磁懸浮球形主動關節系統的研究

《磁懸浮球形主動關節系統的研究》是依託揚州大學，由曾勵擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：磁懸浮球形主動關節系統的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：曾勵
• 依託單位：揚州大學

項目摘要

基於磁懸浮技術、電機技術及機器人關節技術，提出並研製一種多自由度磁懸浮球形主動關節系統。從理論上分析磁懸浮球形主動關節既產生支承球形關節的徑向懸浮磁力，同時又產生驅動球形關節多自由度轉動的切向磁轉矩的工作機理。推導磁懸浮球形主動關節產生的徑向懸浮力和任意自由度方向的切向磁轉矩公式，並通過簡易的模型實驗對關節進行穩定懸浮和旋轉驅動的實驗驗證。用有限元法分析方法計算磁懸浮球形主動關節磁場各參數的分布規律和磁場間的耦合關係，對磁路結構進行最佳化，設計主動關節的本體結構。根據本體結構的特點，用空間轉子動力學分析方法建立磁懸浮球形主動關節系統的動力學耦合模型，設計系統的自檢測解耦控制系統並進行系統仿真最佳化，為磁懸浮球形主動關節的原理論證和設計計算提供依據。最終製造出本體樣機，根據仿真結果設計和構建自檢測解耦控制系統，並進行磁懸浮球形主動關節的實驗。

結題摘要

為了解決傳統多自由度關節由於傳動鏈長、關節摩擦面磨損嚴重，導致末端執行器的承載能力及系統剛度和效率降低、系統精度下降，以及靜、動態性能和穩定性均變差等問題，本項目基於國家自然科學基金在國內外率先提出並研究磁懸浮球形主動關節系統。項目研究分別基於磁場理想分布規律、磁場分割法，以及球諧波理論等，對磁懸浮球形主動關節磁場進行分析，得出了氣隙磁場的解析模型，研究了磁懸浮球形主動關節產生電磁懸浮力和電磁轉矩的機理，並通過有限元仿真試驗分析，驗證了氣隙磁場及電磁懸浮力和電磁轉矩模型的正確性；對不同類型的磁懸浮球形主動關節進行了結構研究，設計出定子分體式和整體式、磁阻式和感應式、正交繞組式和分區域繞組式等磁懸浮球形主動關節或電機結構，建立了磁懸浮球形主動關節的三維動力學耦合模型和逆系統解耦線性化模型，對系統進行了狀態重構的同步懸浮控制和PDF控制研究，提出了磁懸浮球形主動關節的多種控制驅動電路方案，設計了磁懸浮球形主動關節的檢測控制系統，並對系統進行性能仿真分析，構建了磁懸浮球形主動關節的實驗台，通過試驗驗證了理論分析研究結果的正確性。項目研究取得的成果，將為後期磁懸浮球形主動關節的設計和研究提供可行的理論基礎，並對球形電動機、主動關節的發展以及高速磁懸浮機械的研究，對提高主動關節系統性能 以及多自由度機械系統小型化和微型化均具有十分重要的意義。