引言

習近平總書記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)水平的一個重要標志。現(xiàn)在,機器人技術發(fā)展很快,智能化程度越來越高,功率越來越大,反應速度越來越快,功能越來越強大。

流體傳動技術使用簡單,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程控制。因此該技術發(fā)展很快,現(xiàn)已成為國家工業(yè)及國防建設的基礎之一,各國都非常重視?，F(xiàn)在,流體傳動技術正向著自動化、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。

流體傳動技術是工業(yè)領域非常常用的技術,該技術與機電傳動技術、機械傳動技術等并列成為系統(tǒng)設計的幾大傳動技術。流體傳動系統(tǒng)主要由動力元件、執(zhí)行元件、控制調節(jié)元件、輔助元件和傳動介質五大部分組成。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,流體傳動技術和機器人技術的結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

流體傳動技術和機器人技術的結合最普遍,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)。這樣的機器人結構簡單,控制方便。

1.2旋轉液壓缸、氣缸

對于需要旋轉自由度的機器人,可以通過直線液壓缸、氣缸運行間接形成旋轉自由度,以完成機器人的運動。但為了簡化機器人結構,使機器人結構簡單,更容易控制,可以利用旋轉液壓缸、旋轉氣缸直接形成旋轉運動,功率大的用旋轉液壓缸,功率小的大多用旋轉氣缸。但旋轉液壓缸、旋轉氣缸不能夠整周旋轉,只能夠在一定方向內擺動,因此其旋轉自由度也是有一定限制的。又因為旋轉液壓缸、旋轉氣缸相對于直線液壓缸、氣缸較貴,因此其應用成本相對較高,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50年代的氣動人工肌肉最初用于人工假肢,21世紀才開始向實用化方向發(fā)展,氣動人工肌肉模仿人體結構,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構和運動特性,其和機器人結合非常廣泛。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研究:美國華盛頓大學和日本Bridgestone已經分別研發(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,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,需要相應的傳感器控制其精確的旋轉角度。現(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。

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,應用的場所不同,所處的環(huán)境也不同,不同的環(huán)境也導致機器人與不同的流體傳動技術結合情況不同,流體傳動技術與機器人的結合也讓流體傳動技術本身不斷發(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動器骨架,外部包裹特種材料,內部充滿氣體,可以讓機器人在天空如在水里游泳一樣飛行,結構簡單,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服務于地面

2.3.1工業(yè)機器人

工業(yè)機器人應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動器。伺服電機控制精度高,但相對于旋轉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氣缸和直線氣缸,或者是旋轉液壓缸和直線液壓缸來作為驅動器進行工作,因此其應用也比較廣泛。相對于價格昂貴的伺服電機及關節(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結合的一種經典的機器人,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)調性和自適應性以及更大的負載力。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。與先進伺服控制技術與傳感器的結合,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動關節(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領域研究的重點。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、蘭州理工大學、哈爾濱工程大學對水下流體驅動的機器人都做了相關研究。

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工作。該機器人為液壓驅動,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結語

流體傳動技術的發(fā)展讓其在機器人上的應用更加廣泛。在機器人技術與液壓技術越來越高、精、尖的今天,我們應該更加注意技術的結合,提升技術的融合度,注意各項技術的發(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。