面向仿生机器人的水压电液驱动技术研究

In view of the existing limitations of the oil hydraulic actuation (OHA) and the advantages and challenges of water hydraulic actuation (WHA), a scheme is propounded to develop compact, efficient and effective water electro-hydraulic components for bionic robots. The key basic technologies, such as the flow characteristics of radial aperture orifice (including the flow-pressure difference relationship, flow induced torque, cavitation etc.), the lubrication and seal performance of annular clearance with relative rotational movement and under water lubricated condition, the structure optimization and the control strategy of water electro-hydraulic components, are thoroughly and systematically investigated. Within middle-high pressure (0~16MPa), the hydraulic bridge circuit theory and the hydraulic theory of radial aperture orifice are developed, the lubrication and seal theory of annular clearance with relative rotational movement are generalized and the design theory and method is put forward for water electro-hydraulic components. Based on the research above, compact, efficient and effective water electro- hydraulic components are developed. The research provides fundamental basis for the development of water-hydraulically actuated bionic robots and other high performance automation equipment.

针对仿生机器人的油压驱动技术的缺陷，结合水压驱动技术的优点及技术难题，本项目提出为仿生机器人研发结构紧凑、节能高效的水压电液驱动元件。对研发中面临的关键基础技术，如水压周向阀口水力学特性(包括压力流量特性、液动力矩特性、气蚀特性等)、水润滑条件下具有相对旋转运动的环形缝隙的润滑及密封特性、水压电液驱动元件的结构优化及控制策略等进行系统深入的研究。在中高压(0~16MPa) 范围内，建立基于水压周向阀口的液压桥路理论及水力学理论，构建水润滑条件下的具有相对旋转运动的环形缝隙的润滑及密封理论，提出水液压电液驱动元件的设计理论及方法。在上述研究的基础上，研制出结构紧凑、节能高效的水压电液驱动元件。通过本课题的研究，为研制水压驱动的仿生机器人及其他高性能的自动化装备奠定理论和应用基础。

相对于油液压驱动技术，水液压具有阻燃、阻爆、刚性大、控制精度高、响应速度快、截止和振幅不失真频率范围宽、抗干扰强等优点，是仿生机器人最佳驱动方式。然而，当前液压驱动的仿生机器人均以液压油为介质，主要原因是水压电液驱动的关键技术难题未得到解决。基于此，本项目为仿生机器人研发出结构紧凑、节能高效的水液压电液驱动元件，并对研发中面临的关键技术难题进行了大量理论、仿真及试验研究：（1）建立了不同结构形式的水液压周向阀口模型，对其水力学特性（包括流量压力特性、液动力矩特性、气蚀特性等）进行了仿真研究；研制出水液压周向阀口水力学特性试验台及其数据采集处理系统，对相关特性进行了试验研究；总结出水液压周向阀口的液压桥路理论及设计方法；（2）建立了旋转式水液压伺服阀及液压缸模型，对其特性进行了理论及仿真分析，并制造了旋转式水液压伺服阀和水液压缸样机，并研制出了微型直流电机控制系统，对伺服阀的控制策略及元件性能进行了试验研究，归纳出旋转式水液压伺服阀及液压缸设计理论及控制策略；（3）研制出了水液压环形缝隙试验平台，并进行了相关试验研究；（4）建立了弹簧复位式水液压电液驱动元件的模型，研究了其静动态性能，总结出了水压电液驱动元件设计方法；（5）建立了基于水液压电液驱动器的足式仿生机器人单腿模型，并进行了仿真研究，验证了其可行性；（6）研制出了试验台配套的水液压元件：双向水液压球齿泵、溢流阀、减压阀、节流阀等，并进行了性能试验研究。研制的水液压旋转伺服阀（2套）工作压力≥10MPa、流量≥10L/min、响应频率≥30Hz；水液压缸（6只）工作压力≥16MPa、行程100mm、最大推力≥5kN；周向阀口特性试验台最大工作压力16MPa，能对直径≤25mm不同形状的周向阀口进行性能试验，能检测旋转阀芯与阀套间的水膜厚度及压力；水液压测控采集系统能实现24路数据检测，能实现直流电机的PWM控制；配套水液压元件工作压力≥10MPa，流量约10L/min。发表科研论文14篇（SCI/EI检索6篇），申请或授权专利40多项（其中发明专利20多项，授权实用新型专利13项）；培养研究生10余名。通过本课题的研究，为研发水液压驱动仿生机器人、水下机械手及其他高性能自动化装备奠定了理论和应用基础。