欠驱动系统（Underactuated System）是指系统的自由度数大于可控制的自由度数，即系统需要通过较少的输入变量来驱动更多的状态变量。这种系统通过减少执行元件（如电机、传感器等）的数量，实现成本降低、重量减轻和灵活性增强等优势，但同时也带来了控制复杂度增加的挑战。

一、核心定义

自由度与控制自由度的差异

- 自由度：

系统独立运动的参数数量（如位置、速度、加速度等）。

- 控制自由度：实际可用的输入变量数量（如电机转速、关节角度等）。

- 当自由度 > 控制自由度时，系统为欠驱动系统。

等价表述

- 输入变量个数少于状态变量个数。

二、典型应用领域

机器人技术

- 无人机、轮式机器人、柔性机器人等。

- 例如：全驱动无人机通过增加电机实现完全控制，而欠驱动设计可减少电机数量并提升灵活性。

航空航天与海洋探测

- 卫星、海洋探测器等设备因结构限制采用欠驱动设计。

工业设备

- 如桥吊车、机械臂等，通过优化驱动结构降低能耗。

三、设计优势与挑战

优势

- 成本与重量：

减少执行元件降低成本、减轻重量。

- 灵活性：易于实现复杂运动轨迹和姿态控制。

挑战

- 稳定性：

因自由度过剩易出现振荡或失控，需设计阻尼或冗余机制。

- 控制复杂性：高度非线性、参数摄动等问题增加控制难度。

四、典型结构示例

机械臂：3个关节（3个自由度）但仅2个驱动器（2个控制自由度）。

柔性机器人：通过材料特性实现运动控制，减少传统驱动器需求。

总结

欠驱动系统通过简化结构实现高效运动控制，但需在控制策略中平衡稳定性与灵活性。随着算法优化（如模型预测控制、自适应控制）的发展，其应用场景仍在不断扩展。