科研速递 | 理工学院林天麟教授团队在IEEE T-RO发表论文，提出一种驱动集成球形齿轮机构
近日，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发表题为“DISG: Driving-Integrated Spherical Gear Enables Singularity-Free Full-Range Joint Motion”的论文。理工学院博士研究生梁冠琪为论文第一作者，林天麟教授为论文独立通讯作者。
论文提出了一种驱动集成球形齿轮（DISG，Driving-Integrated Spherical Gear），可以实现两个球形齿轮之间的全球面啮合和可驱，形成灵巧的多自由度滚动接触关节。通过对DISG的运动学进行深入分析，论文验证了基于DISG的灵巧关节具有良好的运动学特性，包括无奇异和全范围工作空间。
论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10266738
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期刊介绍
IEEE Transactions on Robotics是IEEE创办的机器人领域顶级学术期刊，代表了机器人领域最先进的重大进展，内容涵盖理论、设计、实验研究、分析、算法、集成及应用案例研究等多方面前沿内容，要求论文在理论和工程效果上同时推动机器人学的发展。
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研究背景
近年来，机器人领域对灵巧关节的兴趣日益增加，特别是球形齿轮引起了广泛关注。球形齿轮是传统平面齿轮的三维拓展，它具有多个旋转自由度，能够改变空间方向，在实现多自由度单关节方面具有巨大的潜力和优势。然而，迄今为止，球形齿轮的研究主要集中在被动齿轮的齿设计上，而现有的基于球形齿轮的传动机构在灵巧性和运动范围方面仍有待提升。本文介绍了一种新型的驱动集成球形齿轮（DISG），它能够实现两个球形齿轮之间的全球面啮合并提供可驱动功能，从而实现了灵巧的多自由度滚动接触关节。本文对DISG进行了运动学分析，并进行了一系列原型实验验证。结果表明，DISG具有良好的运动学特性，包括无奇异点和全范围的工作空间。与其他关节执行器相比，DISG在灵巧性、运动范围、紧凑性和轻量化方面都表现出显著的优势。
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研究内容
本文提出了一种可以在全球面啮合和可驱的球形齿轮结构，由分别允许在经度方向和纬度方向上啮合的球形齿轮组合而成。提出的球形齿轮设计具有相同的基模数、基齿数以及彼此相切的节球。对于经度方向啮合的两个共轭球形齿轮副，首先根据基模数和基齿数确定平面齿轮的齿廓，然后分别以齿峰和齿谷的轴线作为旋转投影轴线来旋转平面齿轮轮廓得到。对于纬度方向啮合的共轭球形齿轮副，它们都是由具有不同交轴角的曲锥齿轮组合而成。每个锥齿轮的节圆直径与其纬度相关。通过对这两组共轭球形齿轮副的正交组合，可以得到在全球面啮合和驱动球形齿轮结构。
进一步地，本文提出了一种实现全向内部驱动的机构，与前述球形齿轮表面结合形成了DISG，从而实现了主动多自由度空间传动。全向内部驱动器包括一个主动驱动磁体和一个被动跟随磁体，它们之间跨球形齿轮建立磁性连接。主动驱动磁体是一个全向小车，其底部搭载永磁体。主动驱动磁体可通过直流电机控制两个主动轮，以在切向平面内产生速度。两个主动轮的耦合使得全向小车在球体内可以实现沿切向平面的任何方向平移速度。被动跟随磁铁是另一个永磁体，能够在球壳内以低摩擦力自由滑动。由于磁力的作用，被动跟随磁体可以灵活地跟随主动驱动磁体，实现了两个球形齿轮之间的自由连接。值得一提的是，通过调整被动跟随磁体的尺寸和强度，还可以进一步增强DISG的强度和扭矩。
DISG由磁性机构跨两个啮合的球形齿轮组成。啮合齿形确保了球体之间的滚动而不滑动，这在两个球形齿轮之间实现了一个灵巧的滚动接触关节驱动器。基于DISG的关节可以在任何构型下实现全向旋转，其旋转中心会随着关节构型在球面上的变化而变化。通过运动学分析和一系列原型机实验验证，结果表明DISG具有无奇异和全范围工作空间的运动学特性。与其他关节执行器相比，DISG在灵巧性、运动范围、紧凑性和轻量化方面都表现出显著的优势。
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研究结论
本文介绍了一种驱动集成球形齿轮DISG，它能够实现两个球形齿轮之间的全球面啮合和可驱，从而实现多自由度的滚动接触关节。理论和实验结果共同表明，DISG在灵巧性、运动范围、紧凑性和轻量化方面都表现出显著的优势。未来，研究团队计划开展面向DISG的编码器研究，并通过改进材料和加工方法来增强制造工艺，力求将DISG发展成一个集成的、高性能的灵巧关节。
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作者简介
本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院/机器人与智能制造国家地方联合工程实验室常务副主任林天麟教授。
林天麟，香港中文大学（深圳）助理教授，博士生导师，广东省杰出青年基金获得者，IEEE高级会员，担任机器人与智能制造国家地方联合工程实验室常务副主任、深圳市人工智能与机器人研究院中心主任。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。研究方向包括模块化机器人、多机器人系统及特种机器人等。林教授至今在T-RO、TPAMI、TIP、TMECH、ICRA、IROS等知名期刊及会议发表论文100余篇，其中2023年以独立通讯作者身份在T-RO发表论文5篇；获TMECH年度最佳论文奖，IROS机器人机构设计最佳论文奖；作为项目负责人，主持国家自然科学基金委、国家科技部、广东省科技厅、深圳市科创委的多项科研项目；相关研究成果被路透社、探索频道、日本放送协会NHK、IEEE Spectrum等众多国际知名媒体报导。
本文其他作者包括香港中文大学（深圳）在读博士生梁冠琪、西北工业大学副教授宗立军。
梁冠琪，香港中文大学（深圳）在读博士生，研究方向为模块化机器人。以第一作者身份，在T-RO、ICRA、IROS等期刊及会议上发表论文，获IROS机器人机构设计最佳论文奖；两次入选AIRS卓越博士生计划。他是IJRR、T-RO、JFR等多个期刊及会议的受邀审稿人。
宗立军，西北工业大学副教授，原香港中文大学（深圳）博士后，从事航空宇航智能机器人研究。以第一作者身份在T-RO、TAES等SCI期刊上发表论文10余篇，授权发明专利8项，出版学术专著1部；入选中国科协青年人才托举工程（2023）。
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团队介绍
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；承担来自国家自然科学基金委、国家科技部、广东省科技厅、深圳市科创委等多项重要研究项目；科研成果发表于T-RO、TPAMI、TIP、TMECH、ICRA、IROS等机器人与人工智能领域的国际期刊和会议上，其中2023年在T-RO发表论文5篇。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，IEEE Spectrum、日本放送协会NHK和Engadget 等多家国际知名媒体对其进行了广泛报道。
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团队主页：
https://freeformrobotics.org
团队B站：
CUHKSZ-RAIL
* 相关论文信息由论文作者提供
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