易控转角自伺服的内置小型化可重构液压关节技术研究

可重构液压关节在液压机器人领域有重要意义，针对可重构液压关节研究中存在关节尺寸过大、关节重构性能不佳、液压系统动力非线性、构型设计搜索空间过大且离散难于优化等难题和当前液压转角伺服存在阀芯受力不均、阻力大，伺服速度、伺服盲区和制备均不理想等问题。本项目提出采用阀芯上多油口成对垂直正交分布及采用添加易于制备的暗油道沟通阀套等方法解决液压转角伺服的上述问题，得到易控液压转角自伺服技术。将易控液压转角自伺服技术应用于可重构液压关节设计中，得到内置小型化可重构液压关节，这种优化结构的关节可提高关节重构性能；用基于误差的PID 参数模糊自适应控制策略解决液压系统动力的非线性控制问题；并用遗传算法将构型中的基本活动关节种类及排列顺序作为变量进行优化，解决构型设计难题。通过开展相关研究解决可重构液压关节方面的技术难题，为可重构液压机器人的发展奠定基础。

液压转角自伺服技术是将液压伺服技术和电机控制技术相结合，让小尺寸、小力矩的电机通过液压伺服机构控制大力矩转角输出，能减小液压关节尺寸并实现油道内置。.本项目设计出了一种旋转液压自伺服关节，该关节中阀芯、阀套采用矩形阀口来控制油路，流量增益线性；且油路仅经过阀芯表面与阀套配油，油液通流量大；阀芯和阀套没有复杂的内油道，结构简单，易于加工；阀芯与阀套对称配流，阀芯径向力平衡，所受的阻力与液压卡紧力均很小、动力特性好。采用了遗传算法对旋转液压自伺服关节进行结构优化，即首先利用Simulink对关节进行动态仿真及特性分析，获得工作腔排量和油道直径的优化值，然后基于工作腔排量优化值建立关节工作腔的优化函数，并通过遗传算法对其进行求解，最终获得关节工作腔的优化尺寸，使整个关节结构更优。采用了动网格和UDF技术对优化后的关节内部流场进行动态数值模拟，较真实地模拟出关节内部流场的瞬时流动情况，验证关节优化设计的正确性。采用FLUENT软件对优化后的关节阀芯阀套间环形间隙进行了仿真分析，得到了间隙油膜厚度与泄漏量和粘性摩擦力矩之间的关系，最终获得了油膜厚度的最优值。利用有限元方法对该关节的阀体和缸体进行了有限元建模和静动力学分析，得出了它们在受载时的应力和位移分布规律，并获取了阀体和缸体的各阶固有频率及其振型，为关节的优化设计﹑试验提供理论依据。.基于前面的研究，设计了可重构液压自伺服机器人回转关节、摆动关节、3自由度腕关节等，这些液压自伺服关节具有体积小、力矩大、易于控制等优点。并开展可重构液压自伺服机器人运动分析与构型研究，并通过遗传算法进行构型选优，用迭代法分析可重构液压自伺服机器人正逆运动学。确定了相邻两个动力模块和中间连杆模块的组合方式，并建立多种组合方式的D-H参数库，可由可重构液压自伺服机器人构型中动力模块类型调用D-H参数库建立运动学方程。在考虑可重构机器人构型多个方面评价标准后，提出以最小转动完成规定轨迹运动作为可重构机器人的综合评价标准，这种评价标准较为综合地囊括了可重构机器人可达性、灵巧性和避障能力等。本文设定了一种轨迹线的运动规划，通过遗传算法来计算该轨迹的最优构型，通过MATLAB与ADAMS仿真对最优构型进行最优构型仿真分析，验证了所提构型优化方法的有效性。