多关节机器人仿生液压驱动技术及效率研究

摘要

随着仿生机器人性能的不断提升，其运用范围不断扩大，而传统采用电机驱动的仿生机器人由于负载能力有限，难以执行较大负载的任务，譬如特殊地形战场携带武器装备的作战任务、地震灾区携带救灾设备的搜救任务等，因此具备大负载和高机动性能的液压驱动的仿生机器人越来越受到人们的重视。然而，由于体积和重量的限制，仿生机器人液压驱动系统大多都采用单泵源多执行器的结构，但在机器人的运动过程中，不同的执行器在同一时刻的负载差异显著，同一执行器在不同时刻的负载变化也非常剧烈，使得系统供油压力与执行器负载所需压力的匹配状态较差，从而导致液压系统的能量利用效率较低，严重制约了该类机器人的实用化进程。
　　针对仿生机器人液压系统效率低下这一问题，本文分别从液压系统能量供给与能量输出两个方面研究提高系统供给压力与负载所需压力的匹配度，从模仿人体多级能量供给方式和肌肉结构及其不同输出力的调节方式的角度出发，提出了仿生多级供能的液压系统以及仿生液压执行器，并展开了深入研究。本文主要研究思路和内容包括以下几点：
　　(1)分析了导致典型的单泵多执行器仿生机器人液压系统效率低下的原因。本文以具有16个执行器的仿生四足机器人为例进行分析，分析了该机器人在原地蹲起、转弯和对角小跑三种典型步态下的液压系统效率，并指出导致效率低下的原因。针对这一原因，通过分析人体的多级能量供给方式和肌肉结构及其输出力的调节方式，提出了仿生液压驱动的基本思想。
　　(2)深入开展了仿生多级供能液压系统的设计与分析。模仿人体的多级能量供给方式提出了仿生多级供能的液压系统设计机理。在该机理的指导下，提出一种可行的基于分布式微小型瞬时高压蓄能器的两级供能液压系统，该系统利用微小型高压蓄能器构建瞬时高强度运动的能量供给系统，利用低压大流量泵源作为长时低强度运动的能量供给系统。然后，通过建立能量损耗模型，分析指出了该两级供能系统比典型的单级供能系统节能的主要原因。
　　(3)提出了一种基于PWM(Pulse Width Modulation)控制的压力调节方法。为了进一步改善两级供能液压系统的长时间低强度供能时的压力匹配状态，提出一种新型的压力调节器FPC(Fluid Power Converter)。FPC是利用机械能与液压能之间的转化来实现对输出压力和流量的调节，该压力调节方式与常规使用的节流（阻尼）调压方式不同，具有较高的能量利用效率的特点。本文详细阐述了FPC的原理，对关键的惯性元件的结构进行了详细设计。通过建立FPC的数学模型，对其性能进行了详细分析。分析结果表明FPC在进行压力和流量条调节过程仍能保持较高的能量利用效率。
　　(4)深入开展了仿生液压执行器的设计与分析。模仿人体肌肉的多纤维和多运动单元的结构特征以及肌肉与负载进行匹配时的运动单元募集方式，提出了仿生液压执行器的设计机理以及负载匹配控制策略。在该机理的指导下，对一类仿生液压执行器结构进行了详细设计、分析和优化，并给出了多种结构拓展方案。通过建立仿生液压执行器与传统液压执行器的能量损耗模型，对比指出了仿生液压执行器比传统液压执行器节能高效的原因。最后，根据本文提出的负载匹配控制策略，利用仿真方法对仿生执行器的负载匹配控制进行了研究。
　　(5)对本文提出的仿生两级供能液压系统和仿生液压执行器进行了仿真验证。以本文设计的四足机器人为对象，分别建立了加入FPC前后的两级供能系统和基于仿生高效执行器的液压系统的仿真模型并进行仿真分析，结果表明本文所提出的方法均能够提高能量利用效率。
　　(6)为了进一步验证仿生执行器的负载匹配和节能特性，本文研制了三种结构的仿生液压执行器原理样机和单臂试验平台。通过测试不对称结构和对称结构的两种仿生执行器的液压缸的摩擦力，表明优化后的仿生执行器具有较好的结构稳定性。最后，进行了仿生执行器驱动机械臂提起不同负载的试验，试验结果表明仿生执行器能够通过负载匹配调节达到节能高效的目的。
　　本文提出的仿生多级供能液压系统和仿生执行器的设计机理对仿生机器人液压系统设计提供了理论指导，同时提出的两级供能系统和仿生液压执行器对促进液压驱动的仿生机器人的实用化进程具有积极的意义。另外，本文提出的方法具有一定的通用性，同样可用于提高具有多执行器的工程机械的液压系统效率，因此具有一定的经济价值。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 国内外相关技术研究现状

1.3 论文主要研究内容

第二章 多关节机器人液压系统效率分析

2.1 单泵多执行器液压系统效率与分析

2.2 仿生四足机器人液压系统效率分析

2.3 仿生液压驱动的基本思想

2.4 本章小结

第三章 仿生多级供能液压系统设计与分析

3.1 仿生多级供能液压系统设计机理

3.2 仿生两级供能液压系统设计

3.3 仿生两级供能系统效率建模分析

3.4 FPC原理及结构

3.5 FPC系统建模

3.6 FPC系统仿真分析

3.7 本章小结

第四章 仿生液压执行器设计与分析

4.1 仿生液压执行器设计机理

4.2 仿生液压执行器节能原理

4.3 仿生液压执行器结构设计与分析优化

4.4 仿生液压执行器能量耗损分析

4.5 仿生液压执行器负载匹配控制

4.6 本章小结

第五章 仿生液压驱动的仿真验证与试验

5.1 仿生两级供能系统仿真验证

5.2 仿生液压执行器仿真验证

5.3 仿生液压执行器试验

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

1. 论文发表情况

2. 发明专利情况