单电机驱动的两自由度关节及其控制方法研究

本申请提出一种欠驱动式"单电机驱动的两自由度关节"，并对其非线性控制方法进行研究。两自由度关节指具有两个轴线垂直相交自由度的关节，其原型在各种动物体上普遍存在，研制这种关节对仿生机器人研究具有重要的现实意义。该关节由一个电机通过锥齿轮系驱动两个自由度，驱动输入少于自由度输出数目，属欠驱动系统。拟通过对两个自由度上的阻尼控制来重新分配电机力矩，使运动传递关系可控；采用基于模型的变结构控制方法进行控制系统设计，使得两个自由度可以稳定地同时运转，实现期望的关节转角和输出力矩。在ADAMS中建立三维动力学模型，通过与MATLAB的联合仿真试验，验证并改进关节结构设计和控制算法；最后研制关节样机并进行系统实验，以关节转角精度和最大输出力矩作为关节性能的衡量指标。该关节结构紧凑，柔性好，为仿生机器人研制提供便捷；其设计思想是对机械原理理论的创新应用；控制策略研究对欠驱动非线性系统控制问题有一定贡献。