服务机器人深度融合智能舵机研究

20230111

制造业

1）设计了舵机优化选型算法，选择了高效率的电机和减速器，提高了整机的功率密度比；通过对关键零部件进行拓扑优化，减轻了整机的质量，实现了轻量化。 2）提出了一种基于Sigmoid函数的非线性newfal(??)函数，构造了位置环\速度环复合型二阶自抗扰控制策略；提出了基于对称S型函数设计的新型趋近率和扰动观测器，通过前馈补偿的形式构造了复合滑模控制器；提出了基于双曲正切函数的无感滑模控制策略。通过仿真和实验验证了设计的控制器能明显提高舵机系统的响应特性和抗扰动特性。 3）提出了基于摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制策略，使用小波去噪+卡尔曼滤波联合处理的方法对摩擦数据进行处理，获取了电流的最优估计值，实现了对Stribeck静态摩擦模型和LuGre动态摩擦模型的离线参数辨识。将库伦+粘滞+Stribeck模型通过摩擦前馈补偿的方式加入到控制模型中，构建了模糊规则表，使用模糊控制器在线实时调整自抗扰控制器的控制参数，实现了自适应功能，提高了关节正弦跟踪的精度，通过实验验证了该方法的可行性与有效性。 4）实现了面向机器人舵机的全方位测试技术，提出多参数关联分析方法，建立了多层次质量评价体系。研制面向研发和生产一线的机器人舵机综合性能测试机及配套测试技术,测试对象满足大中小不同类型舵机测试需求。将机械产品测量涉及的量仪、传感器、控制软件、分析算法、评定标准、数据和辅助设备虚拟化为服务资源，通过通用的硬件设备接口和软件接口，集成于云平台中。提出一种基于多参数关联的传动性能测试方法和分析方法，以实现对机器人关节传动性能从二维到三维，从单个参数到多参数融合分析。

1.合作方是企业法人形态，注册资本金不低于1000万元。 2. 合作方应长期从事本领域的研究开发，在本领域有显著的领先优势和竞争优势，有较雄厚的科研资产、经济实力和高端研发人才，有较强的整合行业创新资源、技术扩散、辐射和转移能力，有较好的产学研合作基础。 3. 合作方有责权明晰的董事会和经营管理团队，建立较完善的内部管理制度，明确各类主体的责权利，形成产学研用协同的创新机制。 4. 合作方应具备自我可持续发展能力。满足企业基本运行需要，通过技术成果转化、企业孵化、企业委托研发、检测检验和为行业提供公共服务等方式获得稳定收入。 5. 合作方应拥有代表本领域先进水平的研发力量。应设立专家委员会，专家委员会应由行业领军人才担任主任；应有固定的研发队伍，从事研发和相关技术创新活动的科技人员占企业职工总数的比例不低于30%；应有独立的办公场地、优良的研发试验场地和先进的研发试验仪器设备；其年度研发费用总额占成本费用支出总额的比例应不低于30%。 6. 合作方应切实发挥行业技术引领作用。通过制定明确的技术规划，组织本领域企业、高校、研究机构开展关键共性技术研发，突破制约产业发展的关键共性技术瓶颈。 7. 合作方应是资源开放共享的平台。应与高校、科研机构、相关企业开展技术交流或合作，在人才培养、项目研究、信息交流、设备利用等方面实现资源开放共享。

可国（境）内外转让

随着我国国民经济的高速发展，机器人行业市场的总规模和产销额每年以25%左右的速度增长，未来我国服务机器人市场对舵机的需求量巨大。现阶段，我国服务机器人发展正面临着新的形势：一方面，我国公共安全事件频发；另一方面，我国人口老龄化趋势明显加快，残疾人群庞大，精神文化生活水平亟待提升，这些都对包括服务机器人在内的民生科技提出了新的更高的要求。新的形势对我国服务机器人及核心部件的发展既是严峻的挑战，也是前所未有的机遇。 我国已把服务机器人及核心部件技术突破列入国家科技发展战略，如《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年）》将开展机器人领域关键技术及产业化研究作为国家中长期科学和技术发展规划的目标。“工业强基工程”指出，到2025年，机器人70%的核心基础零部件将实现自主保障。同时，工信部等三部委于2016年3月颁布的《机器人产业发展规划（2016-2020年）》，将核心部件取得重大突破作为发展目标。 通过本项目的转化，形成智能舵机优化设计、智能控制、性能测试、云监测及健康自诊断方面的核心知识产权，为国家和地区发展服务机器人用舵机提供技术支持，其科研成果将不断反馈与丰富创新平台的知识库，提升我国服务机器人行业整体自主创新的技术水平。同时将产生可观的经济和社会效益。

2022年结项科技重点项目

北京市教育委员会

1、高度集成驱控一体的轻量化智能舵机研制 首先提出了电机与减速器的快速选型算法，通过功率、扭矩、转速、响应速度、扭矩自重比、减速比匹配计算从数据库中快速得到符合性能要求的电机和减速器组合，为智能舵机样机设计和协作机器人系列化优化算法提供了依据。 智能舵机设计时采用了直通式结构，定制了一体式中空轴谐波减速器，中空阶梯主轴预留了各阶梯的安装余量，中空直径为7mm，满足内部中空走线要求；利用优化软件对机械结构部件进行静力学分析、热力学分析、参数优化和拓扑优化，在满足性能要求的前提下进一步减轻了舵机整体重量。设计永磁同步电机的定子固定在壳体电机仓位置，增量编码器码盘通过胶粘的方式固定在主轴中空轴，选用的粘黏剂具有耐老化、抗冲击、剪切强度高等优点；绝对编码器的转子安装在返回轴末端，定子安装在返回轴固定件的外侧；驱动板和控制板安装在智能舵机最末端。 2、基于改进蚁群算法的多轴机器人系列化舵机轻量化优化设计 针对协作机器人整机系列化舵机轻量化设计问题，改进了蚁群算法，根据探索程度确定路径节点，建立路径图表、种群繁殖机制、信息素释放机制和信息表，有效的增加了算法的运算效率，通过实验完成了系列化舵机部件优化选型，对比采用相同舵机型号的机器人模型，质量减轻8%。 3、基于模糊自抗扰控制的全闭环控制策略 针对自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control, ADRC )中fal(.)函数在原点附近存在拐点，容易造成抖振的问题，基于Sigmoid函数，设计了一种新型newfal(.)函数，实现了区间切换的平稳过渡，并使用Lyapunov对构造的IADRC（Improved ADRC）进行了稳定性分析。针对ADRC中需要整定的参数较多的问题，如TD中的r、h，ESO中的??01、??02、??03和NLSEF中的??1、??2，设计了粒子群优化算法（Particle Swarm Optimization，PSO）利用群体和个体之间的协作和信息共享来全局随机搜索，寻求ADRC中的最优解。通过仿真和实验对构造的速度环一阶IADRC、位置环\速度环复合型二阶IADRC进行了分析验证，结果表明在改进的ADRC控制下舵机具有快速的响应能力，较强的抗干扰能力和较高的位置、速度跟踪精度。 4、基于观测器的复合滑模半闭环控制策略 为使滑模控制器既能快速到达滑模面又能减少系统抖振，提出了一种新型对称S型函数趋近率，并以此为基础设计了新型滑模控制器。针对速度求二阶导时外部负载被忽略的情况，设计了基于对称S型函数的扰动观测器，构建了复合速度滑模控制器，实现了扰动的前馈补偿。基于谐波传动模块对采用复合滑模控制器的舵机启动性能、抗干扰能力及位置跟踪性能进行了仿真和实验验证。结果表明基于扰动观测器的复合滑模控制有更好的启动性能和抗干扰能力，舵机位置跟踪误差小，跟踪性能好。 5、舵机智能全数字控制系统 选用高性能的STM32F4为主控芯片，完成了舵机驱动控制系统的设计。主要包括电源电路、RS485、CAN通信电路、功率器件驱动电路、三相全桥逆变电路、电流检测采样电路、位置检测电路、温度检测电路、ESP8266无线通信电路、温度、电压安全检测电路等。 6、面向舵机全方位测试的成套技术设备 为解决机器人舵机驱动器测试项目单一、整机测试手段缺乏等问题，研制了面向舵机全方位测试的成套技术设备，包括机器人舵机综合性能测试机和服务机器人小型舵机综合性能测试机，可对小型和中型关节舵机各项性能进行多方位测试，获取的丰富数据可用于舵机驱动器的性能评价、运行参数优化设置、再设计等。研制的成套技术设备可对尺寸最小为33mm15mm18.5mm、最大扭矩为0.02Nm的小型舵机进行综合性能测试。测试项包括传动精度、电参数、响应参数、机械参数，还可以对测试结果进行分析和评价，特别是传动精度、机械性能与电参数间的关联分析，为舵机优化设计提供丰富的信息。基于舵机性能测试，构建了面向功能应用的评价指标，建立了多层次、高维度、多指标信息融合的评价模型，实现了舵机的质量特性评价。 7、云计算环境下的舵机智慧监测及健康诊断决策系统 所研制的舵机内部驱动器集成了物联网专用的ESP8266模块，可以实现将舵机的工作信息通过MQTT协议上传至物联网云平台，ESP8266通过MQTT协议经Internet网络向远端发送数据，舵机中的控制器可以接收来自远端的指令控制舵机动作，实现智能控制、性能测试、云监测及健康自诊断方面的任务。研究通用云计算平台的基础服务;研究统一数据服务、资源服务、算法服务、设备管理服务等系统级服务的架构和开发;研究针对测量领域的统一测量流程控制、数据流、数据交互和存储问题。