团队主要项目成果简介
团队在高效节能电机，先进运动系统，精密伺服驱动控制系统，智能装备及低成本机器人以及前瞻性新技术新装备成果方面，均有丰富的科研产出：
1.基于先进材料的高效节能电机
（1）使用热压幅向环的高效永磁电机
目前永磁电机大多数是采用径向充磁的圆环型磁路。由于制造工艺的局限性，目前稀土永磁电机的环形磁路，基本上都是由沿直径方向作平行充磁的多片磁瓦构成。分割的数量越多，越接近幅向环磁路。但是存在漏磁较大，气隙磁场分布谐波分量较多的问题，从而影响电机的性能和效率。采用幅向充磁的多级磁环替代原来的磁瓦，能解决上述问题，获得高性能的节能电机。另外采用辐向环后能构成一些新型的磁体阵列，用于一些使用广泛的电机之上，能使电机提高性能，节省能源。这种结构比传统的只用轴向充磁构成的结构磁通密度要大1.4倍。中科院宁波材料所研究的钕铁硼纳米晶辐射取向环, 相继解决了成份、工艺、开裂和性能等难关, 性能已达到国际先进水平(45兆高奥), 是传统粉末冶金钕铁硼辐向环的两倍多。团队利用热压辐向环的独特性能创造性的研究开发了采用halbach永磁体阵列的音圈电机，音圈电机的性能比采用磁瓦的音圈电机性能提升38%。能广泛应用于激光打标机，焊线机、光刻机等半导体行业加工装备。
图1 采用热压幅向环音圈电机 图2 电机性能比较（磁瓦、烧结幅向环、热压幅向环）
（2）实用铁基非晶软磁材料的高速电主轴电机
电主轴技术将电动机与机床主轴的一体化，转子直接作机床的主轴，电动机机座作壳体，由于没有中间传动环节，又称直接传动主轴，具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点。中科院宁波材料所研发的铁基非晶合金材料,与传统的硅钢片相比,具有更薄的带材厚度、更高的电阻率及更低的磁化功率。为了改进电主轴的性能，团队将铁基非晶合金材料代替传统的硅钢片用于高速电机中,根据铁基非金合金材料的特点，选取恰当的设计参数，采用场路耦合的方法设计优化铁基非晶合金电机，在B=1.0T以下，铁基非晶合金电机定子铁耗比硅钢片定子铁耗降低55%，效率可提高10%，尤其是小功率、高速场合，其效率提高更加明显。因此，将铁基非晶合金材料用做电机的导磁材料，将大大降低电机的铁芯损耗，进而大大提高电机的效率，这为高效高速节能电机提供了一种新途径。由于铁基非晶合金材料硬度大、易碎、对机械应力非常敏感，团队通过认真研究、试验，团队已初步掌握了非晶软磁电机的制造工艺，制作成功样机。
图3 软磁高速电机部件 图4硅钢片和软磁材料损耗比较
图5 软磁高速电主轴电机
（3）使用碳纤维板动子的高速直线电机
为了提高高速直线电机的动态性能及加速度，团队将碳纤维材料用于动子支撑板，定子采用Halbach磁体阵列，提高其推力及降低推力波动，通过内置水冷和温度保护提高电机的性能和可靠性。采用合理的结构设计及电磁设计使其速度突破1m/s，加速度达到12g，精度达到2um。该类高速直线电机可应用于高速伺服机构、半导体加工设备、主动减振系统等。 团队将与半导体加工设备企业紧密合作，以速度达到1m/s，加速度为20g，精度达到1um高速直线电机为突破，首先应用于半导体加工，随之应用于高速伺服机构的高速直线电机。
图6 碳纤维动子板
图7 高速直线电机
图8 碳纤维动子板XY工作台
2. 基于直驱电机和精密控制的先进运动系统
（1）高速重载精密铣削加工中心用大推力高精度直线电机
目前，国际上最知名的机床厂家几乎都推出了直线电机直接驱动的机床产品，在部分厂家该类机床已占其总产量的1/3以上，这类机床已被广泛应用于航空、航天、汽车、军工等领域。直驱式中高档数控机床具有高速、高精、高响应等特点，据预测，未来几年，世界上将有20%-40%的数控机床采用直线电机直接驱动，而这些机床都是高档机床，因而直线电机在数控机床领域的应用极具产业化前景。目前，机床用大推力直线电机主要依赖国外进口，售价高，货期长。团队已成功研制了国内领先、具有自主知识产权的峰值推力达17022N、额定推力达10639N，重复定位精度2um的大推力直线电机，并为一家机床企业开发用于航空部件精密加工的多轴联动高速铣削加工中心的高速重载大推力直线电机，所开发电机的主要技术指标和机械接口、电气接口等，均与西门子1FN3600直线电机相同，可直接替代西门子电机。该技术已申报发明专利2项。
图9 大推力直线电机 图10 电机优化结果
（2）磁悬浮直线电机驱动高速重载金库安防门驱控系统
在长行程重载高速装备领域，通常采用旋转电机加齿轮齿条传动或带链传动的间接驱动方式实现直线运动。这种间接驱动方式传动效率、速度、使用寿命有限，存在机械磨损和机械间隙，运行平稳性不高，启动速度较慢，需要定期维护或更换传动装置。若采用直线电机直接驱动，可以省去中间机械传动环节，使系统结构更简单，速度更快，平稳性更高，从而实现直线驱动的“零传动”和“零接触”，但常规的直线电机驱动结构受制于长行程引起的加工难和安装调整难问题、以及重载高速引起的导轨高磨损问题。团队针对上述问题，提出了一种新型的磁悬浮直驱门机，并申报了国家发明专利，其结构国际首创，速度国际最快，获宁波市发明创新大赛发明创新奖，并被评为国内先进装备制造业首台（套）产品。该磁悬浮门机，门的底部悬空无任何支撑，直线电机及导轨安装在顶部，利用平板型直线电机的法向永磁吸力“浮起”900多公斤的大门从而克服门的重力，而电机产生的横向推力驱动安防门快速移动，不但解决了导轨的高磨损问题，而且提高了门的运行速度。同时，通过独特的变平面模块结构解决了加工难、安装调整难等问题。本装置使用分辨率为5微米的磁栅尺作为位置反馈信号，通过高速高精度运动控制技术，控制精度可达±15微米以上。该磁悬浮直驱门机可广泛应用于安防、海关、消防等领域的大型门机领域，也可用于其它各类长行程重载高速高精度自动化装备。
图11 磁悬浮直线电机驱动安防门
（3）大力矩直驱电机及双读头角秒级控制系统
由于力矩电机直接驱动技术，不需变速箱等机械传动机构即可实现低速、大扭矩、高转角分辨率的精密回转运动，已逐渐成为中高端制造装备的关键核心功能部件之一，对装备性能有着极为重要的影响；并且由于摒弃传动机构，可大大提高工作效率，减少能耗。目前，国外先进制造领域已通过力矩电机直接驱动技术实现了制造装备技术性能的大幅提升，而国内在大力矩直驱电机的制造及高精度控制方面与国外差距显著。团队已开发成功外转子永磁力矩电机，最大转矩4500N.m，额定转矩1800N.m，已用于某机械设备有限公司的圆编机，与使用异步电机相比节能25%以上。该电机可用于数控转台，但因外径大，市场上无如此大直径环形光栅与磁栅，位置准确测量成为难题。团队创新性使用双读头测量系统，两个磁栅读头与电机上磁栅尺作用，形成测量电机位移速度的磁栅信号，两路信号再由CPLD处理，通过辩向、细分、滤波、切换，形成稳定的一路连续信号，信号反馈给电机驱动器，实现对外转子大直径电机位置和速度的稳定精确测量，并设计优化控制系统，电机控制精度可达±1角秒，应用前景广阔。已申报发明专利1项。
图12 外转子大力矩电机 图13 圆编机应用
图14 双读头控制板 图15 双读头安装方式
3. 精密伺服驱动控制系统
（1）音圈电机、无刷直流电机伺服驱动控制器
团队研发的伺服驱动器采用模块化设计，具有串行通讯、can总线等通讯接口，软件使用模块化编程，电流、速度、位置三环全数字闭环控制，使用负反馈加前馈控制方案，加入高性能鲁棒控制、模糊逻辑加自适应前馈控制、误差补偿等技术，提高系统的鲁棒性和控制精度。另外还开发了音圈电机的伺服控制器，无刷直流电机控制器，实现团队内电机和控制系统的全方位开发能力，有利于实现技术转移和产业化。
图16 中小功率伺服驱动器 图17 音圈电机控制器
（2）用于AGV平台的基于ARM的力矩/伺服电机驱动器
此外，团队设计研发的用于AGV平台的基于ARM的力矩/伺服电机驱动器，采用磁场定向控制（FOC）算法，相较于传统电动车采用的方波控制方式具有更好的运动控制性能。结合团队所研发的AGV平台的直驱万向脚轮（Caster Wheel）及力矩电机，形成一整套AGV运动控制方案。
图18 AGV平台基于ARM力矩/伺服电机驱动器
（3）基于DSP的轻量化机器人关节驱动控制器
团队设计研发了基于DSP的轻量化机器人关节驱动控制器，采用集成化模块设计，将驱动控制系统、传感系统及电机集成一体，同时，集成高速通信接口EtherCat，使机器人的轻量化设计成为可能。在控制策略上，在传统的电流、速度、位置三环基础上加入力矩环，形成阻抗/位置控制效果，有效保障机器人运行安全问题。
图19 基于DSP的轻量化机器人关节驱动控制器
（4）系列化开关磁阻电机驱动控制系统
开关磁阻电机驱动系统（Switched Reluctance Drive 简称SRD）即开关磁阻电机调速系统兼有直流驱动与普通交流驱动的优点，譬如⑴电机结构和制造工艺简单，坚固、制造成本低；⑵ 转子上无励磁无绕组，仅由硅钢片叠压而成，可工作于极高的转速；⑶ 定子线圈为集中绕组，嵌放容易，端部尺寸短而牢固，工作可靠，能适用于各种恶劣、高温甚至强振动环境；（4）启动转矩大，启动电流小，低速性能好，无感应电动机在启动时所出现的冲击电流；（5） 能四象限运行，适用于频繁起停及正反换向运行，过载能力强，具有较理想的再生制动能力，是典型的高效节能产品。由于 SRD 具有以上突出的优点，因此，被广泛应用在交通运输、民用电动车、家用电器、通用机械、矿山机械、冶金机械、石油机械、化工机械、建材机械、纺织机械、医疗机械、食品机械、轻工机械、农、林、牧、渔业机械、航空航天、国防工业、电力工业、环保工业、娱乐业、建筑业、水力设施、伺服与调速系统、信息传输等众多领域。鉴于上述原因及其潜在的商业价值，目前团队已经开发了从几百瓦到几百千瓦的系列化小功率、中功率及大功率的开关磁阻驱动器及系统，并在纺织机械、家用电器等领域进行应用。
图20 小功率开关磁阻驱动系统
图21 中功率开关磁阻驱动系统 图22 大功率开关磁阻驱动系统
4. 推动制造业产业升级的智能装备及低成本机器人
（1）基于直线电机的高速高精度多自由度运动平台
基于直线电机的多自由度运动平台因直线电机采用直接驱动的方式，具有高速、高精度的特点，目前广泛应用于半导体封装设备、激光加工等精密制造领域。
图23 大推力直线电机XY 工作台 图24 XYTheta工作台
(2) 基于直线电机的直角坐标机器人
团队开发的直角坐标机器人主体框架采用铝合金结构，保证整体重量轻，提高各轴的加速性能。X轴驱动采用直线电机，Y轴采用自主设计的双动子轴式电机，Z轴采用电动执行器，爪子采用电动手爪，保证夹持力稳定可靠。整机的外观如图所示。该直角坐标机器人具有如下特点：1）自由度运动，每个运动自由度之间的空间夹角为直角；2）柔性控制，可重复编程，所有的运动均按设定运动轨迹运行；3）由控制系统、驱动系统、机械系统、操作工具等组成；4）灵活，多功能，通过替换操作工具实现不同功能；5）高可靠性、高速度、高精；6）可用于恶劣的环境，可长期工作，便于操作维修。
图25 直角坐标机器人样机
（3）基于直线电机及力-运动混合控制的抛光机器人
团队开发了基于直线电机进给系统的低成本抛光机器人。该机器人由轴式直线电机直接驱动抛光轮前后运动，抛光轮后端安装力传感器，通过力-运动混合控制方法实现高精度控制，确保抛光轮和物体表面恒力接触控制，可以达到很好的抛光精度。 此外，该机器人可实现进给系统上下移动，抛光轮俯仰摆头，实现对锥形曲面的上下抛光作业。
图26 用于保温杯抛光的抛光机器人样机
团队在基于直线电机进给系统抛光机器人的基础上，正在研发用于抛光的具有主动力控制的多自由度末端执行器模块，安装在现有的商用机器人上，通过这个附加的末端执行器实现机器人系统的力-运动混合控制。这种混合控制遵循宏-微控制的方法，“宏”控制指的是机器人臂的运动控制，而“微”控制指的是末端执行器的局部力控制。该末端执行器在系统中即可实现方向可调的主动力控制，又可用来补偿系统的运动误差，提高位置精度。
图27 多自由度抛光机器人
(4) 并联抓取机器人
传统的并联Delta机器人一般采用伺服电机加减速机的机构来实现平面内的运动，由于减速机构间隙的存在，会导致系统在高速运行时的精度误差，并且会引起震动，而我们团队采用了高精度的直驱力矩电机作为其驱动机构，提高了系统的精度和运动速度，减少了系统的振动。同时，团队通过分析机构的运动学和动力学算法，精确计算运行过程中电机的运行力矩并优化其轨迹，使得动态过程中电机力矩和负载严格匹配，使得系统运行更平稳。本装置采用力矩电机，控制精度可达到1角秒，往复行程1m，抓取速度 120次/min，抓取重量 1kg。并已申请相关发明专利。
图28 Delta并联机器人样机 图29 Delta机器人驱动控制系统
(5) 全向移动平台
近年，移动机器人因结构简单、移动轻便、易控制等特点受到越来越多的关注，并获得了快速发展。然而，传统的移动机器人，要么采用两轮差动驱动，具有一定的拐弯半径，不能实现直接或转向；要么采用传统的麦克纳姆轮实现全向移动，结构简单且无转弯半径限制，但与地面存在一定的滑动摩擦，不能实现重载和长期运行。团队针对该机器人研发了机械解耦的主动万向脚轮，该万向脚轮具有两个自由度，包括左右方向的主动转动和前后方向上的主动滚动；机械解耦的被动万向轮，包括左右方向的被动转动和前后方向上的被动滚动。团队研制的移动机器人采用两个主动万向轮作为驱动轮，四个被动万向轮作为辅助轮来实现平面的三自由度运动。采用基于并联机构的运动学分析方法，实现了两个主动万向轮的协调控制，进而实现了全向移动功能。该机器人可以在无需要考虑机器人转弯半径（最小转弯半径为0）的前提下，直接执行0-360°任何一个方向的运动，运动的位置控制精度小于1cm。此功能的实现以每个轮子的前后和左右滚动为基础，因此不存在任何的滑动摩擦，有利于增强轮子的寿命，能够用于重型负载的场合。
图30 万向移动脚轮 图31 全向移动机器人样机
图32 全向移动机器人参加第十六届中国国际工业博览会现场
5. 机器人智能感知技术
创新团队在基于视觉的智能检测与伺服技术研究方面，经过长期的积累（包括海内外的科研经历）与发展，已在工业部件检测，全向移动平台导航，臂式工业机器人控制等领域取得了长足的进步。目前团队在工业检测方面，成功开发了薄壁保温杯体焊缝检测系统，在全向移动AGV导航方面，开发了基于二维码与导航带并行控制车体算法，在工业机器人手眼结合方面，研发了工业机器人的直觉示教系统。具体如下：
（1）视觉工业检测
作为关系生产行业升级转型，提高劳动生产率，落实机器换人政策，视觉检测必然成为一种广泛使用技术。团队在与浙江永康市哈尔斯真空器皿有限公司合作中，针对工厂在特殊加工抛光工艺所产生的粉尘、噪声等实际问题，开发一套焊缝智能检测与抛光系统。该系统通过氩弧焊产生贯穿性焊缝的形貌特点，提出基于Laws纹理能量的焊缝重描述。有效的解决了焊缝识别问题，为减员增效提供智力支持。
图33 基于视觉的工业检测
（2）全向移动机器人视觉导航
全向移动机器人与传统的两自由度移动机器人在运动特征上有着本质的区别。前者可以在室内地面环境下实现任意轨迹的三自由度平面运动，如侧行和原地转向；而后者则只可以实现耦合的平面运动，不能实现任意的三自由度轨迹的平面运动，如无法实现侧行。在此基础上，创新团队有针对性的开发了基于QR码与导航带相结合的机器人视觉导航系统。利用二维码的信息贮存，将坐标或标签信息融入其中，使得移动机器人在运动过程中具有指导标示。另外，通过基于欧拉数的QR码方向确定技术，可以获取车体与全局坐标的角度偏差，从而对车体位姿进行校正。而在二维码之间，利用导航带纠偏方式，计算偏差角实现实时结构性导航。
图34 基于QR码车体导航
（3）直觉示教
将工业机器人与机器视觉相结合产生具有伺服功能的操作平台是新时期制造业转型升级的需要。非接触传感器因具有作用距离长，测量精度高，采样实时性好等特点被人们用于伺服控制。视觉伺服中的示教问题是基于这种相机传感器来对机器人动作进行规范，学习，再现的过程。团队对基于机器视觉的直觉示教问题进行了广泛而深入的研究，系统的解决和实现工业相机标定，校正，转换问题，完成了人机交互操作任务，使得任务可见性与复现性达到一定水平。目前，团队成员已经针对性研发出了具有示教功能的人机界面和匹配技术，完成了机器人基于视觉传感器的抓取，跟踪，配准等功能，并在该方面技术研发上具有一定水平的技术积累。
图35 工业机器人直觉示教系统