基本信息
- 項目名稱：
- 面向綠色制造的新型仿生人工肌肉驅(qū)動器
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本項目組提出一種純水液壓人工肌肉WHM（Water Hydraulic Muscle），其核心在于AM不再由氣壓驅(qū)動，而由純水液壓介質(zhì)驅(qū)動。純水介質(zhì)流動噪音較小、無排放、不可壓縮及其系統(tǒng)壓力高，因而WHM較氣動人工肌肉(PM)具有工作噪音低、輸出力大、響應速度快、傳動精度和重復度高等優(yōu)勢，且具有無可比擬的環(huán)境友好性.
- 詳細介紹：
- 隨著人類社會的進步和科學技術的發(fā)展，環(huán)境、資源和人口問題越來越為人們所關注。節(jié)能環(huán)保的綠色制造已成為現(xiàn)代機械工程發(fā)展的首要目標。 人工肌肉AM (Artificial Muscle)驅(qū)動技術是仿生學應用于流體傳動與控制領域的結(jié)果，是該領域的研究前沿之一。氣動人工肌肉PM (Pneumatic Muscle)廣泛應用于機器人和自動化生產(chǎn)線等領域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。 盡管高性能氣動人工肌肉PM的研制已達到很高水平，但PM工作噪音大、輸出力小、傳動精度和重復度低等固有缺點一直困擾著AM技術的發(fā)展。 水壓傳動技術近十年來取得了長足發(fā)展，是理想的綠色技術和安全技術，基于新材料和精密加工技術的新型水壓元件基本克服了初始水壓傳動存在的諸如易腐蝕、易磨損、泄漏大、效率低等缺點。AM采用水壓驅(qū)動的外部技術條件已經(jīng)成熟。 本項目組提出一種純水液壓人工肌肉WHM（Water Hydraulic Muscle），其核心在于AM不再由氣壓驅(qū)動，而由純水液壓介質(zhì)驅(qū)動。從全生命周期角度綜合考慮，水壓傳動的各種消耗要遠低于其它介質(zhì)液壓傳動，綠色特征明顯,是理想的綠色技術和安全技術。WHM突破了液壓缸必須由流體推動活塞來產(chǎn)生執(zhí)行動作這一傳統(tǒng)概念，它沒有活塞桿，甚至連活塞也沒有，僅由外包鋼絲編織網(wǎng)的橡膠筒和兩端接頭組成，充水后象強健的肌肉那樣產(chǎn)生強大的收縮力而產(chǎn)生執(zhí)行動作。純水介質(zhì)流動噪音較小、無排放、不可壓縮及其系統(tǒng)壓力高，因而WHM較氣動人工肌肉(PM)具有工作噪音小、輸出力大、傳動精度和重復度高等優(yōu)勢。我們通過對WHM驅(qū)動特性的研究以建立WHM驅(qū)動技術的基本理論和方法，用該理論和方法作指導開發(fā)出了WHM產(chǎn)品，其具有使液壓執(zhí)行器向小型化、精確化和綠色環(huán)保化發(fā)展的趨勢。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計、發(fā)明的目的和基本思路： 隨著人類社會的進步和科學技術的發(fā)展，環(huán)境、資源和人口問題越來越為人們所關注。節(jié)能環(huán)保的綠色制造已成為現(xiàn)代機械工程發(fā)展的首要目標。從全生命周期的角度綜合考慮，水壓傳動的能源、資源、物力及財力消耗要遠遠低于油壓傳動和其他介質(zhì)液壓傳動，綠色產(chǎn)品特征明顯，是理想的“綠色”技術和安全技術。 我們通過對WHM驅(qū)動特性的研究以建立WHM驅(qū)動技術的基本理論和方法，用該理論和方法作指導開發(fā)出WHM產(chǎn)品，其符合液壓執(zhí)行器向小型化、精確化和綠色環(huán)保化發(fā)展的大趨勢，具有廣闊的應用前景。 創(chuàng)新點和技術關鍵： 純水液壓人工肌肉（WHM），其核心在于仿生人工肌肉不再由氣壓驅(qū)動，而是由純水液壓驅(qū)動。WHM突破了液壓缸必須由流體推動活塞來產(chǎn)生執(zhí)行動作這一傳統(tǒng)概念，它沒有活塞桿，甚至連活塞也沒有，僅由外包鋼絲編織網(wǎng)的橡膠筒和兩端接頭組成，充水后像強健的肌肉那樣產(chǎn)生強大的收縮力而產(chǎn)生執(zhí)行動作。純水介質(zhì)流動噪音較小、無排放、不可壓縮及其系統(tǒng)壓力高，因而WHM較氣動人工肌肉(PM)具有工作噪音小、輸出力大、傳動精度和重復度高等優(yōu)勢。 主要技術指標： WHM的工作壓力為3～5MPa，是PM工作壓力的6～10 倍，其輸出力也大概是后者的6～10 倍
科學性、先進性
- 氣壓驅(qū)動的人工肌肉AM以其優(yōu)異的驅(qū)動性能和良好的工作柔性而廣泛應用于機器人和自動化生產(chǎn)線等領域，并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。然而，AM采用氣壓驅(qū)動時輸出力小、工作噪聲大、傳動精度和重復度低等固有缺點從AM技術誕生時起就困擾著AM科學技術的發(fā)展。 而液壓系統(tǒng)的工作壓力比相應的氣動系統(tǒng)高許多倍。此外，液壓介質(zhì)流經(jīng)閥口時的噪聲較小及液壓介質(zhì)具有不可壓縮性，而氣體的可壓縮性是液體的數(shù)千倍，當WHM充入壓力水而膨脹收縮產(chǎn)生執(zhí)行動作時，其增大的體積就等于充入其內(nèi)的水的體積，而當PM充入壓縮空氣而膨脹收縮產(chǎn)生執(zhí)行動作時，其增大的體積遠遠小于充入其內(nèi)的在系統(tǒng)壓力狀態(tài)下壓縮空氣的體積，因此，PM膨脹收縮產(chǎn)生的執(zhí)行動作有很強的遲滯性，而WHM的響應速度則要快很多。 因而wHM將較PM具有輸出力大、工作噪聲小、傳動精度和重復度高且響應速度快等優(yōu)勢。我們的作品將人工肌肉與當代水壓技術相結(jié)合，具有更優(yōu)異的驅(qū)動性能，還有無可比擬的環(huán)境友好性。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 江西省教育廳項目（GJJ10294）； 江西省自然科學基金重點資助項目（2009GZC0088）； 國家大學生創(chuàng)新性實驗計劃項目（0810403027） 發(fā)表相關論文兩篇： 1、《液壓與氣動》（中文核心）2010年第5期發(fā)表論文《綠色液壓人工肌肉的輸出力特性》 文章編號：1000-4858（2010）05-0070-05。 2、《機床與液壓》（中文核心）發(fā)表論文《純水液壓人工肌肉驅(qū)動系統(tǒng)的動態(tài)特性研究》 文章登記編號：JY20101266（將于2011年5月第9期見刊。）
作品所處階段
- 已完成實驗室階段，進入中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場演示 、圖片、錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 使用說明及該作品的技術特點和優(yōu)勢:WHM突破了液壓缸必須由流體推動活塞來產(chǎn)生執(zhí)行動作這一傳統(tǒng)概念，它沒有活塞桿，甚至連活塞也沒有，僅由外包鋼絲編織網(wǎng)的橡膠筒和兩端接頭組成，充水后象強健的肌肉那樣產(chǎn)生強大的收縮力而產(chǎn)生執(zhí)行動作。純水介質(zhì)流動噪音較小、無排放、不可壓縮及其系統(tǒng)壓力高，因而WHM較氣動人工肌肉(PM)具有工作噪音小、輸出力大、傳動精度和重復度高等優(yōu)勢。 該作品的適應范圍:WHM產(chǎn)品可用作驅(qū)動處理核廢料的機械手、自動生產(chǎn)線中用于驅(qū)動夾緊和定位裝置以及食品、汽車等生產(chǎn)線中用來驅(qū)動各種操作器等。 該作品的推廣前景的技術性說明及市場分析和經(jīng)濟效益預測:隨著國內(nèi)產(chǎn)業(yè)從普通裝備向相關高端產(chǎn)品升級，以及國際裝備制造業(yè)向中國的轉(zhuǎn)移，我國裝備制造業(yè)已具備持續(xù)崛起的動力，液壓技術含量高的配套產(chǎn)業(yè)面臨著難得的發(fā)展機遇，但目前國內(nèi)產(chǎn)品只能滿足中低檔配套的需求，高檔產(chǎn)品難以滿足，需靠進口來滿足。從以上分析可知，WHM對于提高液壓器件國產(chǎn)化率，高速小型化以及降低生產(chǎn)成本有著積極的意義。
同類課題研究水平概述
- 早在1930年代AM就被俄羅斯一位發(fā)明家S.Garsiev設計并制造出來。由于材料和設計的限制，AM的工作壓力范圍為0.5～0.8MPa，此壓力下若采用液壓驅(qū)動則功率重量比太低；另一方面，在純水液壓技術遠沒有發(fā)展起來之前，礦物油液壓介質(zhì)的環(huán)境友好性差，AM采用液壓驅(qū)動時應用領域受到限制。因此AM多采用壓縮空氣作為工作介質(zhì)，這導致后來對PM的諸多學術研究和工業(yè)化應用。當前，可用于制作WHM內(nèi)部橡膠筒的新型橡膠可在10MPa壓力、-60～300℃溫度范圍內(nèi)耐沖擊達150萬次以上。許多鋼絲編織膠管更可耐壓32MPa以上。AM按充壓變形原理工作，合理設計其內(nèi)部橡膠筒厚度和外部鋼絲編織網(wǎng)強度可使WHM具有合適的整體強度（在液壓驅(qū)動可接受的3～5MPa壓力下正常工作）和適當?shù)纳炜s性（伸縮率>20％）；此外，水壓傳動技術近十年來取得了長足發(fā)展，是理想的綠色技術和安全技術，基于新材料和精密加工技術的新型水壓元件基本克服了初始水壓傳動存在的諸如易腐蝕、易磨損、泄漏大、效率低等缺點。AM采用水壓驅(qū)動的外部技術條件已經(jīng)成熟。 國內(nèi)外仿生人工肌肉流體驅(qū)動技術研究主要集中于對PM的模型研究和控制方法研究。模型研究方面，Ching一Ping Chou等最早基于能量守衡定律推導了PM靜態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)了PM非線性及遲滯特性并給出了簡化靜態(tài)模型 ；Darwin Caldwell等基于PM的表面位移理論建立了PM的靜態(tài)模型； 我國的劉榮、宗光華等較早研究了PM的靜動態(tài)特性 ；哈工大的隋立明、包鋼等對PM模型進行了改進。華中科技大學Festo氣動技術中心的李寶仁等通過理論建模和實驗研究了PM的動靜態(tài)特性 ；臧克江等研究了McKibben 型PM建模方法?？刂品椒ㄑ芯糠矫?，謝建蔚、陶國良等研究了PM關節(jié)自適應魯棒控制； 浙江大學流體傳動與控制國家重點實驗室研究了可攜帶在身上的肘部彎曲關節(jié)的建模和控制方法；Tu Diep Cong Thanh等研究了PM智能相平面轉(zhuǎn)換控制特性等。南昌大學柯尊榮副教授在較低壓力下對仿生人工肌肉液壓驅(qū)動系統(tǒng)進行了研究。
