兩自由度直驅(qū)電機(jī)

兩自由度電機(jī)的電磁耦合是指電機(jī)定子繞組同時(shí)參與輸出軸兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)的形成。兩自由度的運(yùn)動(dòng)耦合是指兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)相互之間不獨(dú)立，電機(jī)輸出軸一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變對(duì)另一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生改變。

兩自由度電機(jī)按照電磁與運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系分為以下四類:既有電磁耦合又有運(yùn)動(dòng)耦合、存在電磁耦合不存在運(yùn)動(dòng)耦合、存在運(yùn)動(dòng)耦合不存在電磁耦合與電磁耦合與運(yùn)動(dòng)耦合都不存在。兩自由度電機(jī)耦合關(guān)系分類的不同，它們的控制方法也不盡相同。四種類型兩自由度電機(jī)的控制方法分析如下 。

既存在電磁藕合又存在運(yùn)動(dòng)藕合的兩自由度電機(jī)控制策略分析

這一類兩自由度電機(jī)由于存在電磁耦合和運(yùn)動(dòng)耦合的問(wèn)題，需要對(duì)電磁關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行解禍。對(duì)其控制一般分一下幾個(gè)步驟:首先要對(duì)兩自由度電機(jī)的電磁關(guān)系進(jìn)行解禍，將其等效成兩個(gè)單自由度電機(jī)數(shù)學(xué)模型;然后建立在D-H坐標(biāo)系(桿坐標(biāo)系)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過(guò)推導(dǎo)兩自由度電機(jī)的速度雅可比矩陣和偽矩陣，建立了電機(jī)輸出軸在直角坐標(biāo)空間的廣義速度與各自由度轉(zhuǎn)角和角速度之間的關(guān)系;通過(guò)建立了直角坐標(biāo)中描述的廣義速度與各自由度轉(zhuǎn)角的角速度之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩自由度電機(jī)有速度要求的軌跡控制。

存在電磁藕合不存在運(yùn)動(dòng)藕合的兩自由度電機(jī)控制策略分析

存在電磁耦合不存在運(yùn)動(dòng)耦合的兩自由度電機(jī)省去了對(duì)運(yùn)動(dòng)耦合的解禍過(guò)程。兩自由度電機(jī)需要先對(duì)兩個(gè)自由度的電磁關(guān)系進(jìn)行解禍將其等效成兩個(gè)單自由度電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)單自由度的速度或者角度的直接控制，然后通過(guò)對(duì)兩個(gè)單自由度的運(yùn)動(dòng)量進(jìn)行協(xié)調(diào)，從而獲得所需要的電機(jī)運(yùn)動(dòng)軌跡。由于客觀上的電磁耦合，雖然可以等效把電磁關(guān)系解禍，但最終兩自由度電機(jī)的單自由度運(yùn)動(dòng)量之間存在固有的聯(lián)系。

不存在電磁藕合但存在運(yùn)動(dòng)藕合的兩自由度電機(jī)控制策略分析

這一類兩自由度電機(jī)不存在電磁耦合，因此不需要對(duì)電磁關(guān)系進(jìn)行解禍，因此從本體上看兩自由度電機(jī)可以看成兩個(gè)單自由度電機(jī)的集成。它能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)單自由度的運(yùn)動(dòng)量比如角度速度的直接控制。由于存在運(yùn)動(dòng)耦合，所以需要建立其在D-H坐標(biāo)系(桿坐標(biāo)系)下的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，需要推導(dǎo)其速度雅可比矩陣和偽矩陣，來(lái)建立了電機(jī)輸出軸在直角坐標(biāo)空間的廣義速度與各自由度轉(zhuǎn)角和角速度之間的關(guān)系。這類兩自由度電機(jī)通過(guò)建立直接獨(dú)立控制兩個(gè)自由度的速度或角度與輸出軸廣義的速度直接的關(guān)系可以實(shí)現(xiàn)有速度要求的軌跡控制。

既不存在電磁藕合也不存在運(yùn)動(dòng)藕合的兩自由度電機(jī)控制策略分析

這一類兩自由度電機(jī)不存在電磁耦合和運(yùn)動(dòng)耦合，其在電磁關(guān)系和控制上都能等效成成兩個(gè)各單自由度電機(jī)。直接建立兩單自由度電機(jī)的數(shù)學(xué)模型和在直角坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程，根據(jù)輸出軸運(yùn)動(dòng)的要求對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行合成或者分解，通過(guò)對(duì)兩個(gè)單自由度電機(jī)的協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)兩自由度電機(jī)輸出設(shè)想的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于兩個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的形成相對(duì)獨(dú)立，可以將普通單自由度電機(jī)的控制策略應(yīng)用到兩自由度電機(jī)控制中，比如矢量控制、智能控制等。由于對(duì)各個(gè)自由度的速度都能進(jìn)行獨(dú)立控制，因此這一類兩自由度電機(jī)的控制性能更好，能實(shí)現(xiàn)高精度的速度和軌跡控制。

由于兩自由度電機(jī)是將兩種不同運(yùn)動(dòng)形式和兩套運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生源集成到一套系統(tǒng)中，因此兩自由度電機(jī)和通常單自由度電機(jī)相比有許多不同的特征，因此可以預(yù)見(jiàn)以下這些方而將成為兩自由度電機(jī)發(fā)展的研究熱點(diǎn)。

1)就是開(kāi)發(fā)新結(jié)構(gòu)新原理的兩自由度電機(jī)。由于工業(yè)應(yīng)用方而的拓展，使用環(huán)境和應(yīng)用要求不斷變化，現(xiàn)有的兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)可能不能滿足要求，因此需要根據(jù)環(huán)境性能需要，繼續(xù)研發(fā)具有新結(jié)構(gòu)和新原理的兩自由度電機(jī) 。

2)就是要對(duì)已有的電機(jī)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。和傳統(tǒng)電機(jī)一樣，對(duì)兩自由度電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，可以使電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，提高電機(jī)的機(jī)械集成度及材料的利用率，擴(kuò)大動(dòng)子的偏轉(zhuǎn)范圍，簡(jiǎn)化支撐結(jié)構(gòu)，減輕重量，減小體積。另外，還可以通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)簡(jiǎn)化各自由度之間的電磁及力學(xué)耦合關(guān)系，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3)兩自由度電機(jī)電磁場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題。電磁場(chǎng)的計(jì)算問(wèn)題是兩自由度電機(jī)控制的理論基礎(chǔ)。由于兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)的特殊性，其磁場(chǎng)具有邊界條件復(fù)雜、各向異性、非線性、端部效應(yīng)的問(wèn)題，而且兩自由度電機(jī)的電磁場(chǎng)大都是典型的三維場(chǎng)，很難使用二維場(chǎng)來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此兩自由度電機(jī)電磁場(chǎng)的分析計(jì)算問(wèn)題是此種電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)部分。

4)耦合問(wèn)題。由于兩自由度電機(jī)是將兩種不同的電機(jī)系統(tǒng)融合到一個(gè)系統(tǒng)中，因此其電磁和運(yùn)動(dòng)都有耦合的可能。如何定量地分析這些耦合關(guān)系及其對(duì)電機(jī)性能的影響，以及如何消除這些不良影響，是多自由度電動(dòng)機(jī)研究中待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

5)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。由于多自由度電動(dòng)機(jī)自身的特點(diǎn)，各自由度之間除了存在電磁耦合之外還存在著十分復(fù)雜的力學(xué)耦合關(guān)系，這是多自由度電動(dòng)機(jī)難以控制的重要原因之一，因此必須根據(jù)電機(jī)的具體結(jié)構(gòu)，建立準(zhǔn)確的力學(xué)模型，深入分析各自由度之間的耦合關(guān)系，研究力學(xué)解禍控制策略，以提高電機(jī)的動(dòng)靜態(tài)性能及穩(wěn)定性。因此需要根據(jù)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立其運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，確立其輸出軸的運(yùn)動(dòng)軌跡控制策略。

6)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究。多自由度電動(dòng)機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)不僅要對(duì)各自由度的角位移、速度、加速度及輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行檢測(cè)，還要進(jìn)行各自由度之間的解禍計(jì)算、軌跡規(guī)劃，因此有必要研制適合于多自由度電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的專用控制元器件并開(kāi)發(fā)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

由于看到了兩自由度電機(jī)的優(yōu)越性，各國(guó)研究人員加大了對(duì)多自由度電機(jī)的研究力度。隨著多自由電機(jī)理論的不斷完善，制約多自由電機(jī)發(fā)展的以上技術(shù)瓶頸正不斷被打破?？梢灶A(yù)見(jiàn)，在不久的將來(lái)，兩自由度電機(jī)一定能夠得到廣泛應(yīng)用。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)具有直接驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)，即不需要中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載作直線、旋轉(zhuǎn)或螺旋運(yùn)動(dòng)，大大減小設(shè)備體積，顯著提高效率。兩自由度直驅(qū)電機(jī)在需要復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力系統(tǒng)如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雕刻機(jī)、汽車生產(chǎn)線、攪拌機(jī)、球形閥等設(shè)備中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景，受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前典型的兩自由度直驅(qū)電機(jī)大都屬于感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)或磁阻電機(jī)類型。設(shè)計(jì)理論采用“場(chǎng)化路”的解析法或有限元法，建立數(shù)學(xué)模型以及求解電磁場(chǎng)方程分析。 通過(guò)參考國(guó)內(nèi)外最新 ，分析了兩自由度直驅(qū)電機(jī)的設(shè)計(jì)理論、控制方法和應(yīng)用技術(shù)等方而的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況，針對(duì)現(xiàn)有兩自由度電機(jī)技術(shù)，介紹了一種新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點(diǎn)，討論了未來(lái)兩自由度直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展方向 。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)是一種無(wú)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的新型電機(jī)，這種電機(jī)可以分別做直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及兩者合成的螺旋運(yùn)動(dòng)。它具有機(jī)械集成度高，電機(jī)結(jié)構(gòu)材料和驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高等優(yōu)點(diǎn)，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。目前兩自由度的驅(qū)動(dòng)技術(shù)多采用兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)以及中間傳動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。但是由于中間機(jī)構(gòu)的存在，使得系統(tǒng)控制方式復(fù)雜，系統(tǒng)體積大零部件多維護(hù)量大、價(jià)格昂貴，而且中間傳動(dòng)裝置需要承受較大的軸向力，易出現(xiàn)磨損嚴(yán)重使系統(tǒng)可靠性降低的問(wèn)題。在兩自由度機(jī)械系統(tǒng)中，采用一臺(tái)兩自由度電機(jī)來(lái)代替兩個(gè)或多個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)及傳動(dòng)裝置，可以大大簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小體積及重量，從而提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)靜態(tài)性能。因此兩自由度直驅(qū)電機(jī)可廣泛用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、攝像操作臺(tái)、雕刻機(jī)、汽車生產(chǎn)線、攪拌機(jī)、球形閥等設(shè)備上，具有廣泛的應(yīng)用前景。

一種直驅(qū)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)被應(yīng)用于具有 AMT和DCT的汽車變速裝置以更利于齒輪切換;將一種旋轉(zhuǎn)一直線驅(qū)動(dòng)器用于雙功能輪驅(qū)裝置;介紹了交流伺服電機(jī)和直線感應(yīng)伺服電機(jī)在混合質(zhì)量阻尼器中的應(yīng)用;提出了一種旋轉(zhuǎn)一直線及直線一旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器;多自由度機(jī)器人在摩天大樓護(hù)墻上的應(yīng)用;在機(jī)器人領(lǐng)域，使用柔順連接可以顯著提高系統(tǒng)性能。以上都是多自由度驅(qū)動(dòng)裝置的典型應(yīng)用。

兩自由度電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機(jī)理分析、磁場(chǎng)分析、有限元建模及特性分析、運(yùn)動(dòng)控制等一系列新問(wèn)題都會(huì)形成新的研究方向，進(jìn)一步拓展電機(jī)學(xué)科的研究范圍，因此兩自由度電機(jī)的研究既具有實(shí)際意義，又還具有很高的理論意義，已成為電機(jī)學(xué)科發(fā)展的新前沿。

20世紀(jì)50年代初，為了改善感應(yīng)電機(jī)的調(diào)速哇能，英國(guó)的威廉姆斯等人研制出了一種變速球形感應(yīng)電機(jī)，這種電機(jī)的定轉(zhuǎn)子都可以動(dòng)，是有記載的最早的多自由度電機(jī)。早期由于電機(jī)理論的不完善，再加上機(jī)械制造水平的限制，多自由電機(jī)遇到很多難題，可靠性差尤甚。直到20世紀(jì)70, 80年代載人航天、機(jī)器人等技術(shù)的發(fā)展直接激發(fā)了多自由度電機(jī)的發(fā)展，特別是以新材料微電子技術(shù)為代表的第三次科學(xué)技術(shù)革命的開(kāi)展，為多自由度電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造和電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了有利的條件。作為一種匯聚電機(jī)本體結(jié)構(gòu)、電源驅(qū)動(dòng)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，各國(guó)研究人員對(duì)多自由度電機(jī)的開(kāi)發(fā)和研制方興未艾。目前的兩自由度直驅(qū)電機(jī)按原理可分為感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)與磁阻電機(jī)。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)國(guó)外研究現(xiàn)狀

1感應(yīng)電機(jī)

螺旋運(yùn)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)是兩自由度的最常見(jiàn)的電機(jī)，它能夠產(chǎn)生純的直線運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及螺旋運(yùn)動(dòng)。螺旋電機(jī)，定子采用螺旋形三相繞組嵌入由六個(gè)軸向疊片組構(gòu)成的定子鐵心的斜槽中，動(dòng)子采用各向同性的圓柱體的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，也就是在鐵磁軸上套上一定厚度的銅套筒。當(dāng)三相螺旋定子繞組通電后將產(chǎn)生螺旋形磁場(chǎng)，由于感應(yīng)電機(jī)的原理，動(dòng)子將同時(shí)在軸向和周向受到力作用。采用場(chǎng)論的分析方法對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行分析，首先建立其氣隙和次級(jí)邊界的場(chǎng)坐標(biāo)，然后對(duì)磁矢位進(jìn)行求解 。

2永磁電機(jī)

永磁同步旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)，這種電機(jī)由一對(duì)相同的圓筒形定子沿相同的軸心端對(duì)端對(duì)齊，同樣也是筒形的轉(zhuǎn)子沿同一軸心置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部，定子部分同轉(zhuǎn)子一起置于一個(gè)通過(guò)適當(dāng)旋轉(zhuǎn)直線軸承支撐的機(jī)械結(jié)構(gòu)中。定子部分包括鐵心和線圈，鐵心在宏觀上是各向同性并且具有半封閉的槽。轉(zhuǎn)子包括鐵心和2p個(gè)永磁體(永磁體的個(gè)數(shù)等于定子繞組的極數(shù))，永磁體是凹形圓柱狀扇形體，并在軸向方向具有統(tǒng)一的磁場(chǎng)強(qiáng)度。永磁體對(duì)稱地貼到鐵心上而。永磁體的有效長(zhǎng)度等于定子鐵心的有效長(zhǎng)度加上定子間距。

圓柱狀Halbacb陣列結(jié)構(gòu)的永磁旋轉(zhuǎn)直線電機(jī)，它的設(shè)計(jì)思路是為了獲得軸向的推力和切向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，需要在不同方向上建立兩種氣隙磁場(chǎng)。因此它采用了空心的動(dòng)子結(jié)構(gòu)，在空心動(dòng)子的內(nèi)壁和外壁均設(shè)置定子，外部的各向同性三相定子產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，內(nèi)部裝載有兩個(gè)環(huán)形線圈的定子用來(lái)產(chǎn)生軸向力。動(dòng)子由圓筒形鐵心和粘貼在鐵心內(nèi)外的Hallbach永磁陣列組成，在鐵心外側(cè)的永磁體和一般的無(wú)刷式電機(jī)相似，而鐵心內(nèi)部的永磁體則和音圈電機(jī)類似。

3磁阻電機(jī)

磁阻電機(jī)定子開(kāi)槽為螺旋形，可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。定子繞組供電電流由低頻和高頻電流疊加生成，低頻電流通過(guò)繞組主要產(chǎn)生軸向磁阻推力，而高頻電流由于感應(yīng)原理產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。眾所周知，電流頻率越高，鐵心的渦流損耗越大，因此它的缺點(diǎn)是產(chǎn)生較大渦流，而且控制轉(zhuǎn)矩推力較為困難。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)多自由度電動(dòng)機(jī)的研究始于20世紀(jì)80年代后期，起步雖然較晚，但國(guó)家有關(guān)部門(mén)非常重視，863計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金都資助過(guò)多自由度電動(dòng)機(jī)方而的研究。西北工業(yè)大學(xué)、華中理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和浙江大學(xué)等高校在認(rèn)真總結(jié)國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，研制出了各自的多自由度電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的研究。

浙江大學(xué)研制出了一種正交結(jié)構(gòu)的二自由度電機(jī)，這種電機(jī)由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)組成，其原理如圖10所示。軸1定為擠由方向，軸5定為x軸方向。內(nèi)層電機(jī)繞由旋轉(zhuǎn)，外層電機(jī)繞x軸擺動(dòng)，兩電機(jī)軸在空間上相互垂直，從而實(shí)現(xiàn)兩自由度運(yùn)動(dòng)。圖10中1為固定軸，2是輸出軸，電機(jī)的工作是由兩套獨(dú)立的極組來(lái)共同完成的。如圖10所見(jiàn)，依靠固定永磁極3與可移動(dòng)電磁鐵4，外層電機(jī)軸2可發(fā)生以5為軸心的左右偏移，所以輸出軸可以繞x軸擺動(dòng)。由圖10可見(jiàn)，當(dāng)軸1為固定時(shí)，電磁極6也是不動(dòng)的，則將使原來(lái)裝有永磁極7的圓環(huán)8轉(zhuǎn)動(dòng)，即內(nèi)層電機(jī)實(shí)現(xiàn)繞擠由的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。8與9以及框架10. 5都是固定在一起的。這樣，便可使輸出軸2繞z}由方向旋轉(zhuǎn)，再加上對(duì)x軸的偏移，就可以使輸出軸在空間上實(shí)現(xiàn)二自由度的運(yùn)動(dòng)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國(guó)家863計(jì)劃資助下研制出了正交圓柱體結(jié)構(gòu)二自由度電動(dòng)機(jī)樣機(jī)。該電機(jī)由定子、可動(dòng)子、轉(zhuǎn)子、一對(duì)x向軸承、一對(duì)x向端蓋、一對(duì):向軸承、一對(duì)z向端蓋組成。電機(jī)的定子由硅鋼片疊壓制成，內(nèi)側(cè)圓周上均勻布置一些齒和槽，槽內(nèi)設(shè)置兩相定子勵(lì)磁繞組。電機(jī)的轉(zhuǎn)子由輸出軸和兩段鐵心組成，兩段鐵心上分別均勻布置若干小齒，兩段鐵心相互錯(cuò)開(kāi)1/2齒距。電機(jī)的可動(dòng)子由永磁體及其兩側(cè)的兩段鐵心組成，永磁體采用高矯頑力、高磁能積、易于加工的欽鐵硼材料，Z由方向充磁。由于永磁體的作用，可動(dòng)子外側(cè)4個(gè)齒呈N. S. S. N規(guī)律分布。可動(dòng)子內(nèi)側(cè)沿圓周分布4對(duì)極，每個(gè)極上有若干小齒，極間槽內(nèi)設(shè)置兩相勵(lì)磁繞組。轉(zhuǎn)子鐵心和可動(dòng)子鐵心與定子鐵心一樣均由硅鋼片疊壓制成 。

以上學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究工作，所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)存在以下特點(diǎn):

1）直線一旋轉(zhuǎn)兩自由度運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)源最簡(jiǎn)單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)與圓筒直線電機(jī)沿軸向串聯(lián)布置，其整體結(jié)構(gòu)軸向長(zhǎng)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、需要機(jī)械聯(lián)接部件多、維修不便。

2)定子采用螺旋繞組，鼠籠條采用螺旋狀，電機(jī)轉(zhuǎn)子做螺旋運(yùn)動(dòng)，定子開(kāi)螺旋齒槽、繞組采用螺旋布置、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條采用螺旋狀，存在加工量大，機(jī)械工藝要求苛刻。

3)采用內(nèi)外定子的永磁電機(jī)或感應(yīng)電機(jī)，外定子產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，內(nèi)定子產(chǎn)生行波磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)空間耦合，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工裝配工藝要求嚴(yán)格。

4)采用空間正交雙繞組的異步或永磁同步電機(jī)繞線困難、電磁場(chǎng)空間耦合、加工量大。

5)采用永磁體特殊布置結(jié)構(gòu)，以使電機(jī)產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)的同步機(jī)存在磁場(chǎng)空間耦合，永磁體的空間布置要求嚴(yán)格。

6)直線一旋轉(zhuǎn)磁阻電機(jī)效率低，功率因數(shù)低，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)難以克服。

從目前多自由度電機(jī)的研究情況上看，無(wú)論是兩自由度或者三自由度電機(jī)雖然提出的結(jié)構(gòu)樣式比較多，但由于理論還不夠完善，大都處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，距離真正工業(yè)或者是商用還具有較大差距。對(duì)新型兩自由度電機(jī)結(jié)構(gòu)樣式的開(kāi)發(fā)和對(duì)已有電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)依然是各國(guó)研究者的艱巨任務(wù)。

兩自由度直驅(qū)電機(jī)可以代替兩個(gè)或更多用于產(chǎn)生復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)及與其連接的繁瑣而又效率低下的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以有效節(jié)省空間，提高效率。 分析了兩自由度電機(jī)電磁設(shè)計(jì)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)探索及其機(jī)理分析、磁場(chǎng)分析計(jì)算、有限元建模及特性分析、運(yùn)動(dòng)控制等一系列問(wèn)題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況。針對(duì)現(xiàn)有兩自由度電機(jī)技術(shù)，介紹了新型的兩自由度直驅(qū)感應(yīng)電機(jī)(2-DOF DAIM)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，闡述其工作原理及優(yōu)點(diǎn)，討論了未來(lái)兩自由度直驅(qū)電機(jī)的發(fā)展方向。兩自由度電機(jī)的研究不僅具有實(shí)際意義，而且還具有很高的理論意義，已成為電機(jī)學(xué)科的發(fā)展前沿。但是，該類電機(jī)研究還處于初級(jí)階段，開(kāi)發(fā)和制造新型電機(jī)的技術(shù)仍有待提高 。2100433B

2R機(jī)械手如概述圖，在O點(diǎn)，臂l1和l2的交點(diǎn)處各有一個(gè)電機(jī)，分別控制了l1與x軸，l2與l1軸之間的夾角 和 。

基于matlab的2R機(jī)械手路徑規(guī)劃與仿真

作者：李躍松 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院

2R機(jī)械手如概述圖，在O點(diǎn)，臂l1和l2的交點(diǎn)處各有一個(gè)電機(jī)，分別控制了l1與x軸，l2與l1軸之間的夾角 和 。

概述圖 2R機(jī)械

由概述圖可以的關(guān)系式：

1，三次樣條函數(shù)：

假設(shè)x的位置有t0時(shí)刻的x0運(yùn)動(dòng)到tf時(shí)刻的xf，x在運(yùn)動(dòng)前后速度都為0；采用三次多項(xiàng)式樣條函數(shù)，路徑表示為：

速度表達(dá)式可以用x的導(dǎo)數(shù)表達(dá)為：

位置和速度必須滿足下列邊界條件，即

在t0時(shí)刻

在tf時(shí)刻

把邊界條件代入路徑和速度的表達(dá)式得，

從而解得，

代入路徑表達(dá)式得，路徑為：

下面就路徑為直線就行研究：

若路徑為直線y的運(yùn)動(dòng)滿足下面關(guān)系式：

對(duì)概述圖機(jī)械手求逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，

請(qǐng)搜“兩自由度機(jī)械手2”

非球形正交圓柱結(jié)構(gòu)兩自由度電動(dòng)機(jī)具有機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊簡(jiǎn)單、集成度高、容易加工制造、電機(jī)體積較小、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)元件利用率高、易于控制等性能特點(diǎn)，在具有多個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度的機(jī)械系統(tǒng)中，一臺(tái)電機(jī)可以代替兩臺(tái)單自由度電動(dòng)機(jī) ，并可提高系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)性能，在機(jī)器人、多坐標(biāo)機(jī)械加工中心、航天飛行器、電動(dòng)陀螺儀、全方位跟蹤天線、炮塔轉(zhuǎn)臺(tái)、船舶推進(jìn)系統(tǒng)、人體假肢、醫(yī)療器械、全景攝像操作臺(tái)、球形閥等設(shè)備中具有廣泛的應(yīng)用前景。

自由度軸（axis of freedom）是指框架可以繞它轉(zhuǎn)動(dòng)因而提供自由度的軸 。