机器人液压/气压驱动新方法研究

摘要

机器人的驱动需要将来自电、液、气等多种能源的能量转化成关节的直线运动或旋转运动装置——驱动器。液压/气压驱动器相比于电气驱动器而言具有功率密度大和易于实现力控制的优点。流体动力系统更能满足机器人低速大扭矩的应用需求。机器人技术的发展给用于机器人运动控制的驱动技术提出了新的挑战:节能化、智能化、轻量化和微型化。节能化、轻量化和微型化有待于液压/气压元件结构设计的创新来实现,智能化有待于液压/气压控制方法的创新来实现。本文以巨型操作手和移动机器人的液压/气压驱动技术为选题,着重对液压智能控制方法、高功率密度液压驱动元件和微型气压驱动元件进行了研究。
　　 在制造过程中,要求操作装备的末端执行机构对于制造过程中的工件变形所造成的位移具有力顺应性和位置顺应性,以避免因约束冲突造成的载荷剧增或夹持失效。研究从力觉感知和主动顺应入手,提出了基于混合力/位控制的锻造操作机顺应控制方法,系统的分析了液压伺服控制系统混合压力/位置控制特性和锻压过程顺应控制特性,该顺应控制方法使得操作机夹钳对工件的反作用力保持在较小的变化范围,并且操作机对压机压下的顺应过程和压机回程的复位过程均自动实现而不需要从压机系统获取任何控制或检测信号。
　　 “高性能四足仿生机器人”项目的核心技术之一是高功率密度液压动力单元、伺服单元等关键部件的设计技术,高功率密度液压动力单元的研制是保证“四足仿生机器人”实现高动态性、高适应性和高负载能力的基础。针对高功率密度驱动的轻量化、低功耗的目标,基于简捷化、一体化、超高压、低泄漏、负载匹配的设计思路,提出了微电机控制伺服油缸结构原理,以首创的螺旋阀口技术解决了微电机控制伺服阀中电机旋转运动与阀芯直线运动的直接转换问题,微电机替代传统伺服阀的先导级,降低了加工难度且具有无零位油耗、油质要求低等突出优点,使开发超高压、一体化的液压伺服元件成为可能。
　　 蛇形机器人的驱动基本上都是采用电机驱动,存在关节自由度少、控制复杂、驱动器体积大重量重的问题,二元执行器只有两种离散的稳定状态,不需要反馈控制,将二元驱动应用于蛇形机器人的开发能够解决关节自由度少、控制复杂的问题,针对二元驱动超冗余机器人系统体积重量大、平台承载能力不强以及功耗大的问题,提出了微型触发式二元驱动气动单元结构原理,不仅实现了控制气阀及气动单元的微型化而且提出了创新的触发式电磁控制的方法,大大降低了控制电的配置功率。
　　 主要研究内容如下:
　　 第一章,简要介绍了巨型锻造操作机液压伺服控制技术研究的项目背景及国内外研究现状,分析了上海交大设计的2000kN/4000kNm锻造操作机结构及控制特点,针对锻造操作机控制中的关键技术,力觉感知和主动顺应控制,给出了解决方案并对其原理进行了阐述。建立了混合压力/位置控制液压系统的仿真模型,详细分析了系统控制参数对混合压力/位置控制特性的作用规律,对载荷作用下的混合压力/位置控制液压系统的顺应特性进行了仿真研究。在锻造操作机原型样机上开展了有关混合压力/位置控制系统特性的实验研究。
　　 第二章,简要介绍了四足仿生机器人高功率密度液压驱动研究的项目背景及国内外研究现状,阐述了高功率密度液压驱动的研究思路,进行了微电机控制伺服油缸的结构原理设计,提出了采用螺旋阀口形式的新型液压滑阀结构,并对滑阀内部螺旋流道进行了流体仿真分析,设计了微电机控制伺服油缸实验内容和实验装置,针对负载匹配提出了梯级压力供油方案,阐述了增压技术和负载敏感式供油切换阀原理。
　　 第三章,简要介绍了二元驱动蛇形机器人的项目背景及国内外研究现状,分析了二元驱动SIeWan平台的位姿和离散工作空间,进行了微型触发式二元驱动气动单元结构原理设计,并对微型气阀进行了流动特性仿真分析。