【儀表網 研發快訊】6月24日，機器人領域頂級期刊International Journal of Robotics Research刊發了機械學院丁漢院士團隊關于機器人化智能制造的最新研究成果“A novel electromagnetic variable stiffness actuator for robotic grinding: Design, modeling, optimization, and control(用于機器人磨拋的新型電磁變剛度致動器：設計、建模、優化和控制)”。作為該期刊首次發表的機器人順應磨拋加工領域研究論文，該成果成功解決了機器人自適應力控磨拋加工中的順應性難題。我校智能制造裝備與技術全國重點實驗室為論文唯一完成單位，機械學院2023級博士研究生湯旭為第一作者，楊吉祥教授為通訊作者，丁漢院士為共同作者。
機器人磨拋加工需依賴平穩高精度力控以保障材料去除精度與表面質量，這對航空領域弱/變剛度工件加工尤為重要。然而，傳統柔性末端執行器因剛度固定導致順應性受限，在弱/變剛度工件磨拋過程中難以維持接觸力穩定，進而影響材料去除精度與表面質量。
面對上述挑戰，該論文研究團隊創新性地設計了一種電磁驅動式變剛度力控執行器，并構建了涵蓋結構設計、電磁建模、參數優化、環境剛度精確估計得到的主動力-剛度控制的系統理論框架。通過機器人磨拋過程中接觸剛度感知策略及環境剛度主動匹配的電磁彈簧變剛度調控方法，解決了航空發動機葉盤/葉片等復雜薄壁變接觸剛度零件磨拋時形性精度下降的難題，顯著提升了機器人磨拋的加工精度與工件表面光潔度，為該領域后續研究與實踐提供了重要的理論基礎和技術支撐。
基于電磁驅動式變剛度力控執行器的主動力-剛度控制系統
研究團隊首先基于平面Halbach永磁陣列構建了具有±15mm的線性可控非均勻磁場的電磁可變剛度彈簧。該設計確保了電流輸入與剛度輸出之間的高度線性映射關系，有效支撐了剛度調節的實時性與精度要求。在此基礎上，研究團隊通過結構集成方式將洛倫茲電機作為主動力輸出單元，與電磁可變剛度彈簧解耦組合構建出一體化但功能互不干擾的“主動力控制-剛度調控”雙通道執行系統，從而在硬件層級實現真正意義上的力/剛度解耦控制。
電磁結構設計及參數優化模型建立
研究團隊進一步在電磁建模與優化方法層面展開深入研究以提升執行器力-剛度控制性能。團隊首先構建了覆蓋洛倫茲電機與電磁可變剛度彈簧的磁場分布數值模型，并引入力-磁場-線圈參數關系構建了力和剛度的23個參數表征模型。在此基礎上，將23個關鍵參數分為固定邊界約束與自適應邊界約束兩類，并構建了具備結構裝配可行性與電磁兼容性的聯合參數優化方法。該方法結合粒子群優化算法與邊界自適應策略，顯著提升了解的物理實現性與優化收斂性，成功實現了力常數、剛度線性度等執行器核心性能指標的全面滿足與均衡優化。
物理可行的電磁參數優化方法
在控制方法方面，研究團隊構建了基于Kelvin-Voigt線性粘彈模型的環境剛度實時估計框架，針對復雜接觸工況中易出現的力控擾動與反饋噪聲問題，設計了一種結合殘差加權移動平均濾波的剛度估計策略。該方法有效提升了環境剛度感知的穩定性與動態響應性，強化了執行器在復雜任務中剛度閉環控制的魯棒性與響應一致性。在此基礎上，論文進一步提出了一種結合非線性PID控制器與主動剛度匹配策略的雙環控制架構。力控制環以期望接觸力為目標，采用非線性PID控制算法動態調節洛倫茲電機的驅動力；剛度控制環根據實時剛度估計結果，驅動電磁可變剛度彈簧主動調整剛度輸出，使其與估計環境剛度實現匹配，從而降低系統剛度失配引起的附加動態誤差。
基于噪聲抑制接觸剛度感知的主動剛度匹配雙環控制架構
最后，研究團隊開發了電磁驅動式變剛度力控執行器原型機，并將其集成到六自由度工業機器人末端，在薄壁曲面的磨拋任務中驗證所研制執行器與控制系統的工程適應性。結果表明，電磁驅動式變剛度力控執行器在主動剛度控制狀態下，相比無主動剛度控制的狀態，力控誤差和材料去除深度誤差分別下降了20.63%，46.63%，表現出優異的接觸力穩定性和環境剛度實時適應能力，證明了電磁驅動式變剛度力控執行器作為機器人柔順力控制末端執行器的有效性和優勢。
機器人磨拋實驗平臺
該項研究工作得到了國家自然科學基金卓越研究群體項目“機器人化智能制造”的資助。
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