流体传动技术在机器人中的应用

引言

习近平总书记2015年8月31日在国际机器人大会上指出,机器人技术是"制造业皇冠顶端的明珠",机器人的研发和制造、机器人的应用是衡量一个国家科技创新及其高端制造业水平的一个重要标志。现在,机器人技术发展很快,智能化程度越来越高,功率越来越大,反应速度越来越快,功能越来越强大。

流体传动技术使用简单,可获得大的作用力,安全可靠,可实现高程度的自动化和远程控制。因此该技术发展很快,现已成为国家工业及国防建设的基础之一,各国都非常重视。现在,流体传动技术正向着自动化、集成化、智能化程度越来越高,大功率、高效率、节能的方向发展。

流体传动技术是工业领域非常常用的技术,该技术与机电传动技术、机械传动技术等并列成为系统设计的几大传动技术。流体传动系统主要由动力元件、执行元件、控制调节元件、辅助元件和传动介质五大部分组成。根据流体传动系统执行元件的不同和机器人所在环境的不同,流体传动技术和机器人技术的结合可从以下两方面进行介绍。

1利用不同的流体传动执行元件

流体传动系统的执行元件种类较多,型号大小也千差万别。因此,对不同型号、不同功能的机器人,可以运用不同的执行元件来实现机器人的动作,达到机器人的功能。

1.1直线液压缸、气缸

流体传动技术和机器人技术的结合最普遍,最典型的是直线液压缸、直线气缸作为机器人运行的自由度方式,通过缸体直线运动形成的直线自由度或旋转自由度运动。因为大部分流体传动系统利用直线液压缸、气缸作为执行元件完成动作,因此将直线缸用到机器人身上的情况比较多。通过直流(较多)电磁阀或交流控制缸体运动,通过继电器等控制电磁阀,通过单片机或PLC控制继电器,形成最简单的机器人运行控制系统。这样的机器人结构简单,控制方便。

1.2旋转液压缸、气缸

对于需要旋转自由度的机器人,可以通过直线液压缸、气缸运行间接形成旋转自由度,以完成机器人的运动。但为了简化机器人结构,使机器人结构简单,更容易控制,可以利用旋转液压缸、旋转气缸直接形成旋转运动,功率大的用旋转液压缸,功率小的大多用旋转气缸。但旋转液压缸、旋转气缸不能够整周旋转,只能够在一定方向内摆动,因此其旋转自由度也是有一定限制的。又因为旋转液压缸、旋转气缸相对于直线液压缸、气缸较贵,因此其应用成本相对较高,但这相比于机器人整体的价值来说是可以忽略的。

1.3气动人工肌肉

诞生于20世纪50年代的气动人工肌肉最初用于人工假肢,21世纪才开始向实用化方向发展,气动人工肌肉模仿人体结构,通过进气、排气形成缸体如肌肉般的动作。气动人工肌肉发展迅猛,由于其本身独特的结构和运动特性,其和机器人结合非常广泛。在英国,shadow机器人公司已利用气动人工肌肉开展了全气动机器人的相关研究:美国华盛顿大学和日本Bridgestone已经分别研发了仿人手臂AnthroformArm和softArm。由于气动人工肌肉本身的这些优势,气动人工肌肉可以预见将来必将成为人形仿真机器人的首选动力元件。

1.4液压马达、气马达

液压马达、气马达可以超过360°整周旋转,是流体传动系统中比较常用的执行元件。它们主要用在需要整周运动的自由度上,需要相应的传感器控制其精确的旋转角度。现在出现了用于人体机器人的微型液压马达,让机器人与液压的结合更加紧密,也为以后机器人的智能化、精密化打下了良好的基础。

2根据机器人所处环境的不同

机器人的种类和功能不同,应用的场所不同,所处的环境也不同,不同的环境也导致机器人与不同的流体传动技术结合情况不同,流体传动技术与机器人的结合也让流体传动技术本身不断发展、不断更新。

2.1飞翔于天空

利用流体传动元件使机器人在天空运动的应用较多,其中比较典型的如德国Festo公司研发的仿生蝠鳞机器人,该机器人以气动人工肌肉为驱动器骨架,外部包裹特种材料,内部充满气体,可以让机器人在天空如在水里游泳一样飞行,结构简单,控制方便。

2.2行走于墙面

大部分爬墙机器人利用吸盘让机器人与腔体吸合,让机器人固定于墙面。这类机器人利用高速空气流形成真空腔体,让吸盘或手爪可以吸附于墙壁。新西兰的坎特伯雷大学研发的5倍超音速伯努利机器人手爪让机爬墙机器人不但可以在墙面上移动,而且可以在屋顶行走。

2.3服务于地面

2.3.1工业机器人

工业机器人应用较多的是用伺服电机做动力源的机器人,这类机器人可以称为机械臂,这类机器人有很多也用气动做驱动器。伺服电机控制精度高,但相对于旋转气缸或直线气缸来说,其作用力较小,因此,对于控制精度要求不太高,但需要作用力较大的场合可以用旋转气缸和直线气缸,或者是旋转液压缸和直线液压缸来作为驱动器进行工作,因此其应用也比较广泛。相对于价格昂贵的伺服电机及关节减速器来说,流体传动元件型工业机器人有很好的价格优势和优越的可控性。

2.3.2大狗机器人

大狗机器人也是机器人和流体传动技术结合的一种经典的机器人,它是1992年由波士顿动力公司研发的,该机器人先进的液压伺服控制系统,让其具备强大的协调性和自适应性以及更大的负载力。其后续研发的猎豹、夜猫机器人也都用到了先进的液压伺服控制技术。与先进伺服控制技术与传感器的结合,让猎豹和夜猫不但灵活性更高,而且速度更快,达到了惊人的46km/h。2013年7月,"阿特拉斯"人形机器人横空出世,该机器人装有先进的液压驱动关节,可以进行实时控制的计算机以及先进的液压泵和热管理系统,让该机器人功能更为强大。

2.4畅游于水下

水下机器人也是近年来机器人相关领域研究的重点。由于水下人工动作费力且不够灵敏,而水下液压机械臂控制方便,动作力大,因此,可以很好地代替人类进行工作。如加拿大IsE公司研发的水下机械臂,可负重68kg,在水下5000m工作:日本小松研发的七功能水下机械臂可满足大型水下作业对机器人性能的要求。我国华中科技大学、兰州理工大学、哈尔滨工程大学对水下流体驱动的机器人都做了相关研究。

2.5穿梭于地下

"穿地龙"机器人是一种典型的地下机器人,该机器人能在地下穿越土壤,自行游走,还可以在地下管道中展开相关工作。该机器人为液压驱动,通过液压马达控制系统实现"穿地龙"机器人在泥土里的位姿变化。

3结语

流体传动技术的发展让其在机器人上的应用更加广泛。在机器人技术与液压技术越来越高、精、尖的今天,我们应该更加注意技术的结合,提升技术的融合度,注意各项技术的发展现状,只有这样,才能在科技竞争日趋激烈的今天保持发展。