科研速递 | 理工学院林天麟教授团队在IEEE Transactions on Robotics上发表文章

原创 SSE 香港中文大学深圳SSE

摘要

近日，香港中文大学（深圳）理工学院林天麟教授团队在机器人领域顶级期刊 IEEE Transactions on Robotics发表以“Kinematics Modeling and Control of Spherical Rolling Contact Joint and Manipulator”为题的文章。

该工作首次提出了一种两自由度球形滚动点接触（SRC）机器人关节并提出其运动学模型、运动规划与控制方法；基于课题组前期提出的模块化自由重构机器人FreeBOT实现了相应的机械臂应用，证明了提出的SRC关节能有效带来扩大构型空间、狭窄空间内躲避障碍物等优点。

期刊简介

IEEE Transactions on Robotics为机器人学领域公认的三大顶级期刊之一（T-RO / IJRR / Sci. Rob.），平均每年全球发文量约100篇，代表了机器人领域最先进的重大进展，要求论文在理论和工程效果上同时推动机器人学的发展。

研究背景

滚动点接触运动（rolling contact motion）具有减小磨料磨损、扩大构型空间、简化控制器设计等优点，广泛存在于球形机器人、多指机器人手、和机械臂关节等运动中。然而，目前只提出了1-DOF的圆形滚动点接触（CRC）关节，近两年尤其吸引了微创手术机器人研究的广泛兴趣。本工作在机器人领域首次提出了2-DOF球形滚动点接触（SRC）关节，并与教材中其他经典关节（如旋转关节）类似，建立了SRC关节所有的模型要素；同时提出SRC关节机械臂，并系统完整地建立其运动学方程，具有在狭窄空间内躲避障碍物等优点。本课题组同样提出了一种无约束连续自由连接的模块化自重构机器人（FreeBOT），本工作提出了FreeBOT的运动规划与控制方法，利用FreeBOT实现了SRC关节和机械臂的运动控制。相关的运动方程和控制方法同样适用于FreeBOT的链式自重构运动。

研究方法

本工作引入两个滚动点接触运动球之间的虚拟切平面概念（如图1），以四元数、轴-角表示简洁地描述了SRC关节的运动，与教材中其他经典关节（如旋转关节）类似，建立了SRC关节所有的模型要素，包括旋转矩阵、位置向量、自由模态等。基于SRC关节模型和阻尼最小二乘法等，系统规范地建立了SRC关节的正逆运动学方程。

图1 SRC关节及其切平面、轴角姿态表示示意图（左）；SRC关节机械臂示意图（右）

本工作以改进的模块化自由重构机器人FreeBOT实现SRC关节和机械臂的运动，如图2所示。差分轮驱动小车使两个铁球壳发生2-DOF球形滚动点接触运动，小车底端的磁铁提供吸引使得模块间不分离。

图2 FreeBOT组成示意图：球壳、差分轮小车、底端磁铁（左）；FreeBOT形成SRC关节机械臂（右）

本工作分别提出了FreeBOT差分轮小车沿球壳内壁前进与转向独立和前进与转向耦合的运动规划与控制方法（如图3），前进与转向独立的方法更容易实现，保证了FreeBOT可靠地运动，能够广泛地用于实现SRC关节机械臂点到点的运动；前进与转向耦合的方法保证了SRC关节机械臂的高动态性能，可以广泛地用于SRC关节机械臂的轨迹跟踪与实时躲避障碍物运动。

图3 FreeBOT运动规划与控制框架图

本项目基于物理仿真引擎搭建了SRC关节机械臂的仿真环境，真实模拟了SRC关节机械臂的物理运动，同时使用FreeBOT搭建了SRC关节机械臂的实物系统。在仿真系统和实物上验证了SRC关节和机械臂的运动模型以及FreeBOT的运动规划与控制方法（如图4、图5），在SRC关节机械臂的点到点运动中，机械臂末端执行器的运动精度达到位姿同时控制时位置误差小于4mm，姿态误差小于1.5°；同时仿真验证了在狭窄空间内，SRC关节机械臂能够实时地躲避障碍物，并且机械臂末端执行器高精度地到达期望位姿。

图4 SRC关节机械臂点到点运动，末端执行器同时到达期望位姿

图5 SRC关节机械臂狭窄空间内实时躲避障碍物，同时末端执行器到达期望位姿

研究结论

该工作在机器人领域首次提出了一种两自由度球形滚动点接触（SRC）机器人关节，并形成此类型关节机械臂，具有减小磨料磨损、扩大构型空间、狭窄空间内躲避障碍物等优点，系统完整地建立了关节和机械臂的运动模型；使用课题组提出的模块化自由重构机器人FreeBOT实现了关节和机械臂运动，包括提出了FreeBOT的运动规划与控制方法，并在搭建的一套基于物理引擎的仿真系统和实物实验中验证了关节和机械臂的良好性能。

原文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/9858332

作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）助理教授林天麟。

林天麟，IEEE高级会员，香港中文大学（深圳）助理教授，博士生导师，校长青年学者，担任机器人与智能制造国家地方联合工程实验室执行副主任，及深圳市人工智能与机器人研究院(AIRS)智能机器人中心主任。师从徐扬生院士，分别于2006年和2010年在香港中文大学获得一等荣誉学士学位和博士学位。研究方向包括多机器人系统，特种机器人及人机协作等。以第一/通讯作者，在T-RO、T-IP、T-MECH、J-FR、RA-L等顶尖期刊和ICRA、IROS等顶级会议上发表论文43篇，授权美国专利3项及国家发明专利34项，出版英文专著2部。以第一作者获IEEE/ASME Transactions on Mechatronics期刊年度最佳论文奖，以通讯作者获IROS机器人机构设计最佳论文奖。组织并主持了国内首个模块化自重构机器人领域学术系列讲座，邀请T-RO主编、Science编委、国家杰青等海内外知名学者做学术报告，累计在线听众逾4万人。林教授的相关研究成果被路透社、探索频道、日本放送协会NHK、IEEE Spectrum、Wired等众多国际知名媒体广泛报导。

本文其他作者包括香港中文大学（深圳）博士后研究员宗立军、香港中文大学（深圳）在读博士生梁冠琪。

宗立军博士毕业于西北工业大学，本科毕业于北京理工大学，于2016.10-2018.09在加拿大多伦多大学进行博士联合培养。目前以第一作者在IEEE Transactions on Robotics、IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems等期刊上发表论文10余篇，出版学术专著1部，主持国家重点实验室基金1项，授权发明专利8项。

梁冠琪，香港中文大学（深圳）在读博士生，研究方向为模块化自重构机器人，相关论文发表于T-RO、RA-L、ICRA、IROS等机器人领域期刊及会议上，曾获得IROS机器人机构设计最佳论文奖、深圳市人工智能与机器人研究院（AIRS）卓越博士生。

团队简介

Freeform Robotics团队成立于2019年，由香港中文大学（深圳）林天麟教授领导，旨在研究多机器人系统自由组成各种形态以解决不可预知问题的关键技术，通过简单智能体的集群实现复杂的智能群体行为，让机器人系统拥有可复用、自由构型、可拓展、故障自修复等通用特性，为机器人设计领域创造出一种全新切实可行的实现形态。

团队长期从事机器人和人工智能研究，开发了十余种机器人和智能系统。在承担国家科研项目方面经验丰富，获得了国家自然科学基金面上项目、国家科技部 “智能机器人”重点研发计划项目等多项纵向项目资助。科研成果发表于T-RO、T-IP、T-MECH、RA-L、ICRA、IROS等机器人与自动化领域的国际顶级期刊和会议上。关于FreeBOT的研究成果获2020年IROS机器人机构与设计最佳论文奖，包括IEEE Spectrum、日本放送协会NHK和Engadget在内的多家国际知名媒体对其进行了广泛报道。