基于混合插值规划的机械手腕关节用球形电机刚柔耦合系统

作     者：刘亚坤 过希文 王群京 廖先达 

作者机构：安徽大学电气工程与自动化学院 安徽大学高节能电机及控制技术国家地方联合实验室 安徽大学安徽省工业节电与用电安全实验室 安徽大学工业节电与电能质量控制协同创新中心 

出 版 物：《电气工程学报》 (Journal of Electrical Engineering)

年 卷 期：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金重点项目(51637001) 安徽省自然科学基金面上项目(2008085ME156) 

主　　题：球形电机 刚柔耦合系统 轨迹规划 混合多项式插值 反演滑模控制 

摘      要：球形电机能够实现空间三自由度运动，为实现无传动球形关节和智能顺应性设备提供了支持。但现有球形电机驱动机械手存在负载自重比小、直驱受限等问题，难以满足高精度、轻量化的轨迹规划需求。针对以上问题，设计了一种新颖的球形电机刚柔耦合系统，并提出了一种应用于系统的“三次多项式+改进的四次多项式的混合多项式轨迹规划方法，并与单一的多项式轨迹规划方法进行比较。首先，基于Hamilton原理建立了机械手在随动坐标系下的偏微分动力学模型，并结合球形电机动力学模型构造刚柔耦合系统动力学模型。然后，采用改进的混合多项式轨迹规划方法实现了刚柔耦合系统的反演滑模跟踪控制。最后，搭建了机械手腕关节用球形电机刚柔耦合系统试验平台。仿真和试验结果表明，该方法能够避免了系统因角加速度设置不合理引起的波动以及间断问题，使得系统机械磨损更小、运动更加平稳，角速度的波动问题也得到了改善，验证了方案的有效性和准确性。