“绿色低功耗”港口无接触型磁悬浮抓取搬运系统

申报人：孔维阳申报日期：2025-03-31

基本情况

所属批次:

2025创新项目

项目名称:

“绿色低功耗”港口无接触型磁悬浮抓取搬运系统学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

计算机类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

二年期

项目简介:

目前机器手臂已广泛应用于物流搬运、钢铁生产以及汽车制造等国计民生行业，极大提高了生产效率，而本项目提出的无接触型磁悬浮抓取系统，采用直线电机和盘式电机以及磁悬浮支撑技术协同完成多自由度的悬浮、抓取和搬运工作，可以实现港口货物的无接触抓取和搬运。采用安全稳定域和抓取高度优化设定，及含有状态观测器的基于RBF神经网络的模型参考自适应无接触悬浮抓取搬运控制器，可有效应对无接触型悬浮抓取系统的多种工况以及不确定干扰的影响，极大提高无接触型悬浮抓取系统的两自由度抓取搬运性能。

负责人曾经参与科研的情况:

参与2024年校级大创项目“安智生活精灵——智能、便捷、安全的智慧生活管家APP”

指导教师承担科研课题情况:

参与省级科研项目2项，主持市校级科研项目3项，指导国家大创项目2项，省校级大创项目多项，发表SCI检索论文2篇，授权发明专利1项。

指导教师对本项目的支持情况:

指导教师具有丰富的项目和比赛指导经验，能全力指导项目的开展。在项目的前期研究中，提供了丰富的硬件及软件资源，进行了详细的项目指导，对项目组人员进行了合理的工作安排，并对下一阶段的进程做了详细的规划。

项目级别:

校级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	孔维阳	医学信息工程学院	计算机科学与技术（本科）	2023	方案设计及仿真实验	第一主持人
2	杨慧昌	医学信息工程学院	计算机科学与技术（本科）	2024	悬浮系统仿真实验	成员
3	黄浛	医学信息工程学院	计算机科学与技术（健康大数据方向）	2023	状态反馈自适应水平位移控制	成员
4	尚书轩	医学信息工程学院	医学信息工程（本科）	2024	悬浮高度神经网络避障控制	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	孔英	医学信息工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

随着智能制造自动化程度的提高，基于机器手臂支持的自动化系统已广泛应用于港口、汽车制造、钢铁生产以及物流搬运等国计民生行业。机器手臂智能化模拟人手部而进行操作，可代替人在有害、危险环境下进行操作；其动作精准可靠，反应迅速、刚度大等优点极大的提高了生产效率。

在港口的搬运工作中，传统的抓取和搬运系统通常依赖于机械抓手、吊臂、叉车等设备，这些设备虽然高效，但由于其机械结构，往往存在着磨损、污染、操作复杂等问题，尤其是在搬运一些易损、易污染或需要精细操作的物品时，传统机械系统难以满足需求。为了解决这些问题，我们提出了一种轴径向基准柔性调整、无摩擦、无损伤的无接触型磁悬浮抓取系统，该系统结合了磁驱动技术，利用悬浮绕组代替传统的机械抓手，磁驱动机构提供了一种非接触式推进系统，可以实现无接触、无污染的抓取和搬运，并在港口的搬运工作中发挥重要作用。

研究内容:

在搬运货物过程中，本无接触型磁悬浮抓取系统（图1）需要控制两个方向的运动：水平方向的运动和垂直方向的运动。每个方向的运动均由不同的控制机制负责，这些机制的设计旨在实现高效、精确且节能的搬运操作。

水平方向运动控制：水平方向运动由盘式电机的悬浮及旋转功能完成。盘式电机通过产生一个旋转的磁场，使得抓取部件在可以在不接触的情况下实现水平面上平稳的运动。与传统的机械驱动系统相比，盘式电机能够减少摩擦和机械磨损，进一步提高搬运系统的效率和耐用性。

垂直方向运动控制：当系统检测到障碍物时，传统机械抓取系统需要复杂的机械臂运动（如旋转动作）来进行精确的高度调整，这通常需要较大的功耗和复杂的操作流程；本系统仅需由磁悬浮系统中的电磁力对垂直高度进行微调，即可以实现高效的障碍物避让，减少不必要的能量消耗。

图1 无接触型磁悬浮抓取搬运系统

因此，本项目的研究内容主要分为两部分，分别是：

无接触型悬浮抓取物体的神经网络自适应悬浮高度避障控制：提出了安全稳定域和抓取高度优化设定，可有效应对悬浮抓取系统工作速度增加带来的震荡过大的问题；提出了采用含有状态观测器的基于RBF神经网络自适应无接触悬浮抓取搬运控制器，比较无接触悬浮抓取系统与无接触悬浮抓取期望模型误差，在线调整神经网络权值，为无接触型悬浮抓取系统稳定运作提供保障。

基于状态反馈自适应补偿的盘式电机水平位移矢量控制：将磁悬浮技术引入至机器手臂支撑系统，借助定转子之间吸力，动态调整内定子与转子间的气隙大小，实现机器手臂轴向基准的柔性可调；引入基于外定子轴向磁环带和内转子磁槽结构的被动阻尼系统，动态表征外定子和内转子之间气隙磁场能变化。

国、内外研究现状和发展动态:

1.国外研究现状

近年来，许多国际学者研究了基于磁悬浮技术的物体抓取系统，特别是在航空航天、精密制造和医疗领域。MIT、斯坦福大学等知名研究机构通过优化电磁力场控制和磁场设计，提出了基于磁悬浮的物体抓取和搬运系统，这些研究大多集中在系统控制算法的优化和抓取精度的提升方面。

神经网络控制器的引入提高了悬浮抓取系统在复杂环境中的自适应能力，国外研究者使用深度学习和强化学习等方法，针对悬浮系统的动态变化、障碍物避让和高效抓取进行了深入研究。美国采用深度强化学习优化悬浮控制策略，通过自适应学习调整抓取高度，并避开障碍物，增强了系统的智能化和自适应能力。

在物体抓取过程中，避免碰撞和障碍物是一个重要课题。国外研究普遍集中在物体抓取过程中避障策略的设计，尤其是结合多传感器融合和神经网络的避障方法。例如基于视觉和传感器的深度学习算法在提高避障精度方面发挥了重要作用。

2.国内研究现状

国内学者已经开始探索基于磁悬浮的物体抓取技术，特别是在自动化制造、物流搬运等领域的应用，研究主要集中在电磁力控制、系统建模以及稳定性分析等方面，如清华大学、北京航空航天大学等机构的研究人员，针对悬浮抓取技术的实际应用场景，开发了多种优化方案，提升了磁悬浮系统的控制精度和适应性。

国内部分高校和研究机构对神经网络在悬浮系统中的应用进行了积极研究，研究者提出了基于人工神经网络的自适应控制方法，旨在动态调节悬浮高度和避障过程中的系统性能，尤其在复杂动态环境中的应用。中国科学院等机构利用基于神经网络的自适应控制方法进行磁悬浮系统的优化设计，使其能够在不同条件下平稳控制悬浮高度和避障动作。

国内在物体抓取过程中的避障技术研究多集中在视觉传感器的应用和障碍物识别方面。例如，上海交通大学、浙江大学等高校，提出了结合视觉信息的避障控制算法，能够在抓取过程中动态调整悬浮高度，避免与障碍物发生碰撞，保证抓取精度。

国内学者还提出了针对复杂环境和不确定性干扰的自适应控制算法，尤其是针对磁悬浮系统的非线性特性，提出了一些改进的自适应控制方法，通过神经网络优化算法，系统能够根据实时环境数据调整悬浮控制策略，以实现高效的抓取和避障。

创新点与项目特色:

1.磁悬浮技术低功耗、低噪声并且不限制承载能力，对于任何重量的物体均能抓取和搬运，基于磁悬浮无接触的抓取和搬运避免了机械抓手工作时的接触摩擦所产生的噪声。

2.提出了安全稳定域和抓取高度优化设定，可有效应对悬浮抓取系统工作速度增加带来的震荡过大的问题，为无接触型悬浮抓取系统稳定运作提供保障。

3.创新性利用定转子之间的吸力平抑机器手臂重量，极大降低了机器手臂质量所致的旋转定位摩擦损耗，同时借助定转子之间吸力，动态调整内定子与转子间的气隙大小，实现机器手臂轴向基准的柔性可调。

4.提出了采用模型参考自适应的抓取搬运控制器，根据受控对象与悬浮抓取期望模型误差，在线调整自适应参数，通过对干扰项的自适应有效避免了自适应参数过多造成的调节速度减慢和过大的自适应增益造成的抓取高度震荡问题。极大增强了系统稳定性与快速性。

5.创新性引入了基于外定子轴向磁环带和内转子磁槽结构的被动阻尼系统，动态表征外定子和内转子之间气隙磁场能变化，有效平抑机器手臂系统重力波动对定转子之间气隙影响，确保机器手臂支撑系统轴向基准的稳定。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

1.技术路线

本无接触型磁悬浮抓取系统采用直线电机和盘式电机以及磁悬浮支撑技术协同完成多自由度的悬浮、抓取和搬运工作。

无接触型悬浮抓取物体的神经网络自适应悬浮高度避障控制的技术路线（图2）：

图2无接触型悬浮抓取搬运系统的神经网络自适应控制下悬浮控制结构图

1）构建无接触型悬浮抓取系统的多自由度抓取运动模型

由抓取物体在悬浮绕组下位置的分布，及绕组下磁场分布不均的情况建立两自由度悬浮抓取运动模型：

(1)

综合考虑被抓取物体在磁场中位置以及悬浮绕组下磁场扭曲带来的影响，构建物体所受悬浮力方程：

(2)

无接触型悬浮抓取的高速工作所致的风阻阻碍物体稳定，也是水平搬运过程造成物体偏离中心稳定域的主要原因，因此不可忽略风阻力的影响。

2）无接触型悬浮抓取系统动态模型转化

将两自由度悬浮抓取运动模型在平衡点(I0,δref,sx0)转化为线性无接触悬浮抓取模型，然后将两自由度模型转化为单自由度悬浮抓取模型，以简化控制难度以及装置复杂性，再构建无接触型悬浮抓取运动状态空间方程模型：

(3)

3）无接触型悬浮抓取系统安全稳定域及抓取高度优化设定

结合电压方程以及等效空间分析可得到搬运速度ω的最大水平震荡范围，即安全稳定域；工速增加至ω'后经等效空间分析得到水平振荡回复到安全稳定域的抓取高度优化设定方式。

4）无接触型悬浮抓取系统基于磁悬浮的RBF神经网络自适应控制器设计

针对前述的三维无接触型悬浮抓取系统，设计三阶严格线性无干扰期望模型，设计无接触悬浮抓取系统，抓取速度以及抓取加速度状态观测器： summernote-img

(4)

针对无接触型悬浮抓取系统不确定干扰fd的影响，采用含有5个隐含节点的三层RBF神经网络输出fxp作为辅助输入信号补偿；设置抓取高度跟踪误差为E(t)=xm-x；设置含有五个隐含节点的三层RBF神经网络辅助输入信号；参考设为r=rref-fxp，设计基于模型参考的RBF神经网络的自适应的实际控制输入和虚拟控制输入；可获得三维跟踪误差数量E(t)的闭环动态。

构建含估计误差的Lyapunov能量函数为

(5)

设计

的自适应律, 得到能量导数。

基于状态反馈自适应补偿的盘式电机水平位移矢量控制技术路线（图3）：

图3基于状态反馈自适应补偿的盘式电机水平位移矢量控制机制图

1）构建支撑旋转体轴向基准调整运动方程

（6）

2）分别以

为变量，以

为控制输入，构建机械手运动方程的矩阵形式表示为

（7）

3）首先根据支撑旋转体轴向基准设定z_ref和原始基准z_max判定支撑旋转体的工作模式，当z_ref和z_max相等时，支撑旋转体运行在轴向压控模式，当z_ref和z_max不等时，支撑旋转体运行在轴向定位模式。采用状态反馈自适应补偿机制实时调控前侧变流器和后侧变流器占空比，直至完成参考电流的有效跟踪，实现支撑旋转体转子两侧气隙相等，且满足轴向基准要求。

4）支撑旋转体的旋转定位控制

将前侧绕组和后侧绕组平均电流设置为主导励磁电流

，引入两侧电流波动量

作为轴向基准调控对旋转定位影响，综合考虑轴向压控和轴向定位两模式对旋转定位影响，构建支撑旋转体的旋转定位运动方程为

(8)

将上式两侧绕组电流波动对电磁转矩的影响、磁槽转矩Tcog以及摩擦干扰 summernote-img

统一归结为旋转定位干扰fd；引入旋转定位误差变量

，转化旋转定位运动方程；引入虚拟变量

，设计旋转定位的干扰估计值

的自适应率为

；采用转子磁链定向策略，将定子电流解耦成励磁电流id和转矩电流i_q，设置励磁电流id参考idref为零，采用电流内环PI控制器，对idref和iqref的快速跟踪，动态调节定子变流器占空比，严格控制转速

恒定，经由编码器实时读取旋转角度θ，实时与参考值θref对比，直至相等，旋转定位结束，如图4所示。

图4无接触型磁悬浮抓取搬运系统程序流程图

2.拟解决的关键问题

1）随着悬浮抓取系统工作速度的增加，可能会出现震荡过大的问题，这会影响系统的稳定性和精度，甚至导致操作失误或损坏被抓取的物体，本系统需要通过优化安全稳定域和抓取高度设定，来减少或消除震荡带来的不良影响，

2）模型参考自适应控制器根据误差调整自适应参数，但可能存在调节速度过慢或自适应增益过大导致的抓取高度震荡问题。需要进一步优化自适应控制器的参数调节策略，确保在快速变化的工作条件下，自适应参数能够及时调整，同时避免过度调节带来的负面影响（如速度减慢或震荡）。

3）被动阻尼系统虽然能够有效平抑气隙磁场能变化和重力波动，但如何在不同工作环境下，优化阻尼系统的表现，使其更加适应不同负载和操作条件，仍是一个待解决的问题。需要进一步研究被动阻尼系统的设计，增强其适应性，并在不同负载和工作条件下，保持手臂系统的稳定性和精度。

3.预期成果

在理论与应用层面实现双重突破，申请1项专利或发表1篇论文。

项目研究进度安排:

2025.06-2025.12 研究项目任务，完成悬浮系统的设计并进行仿真测试。

2026.01-2026.07 基于神经网络自适应算法，完成悬浮高度避障控制。申请专利1项。

2026.08-2027.02 基于状态反馈自适应补偿，完成盘式电机水平位移矢量控制。评估系统的稳定性、精度和鲁棒性。

2027.03-2027.05 撰写论文，准备项目验收。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

有一支梯队合理、研究能力强的研究队伍。课题组成员具有与课题相关的扎实理论基础，知识面丰富而广泛，对计算机系统的控制理念已经初步具备，系统构架已经初步形成，同时在指导教师的指导下，课题组成员业已在课题相关领域开展研究，对磁悬浮系统和电机控制进行过研究与设计，具备较强的实际动手能力和综合创新能力，为保证课题有序进行奠定了实践基础。

指导教师带领学生，针对机器手臂直接抓取物体，极易造成物体的变形、损伤和污染，且高温下抓取易造成机器抓手的损伤等缺点，提出了无接触型的磁悬浮抓取系统，并引入有限时间稳定性理论，提出指定性能参考模型，有效提升悬浮抓取系统的悬浮跟踪性能、干扰抑制能力，发表了SCI一区论文2篇，授权了4项国家发明专利：

[1] Xiaoguang Chu*, Wenyu Li, ,Haodong Pan, Ying Kong*(孔英). Fuzzy-Adaptive Sliding Mode Control with Pitch Transient Prescribed Performance Control for Nacelle Suspension. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2025, DOI: 10.1109/TIE.20 25.3549116(SCI 1，TOP).

[2]W. Li, Xiaoguang Chu*, C. Ma and Y. Kong(孔英), "Finite-Time Model Reference Adaptive Grasping Control with Fuzzy State Observer for Maglev Grasping Robot System," in IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, vol. 28, no. 6, pp. 3064-3075, Dec. 2023, doi: 10.1109/TMECH.2023.3244558. WOS:000947813200001(SCI 1，TOP)

[3]孔英,褚晓广,李文玉,李静.一种无接触型悬浮抓取系统的模型参考自适应有限时间控制方法，2024.01.30 ,中国,ZL 2023106202947

[4]褚晓广,孔英,蔡彬,王伟超,王文轩.磁悬浮机器手臂支撑系统及其轴径基准调控方法,2022.09.16,中国, ZL2020101265147

[5]褚晓广,孔英,王文轩,蔡彬.一种RBF神经网络俯仰干扰补偿的风力机舱悬浮控制方法,, 2022.02.01,中国,ZL2020100239107

[6] 褚晓广,宋蕊,孔英,王伟超.一种无接触型悬浮抓取系统的神经网络自适应控制方法，2023.10.31, 中国, ZL 2021103954948

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

我校有丰富的图书资源，也已购买中国知网、万方和维普等数据库，为课题研究提供丰富的期刊资料。前期研究搭建的实验平台可以满足基本需求，项目中尚有一些特殊功能的传感器、电机等电子器件等需要购置，可以用项目经费解决。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	20000.00	无	16000.00	4000.00
1. 业务费	10000.00	无	6000.00	4000.00
（1）计算、分析、测试费	0.00	无	0.00	0.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	3000.00	调研及会议费用	3000.00	0.00
（4）文献检索费	1000.00	文献检索	1000.00	0.00
（5）论文出版费	6000.00	版面费或专利申请费等	2000.00	4000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	10000.00	购买项目所需的各类材料、耗材等	10000.00	0.00

结束

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