流體傳動(dòng)技術(shù)在機(jī)器人中的應(yīng)用

引言

習(xí)近平總書記2015年8月31日在國(guó)際機(jī)器人大會(huì)上指出,機(jī)器人技術(shù)是"制造業(yè)皇冠頂端的明珠",機(jī)器人的研發(fā)和制造、機(jī)器人的應(yīng)用是衡量一個(gè)國(guó)家科技創(chuàng)新及其高端制造業(yè)水平的一個(gè)重要標(biāo)志?，F(xiàn)在,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展很快,智能化程度越來越高,功率越來越大,反應(yīng)速度越來越快,功能越來越強(qiáng)大。

流體傳動(dòng)技術(shù)使用簡(jiǎn)單,可獲得大的作用力,安全可靠,可實(shí)現(xiàn)高程度的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制。因此該技術(shù)發(fā)展很快,現(xiàn)已成為國(guó)家工業(yè)及國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)之一,各國(guó)都非常重視?，F(xiàn)在,流體傳動(dòng)技術(shù)正向著自動(dòng)化、集成化、智能化程度越來越高,大功率、高效率、節(jié)能的方向發(fā)展。

流體傳動(dòng)技術(shù)是工業(yè)領(lǐng)域非常常用的技術(shù),該技術(shù)與機(jī)電傳動(dòng)技術(shù)、機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)等并列成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾大傳動(dòng)技術(shù)。流體傳動(dòng)系統(tǒng)主要由動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制調(diào)節(jié)元件、輔助元件和傳動(dòng)介質(zhì)五大部分組成。根據(jù)流體傳動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行元件的不同和機(jī)器人所在環(huán)境的不同,流體傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合可從以下兩方面進(jìn)行介紹。

1利用不同的流體傳動(dòng)執(zhí)行元件

流體傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件種類較多,型號(hào)大小也千差萬別。因此,對(duì)不同型號(hào)、不同功能的機(jī)器人,可以運(yùn)用不同的執(zhí)行元件來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的動(dòng)作,達(dá)到機(jī)器人的功能。

1.1直線液壓缸、氣缸

流體傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的結(jié)合最普遍,最典型的是直線液壓缸、直線氣缸作為機(jī)器人運(yùn)行的自由度方式,通過缸體直線運(yùn)動(dòng)形成的直線自由度或旋轉(zhuǎn)自由度運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榇蟛糠至黧w傳動(dòng)系統(tǒng)利用直線液壓缸、氣缸作為執(zhí)行元件完成動(dòng)作,因此將直線缸用到機(jī)器人身上的情況比較多。通過直流(較多)電磁閥或交流控制缸體運(yùn)動(dòng),通過繼電器等控制電磁閥,通過單片機(jī)或PLC控制繼電器,形成最簡(jiǎn)單的機(jī)器人運(yùn)行控制系統(tǒng)。這樣的機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便。

1.2旋轉(zhuǎn)液壓缸、氣缸

對(duì)于需要旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)器人,可以通過直線液壓缸、氣缸運(yùn)行間接形成旋轉(zhuǎn)自由度,以完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。但為了簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu),使機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,更容易控制,可以利用旋轉(zhuǎn)液壓缸、旋轉(zhuǎn)氣缸直接形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),功率大的用旋轉(zhuǎn)液壓缸,功率小的大多用旋轉(zhuǎn)氣缸。但旋轉(zhuǎn)液壓缸、旋轉(zhuǎn)氣缸不能夠整周旋轉(zhuǎn),只能夠在一定方向內(nèi)擺動(dòng),因此其旋轉(zhuǎn)自由度也是有一定限制的。又因?yàn)樾D(zhuǎn)液壓缸、旋轉(zhuǎn)氣缸相對(duì)于直線液壓缸、氣缸較貴,因此其應(yīng)用成本相對(duì)較高,但這相比于機(jī)器人整體的價(jià)值來說是可以忽略的。

1.3氣動(dòng)人工肌肉

誕生于20世紀(jì)50年代的氣動(dòng)人工肌肉最初用于人工假肢,21世紀(jì)才開始向?qū)嵱没较虬l(fā)展,氣動(dòng)人工肌肉模仿人體結(jié)構(gòu),通過進(jìn)氣、排氣形成缸體如肌肉般的動(dòng)作。氣動(dòng)人工肌肉發(fā)展迅猛,由于其本身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性,其和機(jī)器人結(jié)合非常廣泛。在英國(guó),shadow機(jī)器人公司已利用氣動(dòng)人工肌肉開展了全氣動(dòng)機(jī)器人的相關(guān)研究:美國(guó)華盛頓大學(xué)和日本Bridgestone已經(jīng)分別研發(fā)了仿人手臂AnthroformArm和softArm。由于氣動(dòng)人工肌肉本身的這些優(yōu)勢(shì),氣動(dòng)人工肌肉可以預(yù)見將來必將成為人形仿真機(jī)器人的首選動(dòng)力元件。

1.4液壓馬達(dá)、氣馬達(dá)

液壓馬達(dá)、氣馬達(dá)可以超過360°整周旋轉(zhuǎn),是流體傳動(dòng)系統(tǒng)中比較常用的執(zhí)行元件。它們主要用在需要整周運(yùn)動(dòng)的自由度上,需要相應(yīng)的傳感器控制其精確的旋轉(zhuǎn)角度?，F(xiàn)在出現(xiàn)了用于人體機(jī)器人的微型液壓馬達(dá),讓機(jī)器人與液壓的結(jié)合更加緊密,也為以后機(jī)器人的智能化、精密化打下了良好的基礎(chǔ)。

2根據(jù)機(jī)器人所處環(huán)境的不同

機(jī)器人的種類和功能不同,應(yīng)用的場(chǎng)所不同,所處的環(huán)境也不同,不同的環(huán)境也導(dǎo)致機(jī)器人與不同的流體傳動(dòng)技術(shù)結(jié)合情況不同,流體傳動(dòng)技術(shù)與機(jī)器人的結(jié)合也讓流體傳動(dòng)技術(shù)本身不斷發(fā)展、不斷更新。

2.1飛翔于天空

利用流體傳動(dòng)元件使機(jī)器人在天空運(yùn)動(dòng)的應(yīng)用較多,其中比較典型的如德國(guó)Festo公司研發(fā)的仿生蝠鱗機(jī)器人,該機(jī)器人以氣動(dòng)人工肌肉為驅(qū)動(dòng)器骨架,外部包裹特種材料,內(nèi)部充滿氣體,可以讓機(jī)器人在天空如在水里游泳一樣飛行,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,控制方便。

2.2行走于墻面

大部分爬墻機(jī)器人利用吸盤讓機(jī)器人與腔體吸合,讓機(jī)器人固定于墻面。這類機(jī)器人利用高速空氣流形成真空腔體,讓吸盤或手爪可以吸附于墻壁。新西蘭的坎特伯雷大學(xué)研發(fā)的5倍超音速伯努利機(jī)器人手爪讓機(jī)爬墻機(jī)器人不但可以在墻面上移動(dòng),而且可以在屋頂行走。

2.3服務(wù)于地面

2.3.1工業(yè)機(jī)器人

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用較多的是用伺服電機(jī)做動(dòng)力源的機(jī)器人,這類機(jī)器人可以稱為機(jī)械臂,這類機(jī)器人有很多也用氣動(dòng)做驅(qū)動(dòng)器。伺服電機(jī)控制精度高,但相對(duì)于旋轉(zhuǎn)氣缸或直線氣缸來說,其作用力較小,因此,對(duì)于控制精度要求不太高,但需要作用力較大的場(chǎng)合可以用旋轉(zhuǎn)氣缸和直線氣缸,或者是旋轉(zhuǎn)液壓缸和直線液壓缸來作為驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行工作,因此其應(yīng)用也比較廣泛。相對(duì)于價(jià)格昂貴的伺服電機(jī)及關(guān)節(jié)減速器來說,流體傳動(dòng)元件型工業(yè)機(jī)器人有很好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)和優(yōu)越的可控性。

2.3.2大狗機(jī)器人

大狗機(jī)器人也是機(jī)器人和流體傳動(dòng)技術(shù)結(jié)合的一種經(jīng)典的機(jī)器人,它是1992年由波士頓動(dòng)力公司研發(fā)的,該機(jī)器人先進(jìn)的液壓伺服控制系統(tǒng),讓其具備強(qiáng)大的協(xié)調(diào)性和自適應(yīng)性以及更大的負(fù)載力。其后續(xù)研發(fā)的獵豹、夜貓機(jī)器人也都用到了先進(jìn)的液壓伺服控制技術(shù)。與先進(jìn)伺服控制技術(shù)與傳感器的結(jié)合,讓獵豹和夜貓不但靈活性更高,而且速度更快,達(dá)到了驚人的46km/h。2013年7月,"阿特拉斯"人形機(jī)器人橫空出世,該機(jī)器人裝有先進(jìn)的液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié),可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的計(jì)算機(jī)以及先進(jìn)的液壓泵和熱管理系統(tǒng),讓該機(jī)器人功能更為強(qiáng)大。

2.4暢游于水下

水下機(jī)器人也是近年來機(jī)器人相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。由于水下人工動(dòng)作費(fèi)力且不夠靈敏,而水下液壓機(jī)械臂控制方便,動(dòng)作力大,因此,可以很好地代替人類進(jìn)行工作。如加拿大IsE公司研發(fā)的水下機(jī)械臂,可負(fù)重68kg,在水下5000m工作:日本小松研發(fā)的七功能水下機(jī)械臂可滿足大型水下作業(yè)對(duì)機(jī)器人性能的要求。我國(guó)華中科技大學(xué)、蘭州理工大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)對(duì)水下流體驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人都做了相關(guān)研究。

2.5穿梭于地下

"穿地龍"機(jī)器人是一種典型的地下機(jī)器人,該機(jī)器人能在地下穿越土壤,自行游走,還可以在地下管道中展開相關(guān)工作。該機(jī)器人為液壓驅(qū)動(dòng),通過液壓馬達(dá)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)"穿地龍"機(jī)器人在泥土里的位姿變化。

3結(jié)語

流體傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展讓其在機(jī)器人上的應(yīng)用更加廣泛。在機(jī)器人技術(shù)與液壓技術(shù)越來越高、精、尖的今天,我們應(yīng)該更加注意技術(shù)的結(jié)合,提升技術(shù)的融合度,注意各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,只有這樣,才能在科技競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天保持發(fā)展。