平面两自由度七杆机构混合驱动机的设计理论及实验研究

《平面两自由度七杆机构混合驱动机的设计理论及实验研究》（Research on the theory and experiment of hybrid actuator with the 2-DOF planar seven-bar mechanism）是2003年上海交通大学授予方新国学位的论文，指导教师邹慧君。

学科专业

机械设计与理论

学位级别

d 2003n

关键词

可控机构 机构学 七杆机构 混合驱动机构

馆藏号

TH112

唯一标识符

108.ndlc.2.1100009031010001/T3F24.002643201

馆藏目录

2005\TH112\1 2100433B

两自由度直驱电机可以代替两个或更多用于产生复杂运动的旋转电机及与其连接的繁琐而又效率低下的传动机构，可以有效节省空间，提高效率。 分析了两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析计算、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列问题的研究现状及发展概况。针对现有两自由度电机技术，介绍了新型的两自由度直驱感应电机(2-DOF DAIM)拓扑结构，阐述其工作原理及优点，讨论了未来两自由度直驱电机的发展方向。两自由度电机的研究不仅具有实际意义，而且还具有很高的理论意义，已成为电机学科的发展前沿。但是，该类电机研究还处于初级阶段，开发和制造新型电机的技术仍有待提高 。2100433B

两自由度直驱电机具有直接驱动的特点，即不需要中间传动机构即直接驱动负载作直线、旋转或螺旋运动，大大减小设备体积，显著提高效率。两自由度直驱电机在需要复杂运动的动力系统如数控机床、机器人、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备中，具有非常广阔的应用前景，受到学术界和工业界的广泛关注。目前典型的两自由度直驱电机大都属于感应电机、永磁电机或磁阻电机类型。设计理论采用“场化路”的解析法或有限元法，建立数学模型以及求解电磁场方程分析。 通过参考国内外最新 ，分析了两自由度直驱电机的设计理论、控制方法和应用技术等方而的研究现状及发展概况，针对现有两自由度电机技术，介绍了一种新型的两自由度直驱感应电机(2-DOF DAIM)拓扑结构，阐述其工作原理及优点，讨论了未来两自由度直驱电机的发展方向 。

两自由度直驱电机是一种无中间传动机构的新型电机，这种电机可以分别做直线运动、旋转运动以及两者合成的螺旋运动。它具有机械集成度高，电机结构材料和驱动控制系统元件利用率高等优点，是典型的机电一体化产品。目前两自由度的驱动技术多采用两个或多个旋转电机以及中间传动装置来实现。但是由于中间机构的存在，使得系统控制方式复杂，系统体积大零部件多维护量大、价格昂贵，而且中间传动装置需要承受较大的轴向力，易出现磨损严重使系统可靠性降低的问题。在两自由度机械系统中，采用一台两自由度电机来代替两个或多个旋转电机及传动装置，可以大大简化机械系统的结构，减小体积及重量，从而提高系统的精度和动静态性能。因此两自由度直驱电机可广泛用于数控机床、机器人、摄像操作台、雕刻机、汽车生产线、搅拌机、球形阀等设备上，具有广泛的应用前景。

一种直驱的机电驱动系统被应用于具有 AMT和DCT的汽车变速装置以更利于齿轮切换;将一种旋转一直线驱动器用于双功能轮驱装置;介绍了交流伺服电机和直线感应伺服电机在混合质量阻尼器中的应用;提出了一种旋转一直线及直线一旋转运动转换器;多自由度机器人在摩天大楼护墙上的应用;在机器人领域，使用柔顺连接可以显著提高系统性能。以上都是多自由度驱动装置的典型应用。

两自由度电机电磁设计、拓扑结构探索及其机理分析、磁场分析、有限元建模及特性分析、运动控制等一系列新问题都会形成新的研究方向，进一步拓展电机学科的研究范围，因此两自由度电机的研究既具有实际意义，又还具有很高的理论意义，已成为电机学科发展的新前沿。

由于两自由度电机是将两种不同运动形式和两套运动产生源集成到一套系统中，因此两自由度电机和通常单自由度电机相比有许多不同的特征，因此可以预见以下这些方而将成为两自由度电机发展的研究热点。

1)就是开发新结构新原理的两自由度电机。由于工业应用方而的拓展，使用环境和应用要求不断变化，现有的两自由度电机结构可能不能满足要求，因此需要根据环境性能需要，继续研发具有新结构和新原理的两自由度电机 。

2)就是要对已有的电机模型进行结构的优化。和传统电机一样，对两自由度电动机的结构进行优化，可以使电机结构简单，便于制造，提高电机的机械集成度及材料的利用率，扩大动子的偏转范围，简化支撑结构，减轻重量，减小体积。另外，还可以通过结构优化来简化各自由度之间的电磁及力学耦合关系，提高系统的性能和稳定性。

3)两自由度电机电磁场的计算问题。电磁场的计算问题是两自由度电机控制的理论基础。由于两自由度电机结构的特殊性，其磁场具有边界条件复杂、各向异性、非线性、端部效应的问题，而且两自由度电机的电磁场大都是典型的三维场，很难使用二维场来进行简化，因此两自由度电机电磁场的分析计算问题是此种电机设计的难点和重点部分。

4)耦合问题。由于两自由度电机是将两种不同的电机系统融合到一个系统中，因此其电磁和运动都有耦合的可能。如何定量地分析这些耦合关系及其对电机性能的影响，以及如何消除这些不良影响，是多自由度电动机研究中待解决的关键问题。

5)电机的运动控制问题。由于多自由度电动机自身的特点，各自由度之间除了存在电磁耦合之外还存在着十分复杂的力学耦合关系，这是多自由度电动机难以控制的重要原因之一，因此必须根据电机的具体结构，建立准确的力学模型，深入分析各自由度之间的耦合关系，研究力学解祸控制策略，以提高电机的动静态性能及稳定性。因此需要根据电机的实际结构建立其运动学模型，确立其输出轴的运动轨迹控制策略。

6)驱动控制系统的研究。多自由度电动机是典型的机电一体化产品，其驱动控制系统不仅要对各自由度的角位移、速度、加速度及输出转矩进行检测，还要进行各自由度之间的解祸计算、轨迹规划，因此有必要研制适合于多自由度电动机控制系统的专用控制元器件并开发计算机控制系统。

由于看到了两自由度电机的优越性，各国研究人员加大了对多自由度电机的研究力度。随着多自由电机理论的不断完善，制约多自由电机发展的以上技术瓶颈正不断被打破。可以预见，在不久的将来，两自由度电机一定能够得到广泛应用。