周期较短构型拓扑综合性能设计选择拓扑无法满足性能1.3 高适应性机构的设计方法-传统机器人机构综合设计方法10基于参数解耦的
8、集成设计方法现代设计方法先完成构型综合和拓扑设计，完成运动学、静/动力学和控制性能建模后基于TRIZ、AD理论或经验人工参数解耦和拓扑选择同时完成参数-性能优化性能设计未同步优化构型拓扑迭代设计周期较短构型拓扑综合性能设计选择拓扑无法满足性能1.3 高适应性机构的设计方法-传统机器人机构综合设计方法11原理：拓扑参数内在的限制了机构的运动学和力学性能拓扑综合运动学性能综合静/动力学性能综合活动度运动副、奇异性工作空间、灵活操作空间等驱动布置、载荷分布、刚度分配、驱动耦合等拓扑参数运动学参数：运动轴线方位特征、尺度参数动力学参数：结构参数、负载、惯性、功率等问题：难以实现构型拓扑与性能综合同步优
9、化。顺序设计集成设计基于解耦的集成设计构型综合未优化性能拓扑选择人工选择待优化拓扑；不满足性能重选拓扑参数建模拓扑、运动、动/静力学独立建模拓扑独立建模；运动学、静/动力学等统一建模结合拓扑参数和运动学、静/动力学等参数解耦设计并统一建模性能优化独立优化统一优化统一优化1.3 高适应性机构的设计方法-传统机器人机构综合设计方法121.3 高适应性机构的设计方法沈阳智能机器人国家研究院有限公司2.2 机构学与本体设计体系机构学与本体设计体系面向复杂环境与多任务的高适应性机器人设计方法多场景多任务多功能能能源源、航航空空、水水利利、交交通通等等融合几何-代数的构型-尺度-性能集成设计方法结构参数材
10、料参数动态性能变构性能多参数耦合数学模型机构变构时序模型构型-尺度-性能优化融合几何-代数构型综合理论几何-代数融合的拓扑表征理论活动度-负载-约束特性指标构型拓扑优化耦合设计全域性能评价准则机构/结构功能设计问题与挑战理论与方法应用领域极端环境与复杂任务挑战机构与机器人研制、检测与测试验证机构与机器人研制、检测与测试验证131.3 高适应性机构的设计方法-融合几何-代数构型综合理论代表性研究拓扑综合方法拓扑学基本公式自由度综合计算方法特点戴建生、黄真等旋量代数和李群李代数=;=;旋量系的交并运算；线性代数运算代数运算方法，可计算性好，使用计算机综合机构拓扑几何特征非显式表征，拓扑解到连杆几何
11、的对应不唯一Freudenstein、Pucheta、Tsai、Mruthyunjaya等图论和拓扑学邻接矩阵M=min:min,min,领接矩阵的连通度计算和同构识别；稀疏矩阵计算Gogu等线性变化与形态进化的型综合理论=;=速度空间的交并运算；线性代数运算HERVE、FANGHELLA、GALLETTI等位移子群/子流形理论=;=位移子群的交并运算；表格形式计算规则包含非代数计算规则；位移群到连杆几何对应不唯一基于代数特征的构型综合理论141.3 高适应性机构的设计方法-融合几何-代数构型综合理论基于机构拓扑几何特征的构型综合理论代表性研究拓扑综合方法拓扑学基本公式自由度综合计算方法特点A
12、ssurAssur杆组法=3 21=0Assur杆组分解非代数计算；平面机构；杆组拆分不唯一易于理解和操作杨廷力等方位特征集（POC集）=1;=1+1线性符号的交并运算规则；非线性判据包含非代数运算规则，不可使用计算机计算，难以保障解的全局性基于几何特征显式表征拓扑，拓扑参数到连杆参数唯一对应高峰等一般特征集（GF）理论=;=1的一般特征符号求交定理；非线性判据Gosselin等Grassmann线几何图谱法和Blanding法则自由度线空间和对偶空间非代数计算规则；和旋量方法等效151.3 高适应性机构的设计方法-融合几何-代数构型综合理论传统融合机构的几何-代数特征的构型综合理论代表性研究
13、拓扑综合方法拓扑学基本公式自由度综合计算方法特点李秦川基于共形几何代数方法=,1,2 ,通过对偶和直射变换拓扑综合需要考虑几何约束条件代数计算易于理解和操作李树军等图论和Assur杆组融合方法=+1;基于Assur杆组间的邻接矩阵计算平面机构支链运动群可代数计算获得李泽湘等基于李群的几何学方法=1 2 可生成李群运动的几何支链并联构造机构对非李群运动支链缺乏工具黄真、Gosselin等Grassmann与旋量融合方法Blanding法则自由度线空间和对偶空间和旋量系人工完成的图谱法法综合，代数计算规则旋量方法等效161.3 高适应性机构的设计方法-融合几何-代数机构综合理论几何特征代数特征融合
14、几何-代数特征方法POC 集理论旋量代数位移子群和子流形几何代数方法（建模难）MALOM集理论图论和拓扑学图论和Assur杆组（平面）Assur杆组线性变换方法基于李群的几何方法Grassmann与旋量结合方法（图谱法）几何特征活动度性能优化可计算性受限制OPFSS满足活动度NO初始化 Oc 和 PC设置新 OC 迭代所有 OC YESNOYES活动度活动度获得OPFSS解库负载负载旋转一个解OPFSS生成功率流形计算元功率指标和其他指标迭代所有OPFSS解YESNOOPFSS最优解完成构型综合完成构型综合基于元功率指标完成和第三章内容完成构型综合计算元功率指标 活动度-负载导向构型综合方法（
15、MALOM）是一种融合机构几何-代数特征的方法 可在构型综合阶段优化性能171.3 高适应性机构的设计方法-融合几何-代数机构集成设计方法YES求解任务旋量系满足活动度指标NO初始化OC和PC设置新的OC和PC遍历所有OC和PCYESNOYES活动度指标任务旋量系获得OPFSS解库负载指标负载质量驱动结构质量等驱动功率流形选择一个新的OPFSS解负载功率流形运动学指标元功率集中度指标元功率耦合度指标（其他指标）计算多目标优化函数遍历所有OPFSS解NO蒙特卡洛方法指标计算活动度活动度-负载负载-运动学性能导向构型综合运动学性能导向构型综合运动子链综合功率元集中节点功率元集中节点集OPFSS最优
16、解集仿真和验证满足指标选择OPFSS解构型-性能集成设计完成OPFSS的串联、并联和混联1DOF闭链机构少自由度并联机构YESNO势能功率流形势能各向异性指标运动链的串、并或混联及机构综合设计拓扑拓扑-运动学运动学-刚度等的刚度等的构型构型-性能集成设计性能集成设计仿真和实验研究仿真和实验研究181.4 典型应用案例分析广西电网有限责任公司电力科学研究院中国科学院沈阳自动化研究所220kV变电站绝缘子检测与更换机器人191.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换 绝缘串结构复杂、耐张拉力大、悬垂弧度、且销孔位置不确定 绝缘子一致性差 工作在浮动基座上 高空作
17、业 变电站门架上的绝缘子串上作业环境适应性需求20任务适应性需求1)2)3)4)5)7)人工更换作业1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换21任务适应性需求：弧垂串的绝缘子卡具自适应夹持 浮动基座和绝缘子串 目标定位、插拔销 绝缘子抓取和夹持 脱开和插入绝缘子 复杂的更换操作（复杂的环境和力约束）自动化卡具和检测机器人本体重（50kg）高空作业斗负载能力受限W销钉和绝缘子钢帽连接旋转装置本体旋转装置本体齿轮圆轨齿轮圆轨驱动轮驱动轮驱动装置驱动装置支撑导向轮支撑导向轮电动夹爪电动夹爪1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子
18、更换x0y0z0自动卡具自适应夹持22总体系统组成1 移动升降平台2 更换工具包3 检测工具包4 协作机械臂5 视觉系统6 位姿调整机械臂（轻质大负载操作臂）7 绝缘子暂存装置8 地面基站9 手持控制器视觉系统更换工具包绝缘子暂存装置位姿调整机械臂协作机械臂及夹爪检测工具包地面基站手持控制器移动升降平台1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换23高空斗内作业对象位姿复杂作业流程复杂，灵巧性要求高工具质量大 位姿调整臂的高适应性设计要求负载自重比1.4o 工具包质量50kgo 自重2.52.5吨吨 自适应自适应弧垂弧垂和绝缘子和绝缘子不一致性不一致性 多自由
19、度，辅助转动、定位和调姿多自由度，辅助转动、定位和调姿绝缘子绝缘子1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换24基于活动度-负载导向构型综合方法和高适应性机构设计方法面向220kV变电站悬式绝缘子单片更换作业的高空场景搭建机器人系统实验验证平台 操作臂：负载大，自重轻o 工具包质量50kgo 自重35kg 自由度数目5o 3T2R 小安装空间、大操作空间小安装空间、大操作空间高空斗内作业对象位姿复杂工具质量大研制轻质大负载的位姿调整操作臂位姿调整臂的高适应性设计1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换25自动卡具的高适应
20、性设计自动卡具被动柔顺设计夹爪的适应性设计：对非一致对象夹持绝缘子自适应调姿机构：对任意姿态绝缘子调整到目标姿态弧垂自适应结构：弧垂串使得夹持平面可自适应浮动1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换26浮动基座、悬垂绝缘子串、大负载调姿等环境和任务的适应性设计x0y0z0自动卡具被动柔顺设计高适应性夹持需求KP1KP2KP3ToolKP5KP4KP4KP5KP2KP3c)样机主视图样机主视图 d)样机局部放大图样机局部放大图 a)虚拟样机图虚拟样机图 KP1KP2KP3KP4KP5KP1KP3KP4Toolb)样机侧视图样机侧视图 大负载、各向异性柔顺适应
21、、轻质量等环境-任务适应性需求大负载自重比、刚度各项异柔顺设计1.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换研制的位姿调整操作臂负载自重比1.95:1271.4 典型应用案例分析-220kV220kV变电站绝缘子更换变电站绝缘子更换28目录1.高适应性机构研究与应用2.协作机器人在电力应用展望2.1 机器人发展态势2.2 协作机器人SHIR5研究2.3 协作机器在电网运维应用展望3.结论292.协作机器人在电力应用展望 机器人应用于电网运维，面临新的技术挑战 对机器人要求的变化应用需求：应用需求：大批量、单一任务大批量、单一任务 小批量、多任务小批量、多任务应用
22、环境：应用环境：结构化环境结构化环境 半结构化、非结构化环境半结构化、非结构化环境与人员设备的关系：围栏隔离与人员设备的关系：围栏隔离 安全空间小，工作空间重叠安全空间小，工作空间重叠非结构化非结构化、复杂复杂环境、多任务环境、多任务结构化、封闭环境结构化、封闭环境安全性安全性专用性专用性人机安全、电网安全专用机械臂专用机械臂协作机器人协作机器人特特点点30 美国：2022国家机器人计划 3.0（National Robotics Initiative 3.0:Innovations in Integration of Robotics(NRI-3.0)）欧盟：提出第九框架计划(地平线欧洲20
23、21-2027)德国：工业4.0 法国：新工业法国 日本：机器人新战略 中国：工信部等三部委：机器人产业发展规划（2016-2020年）（2016年）工信部等十五部门：“十四五”机器人产业发展规划（2021年）工信部等十七部门：“机器人+”应用行动实施方案（2023年）2.1 机器人发展态势-国家规划和部署31从2013年以来，中国已成为全球最大的机器人市场，而且未来市场空间巨大2021年，全球51.7万台（比2020年增涨31%），中国26.8万台(占比52%）。2.1 机器人发展态势-新装机量源源自自IFR World Robotics 202232中国机器人市场需求增涨2012-2020
24、年中国工业机器人市场情年中国工业机器人市场情况况2021年度，中国每万名制造业工人的工业机器人保有量达到322台，超过全球平均水平141台；距离第一韩国1000台、第二新加坡670还有较大差距。2.1 机器人发展态势-中国市场3333重复精度（Accuracy)+61%负载能力(payload capacity)+26%速度(velocity)+39%平均故障间隔(MTBF)+137%可控轴数(Controlled axis)+45%价格(price)-43%2021年 全世界在用的工业机器人约350万台1990-2000工业机器人日趋成熟，协作机器人Cobot发展迅猛协作机器人与传统机器人复
25、合增长率对比2.1 机器人发展态势-协作机器人34源源自自IFR World Robotics 20222017-2021年度协作机器人在工业机器人总销售量中的占比2.1 机器人发展态势-协作机器人35351991DLR LWR I1988DLR ROTEX1995WAM KANATA2003DLR LBR III2008UR52012Rethink Baxter2013KUKA iiwa2015ABB YuMi2015遨博 i系列2015新松 7轴协作机器人2016达明 TM52016珞石 XB系列2017节卡 Zu72017大族Elfin系列2018艾利特 EC662019越疆 CR520
26、17Franka至今协作机器人发展历程2.1 机器人发展态势-协作机器人36 具有代表性的协作机器人系统具有代表性的协作机器人系统 特点特点人机协作和安全性人机协作和安全性易于使用易于使用轻型化轻型化高智能化高智能化KUKA KUKA iiwaiiwaUniversal Universal RobotsRobotsBaxterBaxterYuMiYuMiCRCR-35iA35iA2.1 机器人发展态势-协作机器人372.2 SHIR5研究工作-研究背景及目标 研究背景始于2015年，先后得到中国科学院、辽宁省科技厅、国家发改委等项目资金的支持 项目总目标面向我国高端制造业、服务业、医疗行业等与
27、人紧密接触的领域对机器面向我国高端制造业、服务业、医疗行业等与人紧密接触的领域对机器人技术与装备的迫切需求，开展新一代工业机器人系统设计、制造及集成技人技术与装备的迫切需求，开展新一代工业机器人系统设计、制造及集成技术研究。术研究。核心关键技术攻关：掌握一批核心技术，实现具有国际先进水平的技术核心关键技术攻关：掌握一批核心技术，实现具有国际先进水平的技术储备；储备；工程样机：具有自主知识产权；工程样机：具有自主知识产权；人才队伍培养：建立高端人才队伍，引领我国机器人新技术的发展。人才队伍培养：建立高端人才队伍，引领我国机器人新技术的发展。38SHIR5技术技术指标指标2.2 SHIR5研究工作
28、-技术指标、功能、特点 SHIR 5SHIR 5特点特点负载自重比大；负载自重比大；集成化程度高集成化程度高；安全性高；安全性高；精度高；精度高；编程简单；编程简单；可扩展性好。可扩展性好。典型功能典型功能高精度运动控制；高精度运动控制；图形化编程、手牵引示教；图形化编程、手牵引示教；柔顺控制；柔顺控制；碰撞检测碰撞检测反应式行为规划。反应式行为规划。项目技术指标设计指标实测值型号SHIR 5SHIR 5结构形式关节型机械臂关节型机械臂自由度数77负载重量5kg5.01kg自重25kg24.09kg工作范围工作半径900mm900.15mm重复精度0.1mm0.08mm最大速度末端1m/s末端
29、1.002m/s编程方式图形用户界面及示教模式图形用户界面及示教模式材料铝合金，不锈钢，ABS塑料铝合金，不锈钢，ABS塑料安装位置地面、墙壁、顶棚地面、墙壁、顶棚防护等级IP54IP54电源100-240 VAC 50-60Hz100-240 VAC 50-60Hz工作温度0-+400-+4039I型机II型机（IIG）II型机（IIS）控制器2.2 SHIR5研究工作-样机研制402.2 SHIR5研究工作-样机研制与测试41SHIR5性能指标与世界领先水平产品的对比情况型号型号SHIRSHIR 5 5KUKAKUKA LBRLBR iiwaiiwa 7 7 R R800800Univer
30、salUniversal RobotRobot URUR5 5结构形式结构形式关节型机械臂关节型机械臂关节关节型机械臂型机械臂关节关节型机械臂型机械臂自由度数自由度数7 77 76 6负载重量负载重量5 5.0101 KgKg7 7 KgKg5 5 KgKg自重自重2424.0909 KgKg2323.9 9 KgKg1818.4 4 KgKg工作范围工作范围工作半径工作半径900900.1515mmmm工作工作半径半径936936mmmm工作工作半径半径850850mmmm重复精度重复精度0 0.0808mmmm 0 0.1 1mmmm0 0.1 1mmmm最大速度最大速度末端末端1 1.0
31、02002m/sm/s、关节关节100100/s/s末端末端2 2mm/s/s、关节关节120120/s/s末端末端1 1mm/s/s、关节关节180180/s/s编程方式编程方式图形用户界面及示教模式图形用户界面及示教模式图形图形用户界面及示教模式用户界面及示教模式图形图形用户界面用户界面，触摸屏触摸屏材料材料铝合金铝合金，不锈钢不锈钢，ABSABS塑料塑料铝铝，不锈钢不锈钢，ABSABS塑料塑料铝合金铝合金，ABSABS塑料塑料安装位置安装位置地面平装地面平装、侧墙壁装侧墙壁装、顶棚吊装顶棚吊装地面地面平装平装、侧墙壁装侧墙壁装、顶棚吊装顶棚吊装地面地面平装平装、侧墙壁装侧墙壁装、顶棚吊装
32、顶棚吊装防护等级防护等级IPIP5454IPIP5454IPIP5454电源电源 VACVAC 5050-6060HzHz VAC,VAC,5050-6060HZHZ VACVAC 5050-6060HzHz工作温度工作温度0 0-40405 5-45450 0-5050综合比较，达到国际先进42（1）机器人机构、结构的设计与优化改进机器人构型的评价函数及灵活改进机器人构型的评价函数及灵活工作空间求解方法；工作空间求解方法；基于基于KrigingKriging模型的构型优化方法，模型的构型优化方法，考虑了关节偏置对机
33、构性能的影响；考虑了关节偏置对机构性能的影响；基于虚拟关节概念和刚度模型，对基于虚拟关节概念和刚度模型，对机器人结构刚度进行定量分配；机器人结构刚度进行定量分配；基于末端误差评价，定量分配设计基于末端误差评价，定量分配设计机器人关节精度。机器人关节精度。障碍物对工作空间灵活度的影响障碍物对工作空间灵活度的影响肩部肘部腕部肩部肘部腕部zyx2.2 SHIR5研究工作关键技术43（2 2）基于半解析刚度模型的误差建模与精度补偿）基于半解析刚度模型的误差建模与精度补偿建立机器人整机的半解析刚度模型能完整表达机器人在空间6个自由度方向上的刚度特性考虑自重、谐波减速器非线性影响可实时计算引入弹性变形误差
34、的误差建模、标定及补偿将弹性变形误差引入误差模型，实现弹性变形误差与几何变形误差的真正分离，提高标定精度将弹性变形实时计算后进行精度补偿xi2yi2zi2oi2L1J1J(i-1)LiJix0y0z0o0CCCCCCJ(n-1)CLnCJnCJ(i-1),iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiinEfadfaddadafadfadddddCFX 末端位姿误差包含弹性变形末端位姿误差包含弹性变形刚度模型刚度模型2.2 SHIR5研究工作关键技术44关键部件的设计开发关键部件的设计开发高功率密度的直流力矩电机高功率密度的直流力矩电机；高性能关节电机驱动与控制高性能关节电机驱动与控制电子学系
35、统；电子学系统；高精度、高功率密度的一体化高精度、高功率密度的一体化关节集成设计关节集成设计齿槽转矩优化齿槽转矩优化偏心偏心20mm20mm无无偏心偏心（3）一体化关节与电子学系统设计2.2 SHIR5研究工作关键技术45逆变桥隔离门级驱动DSP/MCU处理器AMP/ADC电机相电流DC母线电压力矩传感器绝对式位置传感器增量式位置传感器实时通讯CANOPEN模拟量反馈模拟量反馈CANOPEN 硬件组成硬件组成SPI通讯接口通讯接口位置位置控制器控制器速度速度控制器控制器末端位置反馈末端位置反馈接口模块接口模块力矩传感器接力矩传感器接口模块口模块高速通讯接口高速通讯接口（SPI）高速通讯接口高速
36、通讯接口（SPI）电机位置反馈电机位置反馈接口模块接口模块模拟输出口模拟输出口DAC模拟输入口模拟输入口ADC05V逆变桥PISVPWMPARK逆变换逆变换PARK变换变换CLARK变换变换IaIbUUPI上位机上位机放大器放大器(STMSTM3232F F103103)控制器控制器(TMSTMS320320F F2833528335)CANSPIET1100Magnetics、PHYRJ45SPI通通信信板板其他关节控制器其他关节控制器EtherCAT驱动控制器驱动控制器驱动器驱动器关节驱动与控制（3）一体化关节与电子学系统设计2.2 SHIR5研究工作关键技术46高精度运动控制关节位置控制
37、关节位置控制插补插补运动学运动学轨迹规划轨迹规划扰动扰动/振动抑制振动抑制柔顺控制动力学建模与辨识动力学建模与辨识碰撞检测碰撞检测阻抗控制阻抗控制反应式行为规划环境建模环境建模传感器数据融合传感器数据融合识别与分类识别与分类动态障碍物分割与提取动态障碍物分割与提取局部在线规划局部在线规划全局最优搜索全局最优搜索（4）智能控制算法轨迹偏差轨迹偏差IOIO输入输入关节力矩关节力矩末端力末端力干预机制干预机制外力估计外力估计反应策略反应策略碰撞检测碰撞检测位置控制位置控制柔顺控制柔顺控制状态观测器状态观测器力控制力控制力矩计算与力矩计算与补偿补偿动力学动力学模型模型逆运动学逆运动学求解求解轨迹规划轨
38、迹规划振动抑制器振动抑制器运动轨迹运动轨迹PTPPTPLINLINCIRCCIRCSPLINESPLINE刚度刚度&阻尼阻尼参数参数示教器示教器编程接口编程接口人机交互人机交互笛卡尔空间笛卡尔空间柔顺控制柔顺控制环境建模与环境建模与任务识别任务识别a.a.高精度运动控制高精度运动控制c.c.反应式行为规划反应式行为规划b.b.柔顺控制柔顺控制RGBDRGBD摄像机摄像机激光激光环境传感器环境传感器底层控制底层控制（1k1k-3kHz3kHz）中层控制中层控制（200200-1kHz1kHz）高层控制高层控制（5 5-100kHz100kHz）人人机器人机器人2.2 SHIR5研究工作关键技术4
39、7手牵引示教完成小空间作业手牵引示教完成小空间作业柔顺控制柔顺控制碰撞检测碰撞检测1.柔顺控制2.碰撞检测3.手牵引示教人机协作的关键技术2.2 SHIR5研究工作实验验证48飞机舱门原位测量精密装配电子器件检测SHIR 5特性负载自重比大；安全性高；精度高；图形化编程手牵引示教；柔顺控制；碰撞检测;反应式行为规划。人机融合安全易用灵敏精准灵活通用2.2 SHIR5研究工作实验验证492.3 协作机器人电网运维应用展望503.结论501.高适应性机构与机器人技术是未来发展趋势，已成为学术界和产业界的共同研究热点；2.高适应性机构具有变拓扑、变活动度、多构态特性，可适应复杂环境与多任务需求，实现一机多能、一机多用目标；3.协作机器人具有安全性、协作性、智能性和灵巧作业能力，适用于非结构环境、小批量及多任务需求；4.协作机器人技术将进一步拓展到新领域，应用前景广阔。51谢谢 谢！谢！
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