機(jī)器人液壓-氣壓驅(qū)動(dòng)新方法研究.pdf

1、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)需要將來自電、液、氣等多種能源的能量轉(zhuǎn)化成關(guān)節(jié)的直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置——驅(qū)動(dòng)器。液壓/氣壓驅(qū)動(dòng)器相比于電氣驅(qū)動(dòng)器而言具有功率密度大和易于實(shí)現(xiàn)力控制的優(yōu)點(diǎn)。流體動(dòng)力系統(tǒng)更能滿足機(jī)器人低速大扭矩的應(yīng)用需求。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展給用于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的驅(qū)動(dòng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn):節(jié)能化、智能化、輕量化和微型化。節(jié)能化、輕量化和微型化有待于液壓/氣壓元件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn),智能化有待于液壓/氣壓控制方法的創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)。本文以巨型操作手和移動(dòng)

2、機(jī)器人的液壓/氣壓驅(qū)動(dòng)技術(shù)為選題,著重對(duì)液壓智能控制方法、高功率密度液壓驅(qū)動(dòng)元件和微型氣壓驅(qū)動(dòng)元件進(jìn)行了研究。
　　 在制造過程中,要求操作裝備的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)于制造過程中的工件變形所造成的位移具有力順應(yīng)性和位置順應(yīng)性,以避免因約束沖突造成的載荷劇增或夾持失效。研究從力覺感知和主動(dòng)順應(yīng)入手,提出了基于混合力/位控制的鍛造操作機(jī)順應(yīng)控制方法,系統(tǒng)的分析了液壓伺服控制系統(tǒng)混合壓力/位置控制特性和鍛壓過程順應(yīng)控制特性,該順應(yīng)控制方法使

3、得操作機(jī)夾鉗對(duì)工件的反作用力保持在較小的變化范圍,并且操作機(jī)對(duì)壓機(jī)壓下的順應(yīng)過程和壓機(jī)回程的復(fù)位過程均自動(dòng)實(shí)現(xiàn)而不需要從壓機(jī)系統(tǒng)獲取任何控制或檢測(cè)信號(hào)。
　　 “高性能四足仿生機(jī)器人”項(xiàng)目的核心技術(shù)之一是高功率密度液壓動(dòng)力單元、伺服單元等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)技術(shù),高功率密度液壓動(dòng)力單元的研制是保證“四足仿生機(jī)器人”實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)性、高適應(yīng)性和高負(fù)載能力的基礎(chǔ)。針對(duì)高功率密度驅(qū)動(dòng)的輕量化、低功耗的目標(biāo),基于簡捷化、一體化、超高壓、低泄漏、負(fù)

4、載匹配的設(shè)計(jì)思路,提出了微電機(jī)控制伺服油缸結(jié)構(gòu)原理,以首創(chuàng)的螺旋閥口技術(shù)解決了微電機(jī)控制伺服閥中電機(jī)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與閥芯直線運(yùn)動(dòng)的直接轉(zhuǎn)換問題,微電機(jī)替代傳統(tǒng)伺服閥的先導(dǎo)級(jí),降低了加工難度且具有無零位油耗、油質(zhì)要求低等突出優(yōu)點(diǎn),使開發(fā)超高壓、一體化的液壓伺服元件成為可能。
　　 蛇形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)基本上都是采用電機(jī)驅(qū)動(dòng),存在關(guān)節(jié)自由度少、控制復(fù)雜、驅(qū)動(dòng)器體積大重量重的問題,二元執(zhí)行器只有兩種離散的穩(wěn)定狀態(tài),不需要反饋控制,將二元驅(qū)動(dòng)應(yīng)用

5、于蛇形機(jī)器人的開發(fā)能夠解決關(guān)節(jié)自由度少、控制復(fù)雜的問題,針對(duì)二元驅(qū)動(dòng)超冗余機(jī)器人系統(tǒng)體積重量大、平臺(tái)承載能力不強(qiáng)以及功耗大的問題,提出了微型觸發(fā)式二元驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)單元結(jié)構(gòu)原理,不僅實(shí)現(xiàn)了控制氣閥及氣動(dòng)單元的微型化而且提出了創(chuàng)新的觸發(fā)式電磁控制的方法,大大降低了控制電的配置功率。
　　 主要研究內(nèi)容如下:
　　 第一章,簡要介紹了巨型鍛造操作機(jī)液壓伺服控制技術(shù)研究的項(xiàng)目背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析了上海交大設(shè)計(jì)的2000kN/4

6、000kNm鍛造操作機(jī)結(jié)構(gòu)及控制特點(diǎn),針對(duì)鍛造操作機(jī)控制中的關(guān)鍵技術(shù),力覺感知和主動(dòng)順應(yīng)控制,給出了解決方案并對(duì)其原理進(jìn)行了闡述。建立了混合壓力/位置控制液壓系統(tǒng)的仿真模型,詳細(xì)分析了系統(tǒng)控制參數(shù)對(duì)混合壓力/位置控制特性的作用規(guī)律,對(duì)載荷作用下的混合壓力/位置控制液壓系統(tǒng)的順應(yīng)特性進(jìn)行了仿真研究。在鍛造操作機(jī)原型樣機(jī)上開展了有關(guān)混合壓力/位置控制系統(tǒng)特性的實(shí)驗(yàn)研究。
　　 第二章,簡要介紹了四足仿生機(jī)器人高功率密度液壓驅(qū)動(dòng)研究的

7、項(xiàng)目背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,闡述了高功率密度液壓驅(qū)動(dòng)的研究思路,進(jìn)行了微電機(jī)控制伺服油缸的結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì),提出了采用螺旋閥口形式的新型液壓滑閥結(jié)構(gòu),并對(duì)滑閥內(nèi)部螺旋流道進(jìn)行了流體仿真分析,設(shè)計(jì)了微電機(jī)控制伺服油缸實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)裝置,針對(duì)負(fù)載匹配提出了梯級(jí)壓力供油方案,闡述了增壓技術(shù)和負(fù)載敏感式供油切換閥原理。
　　 第三章,簡要介紹了二元驅(qū)動(dòng)蛇形機(jī)器人的項(xiàng)目背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,分析了二元驅(qū)動(dòng)SIeWan平臺(tái)的位姿和離散工作空間,進(jìn)