平面兩自由度七桿機構混合驅動機的設計理論及實驗研究簡介

《平面兩自由度七桿機構混合驅動機的設計理論及實驗研究》（Research on the theory and experiment of hybrid actuator with the 2-DOF planar seven-bar mechanism）是2003年上海交通大學授予方新國學位的論文，指導教師鄒慧君。

學科專業(yè)

機械設計與理論

學位級別

d 2003n

關鍵詞

可控機構 機構學 七桿機構 混合驅動機構

館藏號

TH112

唯一標識符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.002643201

館藏目錄

2005\TH112\1 2100433B

兩自由度直驅電機可以代替兩個或更多用于產(chǎn)生復雜運動的旋轉電機及與其連接的繁瑣而又效率低下的傳動機構，可以有效節(jié)省空間，提高效率。 分析了兩自由度電機電磁設計、拓撲結構探索及其機理分析、磁場分析計算、有限元建模及特性分析、運動控制等一系列問題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況。針對現(xiàn)有兩自由度電機技術，介紹了新型的兩自由度直驅感應電機(2-DOF DAIM)拓撲結構，闡述其工作原理及優(yōu)點，討論了未來兩自由度直驅電機的發(fā)展方向。兩自由度電機的研究不僅具有實際意義，而且還具有很高的理論意義，已成為電機學科的發(fā)展前沿。但是，該類電機研究還處于初級階段，開發(fā)和制造新型電機的技術仍有待提高 。2100433B

兩自由度直驅電機具有直接驅動的特點，即不需要中間傳動機構即直接驅動負載作直線、旋轉或螺旋運動，大大減小設備體積，顯著提高效率。兩自由度直驅電機在需要復雜運動的動力系統(tǒng)如數(shù)控機床、機器人、雕刻機、汽車生產(chǎn)線、攪拌機、球形閥等設備中，具有非常廣闊的應用前景，受到學術界和工業(yè)界的廣泛關注。目前典型的兩自由度直驅電機大都屬于感應電機、永磁電機或磁阻電機類型。設計理論采用“場化路”的解析法或有限元法，建立數(shù)學模型以及求解電磁場方程分析。 通過參考國內外最新 ，分析了兩自由度直驅電機的設計理論、控制方法和應用技術等方而的研究現(xiàn)狀及發(fā)展概況，針對現(xiàn)有兩自由度電機技術，介紹了一種新型的兩自由度直驅感應電機(2-DOF DAIM)拓撲結構，闡述其工作原理及優(yōu)點，討論了未來兩自由度直驅電機的發(fā)展方向 。

兩自由度直驅電機是一種無中間傳動機構的新型電機，這種電機可以分別做直線運動、旋轉運動以及兩者合成的螺旋運動。它具有機械集成度高，電機結構材料和驅動控制系統(tǒng)元件利用率高等優(yōu)點，是典型的機電一體化產(chǎn)品。目前兩自由度的驅動技術多采用兩個或多個旋轉電機以及中間傳動裝置來實現(xiàn)。但是由于中間機構的存在，使得系統(tǒng)控制方式復雜，系統(tǒng)體積大零部件多維護量大、價格昂貴，而且中間傳動裝置需要承受較大的軸向力，易出現(xiàn)磨損嚴重使系統(tǒng)可靠性降低的問題。在兩自由度機械系統(tǒng)中，采用一臺兩自由度電機來代替兩個或多個旋轉電機及傳動裝置，可以大大簡化機械系統(tǒng)的結構，減小體積及重量，從而提高系統(tǒng)的精度和動靜態(tài)性能。因此兩自由度直驅電機可廣泛用于數(shù)控機床、機器人、攝像操作臺、雕刻機、汽車生產(chǎn)線、攪拌機、球形閥等設備上，具有廣泛的應用前景。

一種直驅的機電驅動系統(tǒng)被應用于具有 AMT和DCT的汽車變速裝置以更利于齒輪切換;將一種旋轉一直線驅動器用于雙功能輪驅裝置;介紹了交流伺服電機和直線感應伺服電機在混合質量阻尼器中的應用;提出了一種旋轉一直線及直線一旋轉運動轉換器;多自由度機器人在摩天大樓護墻上的應用;在機器人領域，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動裝置的典型應用。

兩自由度電機電磁設計、拓撲結構探索及其機理分析、磁場分析、有限元建模及特性分析、運動控制等一系列新問題都會形成新的研究方向，進一步拓展電機學科的研究范圍，因此兩自由度電機的研究既具有實際意義，又還具有很高的理論意義，已成為電機學科發(fā)展的新前沿。

由于兩自由度電機是將兩種不同運動形式和兩套運動產(chǎn)生源集成到一套系統(tǒng)中，因此兩自由度電機和通常單自由度電機相比有許多不同的特征，因此可以預見以下這些方而將成為兩自由度電機發(fā)展的研究熱點。

1)就是開發(fā)新結構新原理的兩自由度電機。由于工業(yè)應用方而的拓展，使用環(huán)境和應用要求不斷變化，現(xiàn)有的兩自由度電機結構可能不能滿足要求，因此需要根據(jù)環(huán)境性能需要，繼續(xù)研發(fā)具有新結構和新原理的兩自由度電機 。

2)就是要對已有的電機模型進行結構的優(yōu)化。和傳統(tǒng)電機一樣，對兩自由度電動機的結構進行優(yōu)化，可以使電機結構簡單，便于制造，提高電機的機械集成度及材料的利用率，擴大動子的偏轉范圍，簡化支撐結構，減輕重量，減小體積。另外，還可以通過結構優(yōu)化來簡化各自由度之間的電磁及力學耦合關系，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3)兩自由度電機電磁場的計算問題。電磁場的計算問題是兩自由度電機控制的理論基礎。由于兩自由度電機結構的特殊性，其磁場具有邊界條件復雜、各向異性、非線性、端部效應的問題，而且兩自由度電機的電磁場大都是典型的三維場，很難使用二維場來進行簡化，因此兩自由度電機電磁場的分析計算問題是此種電機設計的難點和重點部分。

4)耦合問題。由于兩自由度電機是將兩種不同的電機系統(tǒng)融合到一個系統(tǒng)中，因此其電磁和運動都有耦合的可能。如何定量地分析這些耦合關系及其對電機性能的影響，以及如何消除這些不良影響，是多自由度電動機研究中待解決的關鍵問題。

5)電機的運動控制問題。由于多自由度電動機自身的特點，各自由度之間除了存在電磁耦合之外還存在著十分復雜的力學耦合關系，這是多自由度電動機難以控制的重要原因之一，因此必須根據(jù)電機的具體結構，建立準確的力學模型，深入分析各自由度之間的耦合關系，研究力學解禍控制策略，以提高電機的動靜態(tài)性能及穩(wěn)定性。因此需要根據(jù)電機的實際結構建立其運動學模型，確立其輸出軸的運動軌跡控制策略。

6)驅動控制系統(tǒng)的研究。多自由度電動機是典型的機電一體化產(chǎn)品，其驅動控制系統(tǒng)不僅要對各自由度的角位移、速度、加速度及輸出轉矩進行檢測，還要進行各自由度之間的解禍計算、軌跡規(guī)劃，因此有必要研制適合于多自由度電動機控制系統(tǒng)的專用控制元器件并開發(fā)計算機控制系統(tǒng)。

由于看到了兩自由度電機的優(yōu)越性，各國研究人員加大了對多自由度電機的研究力度。隨著多自由電機理論的不斷完善，制約多自由電機發(fā)展的以上技術瓶頸正不斷被打破?？梢灶A見，在不久的將來，兩自由度電機一定能夠得到廣泛應用。