面向多关节液压机械臂的液压步进驱动技术基础研究

With the advantages of high load capacity, fast response, compact structure, the hydraulic manipulators have been widely used in construction machinery, heavy-duty operation robots and other fields. In order to be more intelligent, joint position control is the basic requirement. Unlike the traditional electro-hydraulic servo/proportional position closed-loop control technology, the hydraulic stepping technology discretizes the transmission medium into small fixed volumes. The target position can be reached by means of controlling the number of steps without using any position sensors and its closed-loop control units. This will provide significant advantages in terms of system cost, robustness, and energy efficiency. At present, limited by the response and flow capacity of the step control valve, the traditional hydraulic stepping drive technology has problems such as large pressure surge, low precision, and slow response speed, and cannot be applied to the hydraulic manipulators..Based on the micro high-speed on-off valve developed by the research group, this project plans to design a hydraulic step driver, focusing on the mechanism and suppression method of step-switching impact, volumetric sensitivity analysis and compensation method of discrete transmission medium, and stepping drive timing and fast drive method. By further reducing the impact, improving the accuracy and response speed, a new driving scheme is provided for the joint design of the multi-joint hydraulic manipulators.

液压机械臂具有载重能力强、响应快、结构紧凑等优点，广泛用于工程施工机械、重载作业机器人等领域。在智能化的发展趋势下，实现液压机械臂关节自主定位和控制是基本要求。与传统电液伺服/比例位置闭环控制技术不同，液压步进技术将传动介质离散为微小固定体积，通过控制步进数量可实现位置开环控制，无需位移传感器及其闭环控制回路，在系统成本、鲁棒性和节能性方面具有显著优势。目前，受限于步进控制阀的响应速度和通流能力，传统液压步进驱动技术存在冲击振动大、精度低、响应速度慢等问题，还无法应用于液压机械臂。.基于课题组研制的微型高速开关阀，本项目拟设计一种新型液压步进驱动器，重点研究步进切换冲击作用机理及其抑制方法、离散传动介质体积敏感性分析及其补偿方法、步进驱动最优时序及快速驱动方法。通过进一步降低冲击、提高精度和响应速度，为多关节液压机械臂的驱动关节设计提供新的驱动方案，实现在机器人领域的工程应用。

液压机械臂具有载重能力强、响应快、结构紧凑等优点，广泛用于工程施工机械、重载作业机器人等领域。基于高速开关阀的液压步进技术无需位移传感器即可实现位移精确控制，可使液压机械臂在系统成本、鲁棒性和节能性方面具有显著优势，但也存在冲击振动大、精度低、响应速度慢等问题。.本项目基于微型高速开关阀，设计了一种新型液压步进驱动器，搭建理论模型，并围绕冲击振动、精度和响应速度三方面分别开展研究。首先，研究了步进切换冲击作用机理及抑制方法，对微型步进柱塞的缓冲结构进行研究和分析，对比了不同缓冲方案。结果表明，台阶形缓冲结构能够有效地抑制活塞动作过程中的冲击。其次，研究了离散传动介质体积敏感性分析及其补偿方法，对步进驱动方案中“后步进”现象的成因进行解释并提出解决方案，而且改进后的方案可以有效消除“后步进”现象，将步进驱动方案误差降低11.58% ，显著提高了步进驱动方案的控制精度。最后，分析了步进驱动器响应时间与压力、行程等参数的影响关系，提出了一种基于压力特征提取的步进位移自感知技术，可有效提高步进驱动在不同工况下的响应速度，响应速度可提升30%以上。项目成果可为高速开关阀组高精度、低冲击研究提供理论支撑，同时也为工程施工机械、重载作业机器人等提供无位移传感器的位移驱动控制方案。