Xi'an Zhengan Environmental Technolgy Co., Ltd.

机器人用球形泵电液作动器






       1.背景需求
       微型泵及微流体液压系统在世界范围内有非常广泛的应用前景,可应用于机器人动力系统、工业控制、无人机控制、水下作业工具、深海机器人浮力调节、水下兵器、微量计量高压泵、便携式净水装置、便携式高压细水雾清洗设备等领域。
       2.核心技术
       本项目提出一种球形变容积机构理论,这种机构是一种全新三维空间变容积机构,拥有完全独立的理论体系及知识产权体系。依据该理论可设计出多种效率高、振动小、结构简单、可靠性高的超微型动力机械,例如可设计出世界上体积最小的高压水泵、高压油泵、气体压缩机、制冷压缩机。该项目获得中国、美国、欧洲、日本、印度和巴西专利,球形微型压缩机项目2012年荣获恩布拉科全球创新大赛第一名,获得奖金10万美金。
       由于具有完全原创的知识产权体系,在动力机械领域可以形成全新的工程技术体系,具有打破和超越国外在该领域技术垄断的核心竞争力。

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图1 球形泵运动原理

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图2 球形泵原理分解
1-活塞  3-气道  12-排气通道  13-进气通道

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图3 系列球形泵照片

       3.机器人用电液作动器(EHA)
       自主行走类机器人及人体骨骼服是未来机器人发展的重要方向,其中它的动力驱动系统(机电肌肉)是核心的技术之一;目前动力驱动系统采用的结构有电机丝杠式、气动活塞式、液压活塞式,随着应用研发的深入,越来越多的结论是:在具有几十公斤以上承载要求的骨骼服上,未来重点发展的方向是液压活塞式电液驱动器(EHA),其原因是这种结构的功率密度高、系统惯性小反应迅速、结构紧奏、体积重量小,这已成为主流的研发方向。
       但由于现有液压泵原理的限制,目前骨骼服上的EHA基本上都采用总泵系统,也就是说用一个总泵带动若干个液压活塞缸,这种结构的缺点是,每一个液压活塞缸的液压油的来源都要经过较长的高压油管来输送,并且液压缸的伸缩是靠电磁换向阀来控制,这必然导致系统复杂、体积重量大、元器件数量多、能源消耗大。
       合理的设计应该是分布式液压单元的方式,也就是说给每一个液压活塞缸配置单独的液压泵及电机,根据不同的节点对力量、速度的不同要求设计不同的泵和电机系统,形成一个紧凑的独立的电液作动器作为动力单元,活塞杆的伸缩是依靠电机的正反转来实现,采用这种方案,就可省掉复杂的高压管路系统及液压换向阀,从而简化系统、减轻重量、减少能源消耗、降低成本。而现有的各种原理的液压泵很难开发出符合这种要求的产品。
       由于球形泵独特的原理优势,具有体积小、振动小的特点,同时具有可正向和反向旋转的特点,从而驱动活塞杆伸出或者收回,我们设计的EHA可以将电机、泵、作动缸集成在一起,由此机器人的液压系统可以采用分布式液压源方案,省掉了繁杂的高压油管和电磁液压换向阀,可大幅减小系统的重量、体积和功耗,大幅简化了控制系统。

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图4 机器人用电液作动器(EHA)


       目前已经设计的带有球形泵的EHA参数:
       收杆后的外形尺寸:长x宽x高 268x40x60
       机器人用球形泵电液作动器重量:1950克
       伸缩杆最大推力:2000牛顿;
       伸缩杆最大速度:100毫米/秒;
       伸缩杆最大伸出:60毫米;
       伸缩杆最大伸缩频率:2-3次/秒。

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       可以根据不同需求,设计不同尺寸的球形泵、电机、作动缸,其伸缩推力可以从300牛顿到4000牛顿。
       机器人用球形泵电液作动器样机照片:

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正面照片

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顶部照片