磁悬浮球形主动关节系统的研究

基于磁悬浮技术、电机技术及机器人关节技术，提出并研制一种多自由度磁悬浮球形主动关节系统。从理论上分析磁悬浮球形主动关节既产生支承球形关节的径向悬浮磁力，同时又产生驱动球形关节多自由度转动的切向磁转矩的工作机理。推导磁悬浮球形主动关节产生的径向悬浮力和任意自由度方向的切向磁转矩公式，并通过简易的模型实验对关节进行稳定悬浮和旋转驱动的实验验证。用有限元法分析方法计算磁悬浮球形主动关节磁场各参数的分布规律和磁场间的耦合关系，对磁路结构进行优化，设计主动关节的本体结构。根据本体结构的特点，用空间转子动力学分析方法建立磁悬浮球形主动关节系统的动力学耦合模型，设计系统的自检测解耦控制系统并进行系统仿真优化，为磁悬浮球形主动关节的原理论证和设计计算提供依据。最终制造出本体样机，根据仿真结果设计和构建自检测解耦控制系统，并进行磁悬浮球形主动关节的实验。

为了解决传统多自由度关节由于传动链长、关节摩擦面磨损严重，导致末端执行器的承载能力及系统刚度和效率降低、系统精度下降，以及静、动态性能和稳定性均变差等问题，本项目基于国家自然科学基金在国内外率先提出并研究磁悬浮球形主动关节系统。项目研究分别基于磁场理想分布规律、磁场分割法，以及球谐波理论等，对磁悬浮球形主动关节磁场进行分析，得出了气隙磁场的解析模型，研究了磁悬浮球形主动关节产生电磁悬浮力和电磁转矩的机理，并通过有限元仿真试验分析，验证了气隙磁场及电磁悬浮力和电磁转矩模型的正确性；对不同类型的磁悬浮球形主动关节进行了结构研究，设计出定子分体式和整体式、磁阻式和感应式、正交绕组式和分区域绕组式等磁悬浮球形主动关节或电机结构，建立了磁悬浮球形主动关节的三维动力学耦合模型和逆系统解耦线性化模型，对系统进行了状态重构的同步悬浮控制和PDF控制研究，提出了磁悬浮球形主动关节的多种控制驱动电路方案，设计了磁悬浮球形主动关节的检测控制系统，并对系统进行性能仿真分析，构建了磁悬浮球形主动关节的实验台，通过试验验证了理论分析研究结果的正确性。项目研究取得的成果，将为后期磁悬浮球形主动关节的设计和研究提供可行的理论基础，并对球形电动机、主动关节的发展以及高速磁悬浮机械的研究，对提高主动关节系统性能 以及多自由度机械系统小型化和微型化均具有十分重要的意义。