流體傳動技術(shù)在機器人中的應(yīng)用

引言

習(xí)近平總書記2015年8月31日在國際機器人大會上指出,機器人技術(shù)是"制造業(yè)皇冠頂端的明珠",機器人的研發(fā)和制造、機器人的應(yīng)用是衡量一個國家科技創(chuàng)新及其高端制造業(yè)水平的一個重要標(biāo)志?，F(xiàn)在,機器人技術(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,功能越來越強大。

流體傳動技術(shù)使用簡單,可獲得大的作用力,安全可靠,可實現(xiàn)高程度的自動化和遠(yuǎn)程控制。因此該技術(shù)發(fā)展很快,現(xiàn)已成為國家工業(yè)及國防建設(shè)的基礎(chǔ)之一,各國都非常重視?，F(xiàn)在,流體傳動技術(shù)正向著自動化、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。

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

1利用不同的流體傳動執(zhí)行元件

流體傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件種類較多,型號大小也千差萬別。因此,對不同型號、不同功能的機器人,可以運用不同的執(zhí)行元件來實現(xiàn)機器人的動作,達到機器人的功能。

1.1直線液壓缸、氣缸

流體傳動技術(shù)和機器人技術(shù)的結(jié)合最普遍,最典型的是直線液壓缸、直線氣缸作為機器人運行的自由度方式,通過缸體直線運動形成的直線自由度或旋轉(zhuǎn)自由度運動。因為大部分流體傳動系統(tǒng)利用直線液壓缸、氣缸作為執(zhí)行元件完成動作,因此將直線缸用到機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動,通過繼電器等控制電磁閥,通過單片機或PLC控制繼電器,形成最簡單的機器人運行控制系統(tǒng)。這樣的機器人結(jié)構(gòu)簡單,控制方便。

1.2旋轉(zhuǎn)液壓缸、氣缸

對于需要旋轉(zhuǎn)自由度的機器人,可以通過直線液壓缸、氣缸運行間接形成旋轉(zhuǎn)自由度,以完成機器人的運動。但為了簡化機器人結(jié)構(gòu),使機器人結(jié)構(gòu)簡單,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)運動,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,因此其旋轉(zhuǎn)自由度也是有一定限制的。又因為旋轉(zhuǎn)液壓缸、旋轉(zhuǎn)氣缸相對于直線液壓缸、氣缸較貴,因此其應(yīng)用成本相對較高,但這相比于機器人整體的價值來說是可以忽略的。

1.3氣動人工肌肉

誕生于20世紀(jì)50年代的氣動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,氣動人工肌肉模仿人體結(jié)構(gòu),通過進氣、排氣形成缸體如肌肉般的動作。氣動人工肌肉發(fā)展迅猛,由于其本身獨特的結(jié)構(gòu)和運動特性,其和機器人結(jié)合非常廣泛。在英國,shadow機器人公司已利用氣動人工肌肉開展了全氣動機器人的相關(guān)研究:美國華盛頓大學(xué)和日本Bridgestone已經(jīng)分別研發(fā)了仿人手臂AnthroformArm和softArm。由于氣動人工肌肉本身的這些優(yōu)勢,氣動人工肌肉可以預(yù)見將來必將成為人形仿真機器人的首選動力元件。

1.4液壓馬達、氣馬達

液壓馬達、氣馬達可以超過360°整周旋轉(zhuǎn),是流體傳動系統(tǒng)中比較常用的執(zhí)行元件。它們主要用在需要整周運動的自由度上,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)了用于人體機器人的微型液壓馬達,讓機器人與液壓的結(jié)合更加緊密,也為以后機器人的智能化、精密化打下了良好的基礎(chǔ)。

2根據(jù)機器人所處環(huán)境的不同

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

2.1飛翔于天空

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

2.2行走于墻面

大部分爬墻機器人利用吸盤讓機器人與腔體吸合,讓機器人固定于墻面。這類機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倍超音速伯努利機器人手爪讓機爬墻機器人不但可以在墻面上移動,而且可以在屋頂行走。

2.3服務(wù)于地面

2.3.1工業(yè)機器人

工業(yè)機器人應(yīng)用較多的是用伺服電機做動力源的機器人,這類機器人可以稱為機械臂,這類機器人有很多也用氣動做驅(qū)動器。伺服電機控制精度高,但相對于旋轉(zhuǎn)氣缸或直線氣缸來說,其作用力較小,因此,對于控制精度要求不太高,但需要作用力較大的場合可以用旋轉(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)動器進行工作,因此其應(yīng)用也比較廣泛。相對于價格昂貴的伺服電機及關(guān)節(jié)減速器來說,流體傳動元件型工業(yè)機器人有很好的價格優(yōu)勢和優(yōu)越的可控性。

2.3.2大狗機器人

大狗機器人也是機器人和流體傳動技術(shù)結(jié)合的一種經(jīng)典的機器人,它是1992年由波士頓動力公司研發(fā)的,該機器人先進的液壓伺服控制系統(tǒng),讓其具備強大的協(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、夜貓機器人也都用到了先進的液壓伺服控制技術(shù)。與先進伺服控制技術(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,達到了驚人的46km/h。2013年7月,"阿特拉斯"人形機器人橫空出世,該機器人裝有先進的液壓驅(qū)動關(guān)節(jié),可以進行實時控制的計算機以及先進的液壓泵和熱管理系統(tǒng),讓該機器人功能更為強大。

2.4暢游于水下

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

2.5穿梭于地下

"穿地龍"機器人是一種典型的地下機器人,該機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。該機器人為液壓驅(qū)動,通過液壓馬達控制系統(tǒng)實現(xiàn)"穿地龍"機器人在泥土里的位姿變化。

3結(jié)語

流體傳動技術(shù)的發(fā)展讓其在機器人上的應(yīng)用更加廣泛。在機器人技術(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,注意各項技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,只有這樣,才能在科技競爭日趨激烈的今天保持發(fā)展。