基本信息
- 项目名称：
- 面向绿色制造的新型仿生人工肌肉驱动器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目组提出一种纯水液压人工肌肉WHM（Water Hydraulic Muscle），其核心在于AM不再由气压驱动，而由纯水液压介质驱动。纯水介质流动噪音较小、无排放、不可压缩及其系统压力高，因而WHM较气动人工肌肉(PM)具有工作噪音低、输出力大、响应速度快、传动精度和重复度高等优势，且具有无可比拟的环境友好性.
- 详细介绍：
- 随着人类社会的进步和科学技术的发展，环境、资源和人口问题越来越为人们所关注。节能环保的绿色制造已成为现代机械工程发展的首要目标。 人工肌肉AM (Artificial Muscle)驱动技术是仿生学应用于流体传动与控制领域的结果，是该领域的研究前沿之一。气动人工肌肉PM (Pneumatic Muscle)广泛应用于机器人和自动化生产线等领域，产生了巨大的经济效益和社会效益。 尽管高性能气动人工肌肉PM的研制已达到很高水平，但PM工作噪音大、输出力小、传动精度和重复度低等固有缺点一直困扰着AM技术的发展。 水压传动技术近十年来取得了长足发展，是理想的绿色技术和安全技术，基于新材料和精密加工技术的新型水压元件基本克服了初始水压传动存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点。AM采用水压驱动的外部技术条件已经成熟。 本项目组提出一种纯水液压人工肌肉WHM（Water Hydraulic Muscle），其核心在于AM不再由气压驱动，而由纯水液压介质驱动。从全生命周期角度综合考虑，水压传动的各种消耗要远低于其它介质液压传动，绿色特征明显,是理想的绿色技术和安全技术。WHM突破了液压缸必须由流体推动活塞来产生执行动作这一传统概念，它没有活塞杆，甚至连活塞也没有，仅由外包钢丝编织网的橡胶筒和两端接头组成，充水后象强健的肌肉那样产生强大的收缩力而产生执行动作。纯水介质流动噪音较小、无排放、不可压缩及其系统压力高，因而WHM较气动人工肌肉(PM)具有工作噪音小、输出力大、传动精度和重复度高等优势。我们通过对WHM驱动特性的研究以建立WHM驱动技术的基本理论和方法，用该理论和方法作指导开发出了WHM产品，其具有使液压执行器向小型化、精确化和绿色环保化发展的趋势。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计、发明的目的和基本思路： 随着人类社会的进步和科学技术的发展，环境、资源和人口问题越来越为人们所关注。节能环保的绿色制造已成为现代机械工程发展的首要目标。从全生命周期的角度综合考虑，水压传动的能源、资源、物力及财力消耗要远远低于油压传动和其他介质液压传动，绿色产品特征明显，是理想的“绿色”技术和安全技术。 我们通过对WHM驱动特性的研究以建立WHM驱动技术的基本理论和方法，用该理论和方法作指导开发出WHM产品，其符合液压执行器向小型化、精确化和绿色环保化发展的大趋势，具有广阔的应用前景。 创新点和技术关键： 纯水液压人工肌肉（WHM），其核心在于仿生人工肌肉不再由气压驱动，而是由纯水液压驱动。WHM突破了液压缸必须由流体推动活塞来产生执行动作这一传统概念，它没有活塞杆，甚至连活塞也没有，仅由外包钢丝编织网的橡胶筒和两端接头组成，充水后像强健的肌肉那样产生强大的收缩力而产生执行动作。纯水介质流动噪音较小、无排放、不可压缩及其系统压力高，因而WHM较气动人工肌肉(PM)具有工作噪音小、输出力大、传动精度和重复度高等优势。 主要技术指标： WHM的工作压力为3～5MPa，是PM工作压力的6～10 倍，其输出力也大概是后者的6～10 倍
科学性、先进性
- 气压驱动的人工肌肉AM以其优异的驱动性能和良好的工作柔性而广泛应用于机器人和自动化生产线等领域，并产生了巨大的经济效益和社会效益。然而，AM采用气压驱动时输出力小、工作噪声大、传动精度和重复度低等固有缺点从AM技术诞生时起就困扰着AM科学技术的发展。 而液压系统的工作压力比相应的气动系统高许多倍。此外，液压介质流经阀口时的噪声较小及液压介质具有不可压缩性，而气体的可压缩性是液体的数千倍，当WHM充入压力水而膨胀收缩产生执行动作时，其增大的体积就等于充入其内的水的体积，而当PM充入压缩空气而膨胀收缩产生执行动作时，其增大的体积远远小于充入其内的在系统压力状态下压缩空气的体积，因此，PM膨胀收缩产生的执行动作有很强的迟滞性，而WHM的响应速度则要快很多。 因而wHM将较PM具有输出力大、工作噪声小、传动精度和重复度高且响应速度快等优势。我们的作品将人工肌肉与当代水压技术相结合，具有更优异的驱动性能，还有无可比拟的环境友好性。
获奖情况及鉴定结果
- 江西省教育厅项目（GJJ10294）； 江西省自然科学基金重点资助项目（2009GZC0088）； 国家大学生创新性实验计划项目（0810403027） 发表相关论文两篇： 1、《液压与气动》（中文核心）2010年第5期发表论文《绿色液压人工肌肉的输出力特性》 文章编号：1000-4858（2010）05-0070-05。 2、《机床与液压》（中文核心）发表论文《纯水液压人工肌肉驱动系统的动态特性研究》 文章登记编号：JY20101266（将于2011年5月第9期见刊。）
作品所处阶段
- 已完成实验室阶段，进入中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示 、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明及该作品的技术特点和优势:WHM突破了液压缸必须由流体推动活塞来产生执行动作这一传统概念，它没有活塞杆，甚至连活塞也没有，仅由外包钢丝编织网的橡胶筒和两端接头组成，充水后象强健的肌肉那样产生强大的收缩力而产生执行动作。纯水介质流动噪音较小、无排放、不可压缩及其系统压力高，因而WHM较气动人工肌肉(PM)具有工作噪音小、输出力大、传动精度和重复度高等优势。 该作品的适应范围:WHM产品可用作驱动处理核废料的机械手、自动生产线中用于驱动夹紧和定位装置以及食品、汽车等生产线中用来驱动各种操作器等。 该作品的推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测:随着国内产业从普通装备向相关高端产品升级，以及国际装备制造业向中国的转移，我国装备制造业已具备持续崛起的动力，液压技术含量高的配套产业面临着难得的发展机遇，但目前国内产品只能满足中低档配套的需求，高档产品难以满足，需靠进口来满足。从以上分析可知，WHM对于提高液压器件国产化率，高速小型化以及降低生产成本有着积极的意义。
同类课题研究水平概述
- 早在1930年代AM就被俄罗斯一位发明家S.Garsiev设计并制造出来。由于材料和设计的限制，AM的工作压力范围为0.5～0.8MPa，此压力下若采用液压驱动则功率重量比太低；另一方面，在纯水液压技术远没有发展起来之前，矿物油液压介质的环境友好性差，AM采用液压驱动时应用领域受到限制。因此AM多采用压缩空气作为工作介质，这导致后来对PM的诸多学术研究和工业化应用。当前，可用于制作WHM内部橡胶筒的新型橡胶可在10MPa压力、-60～300℃温度范围内耐冲击达150万次以上。许多钢丝编织胶管更可耐压32MPa以上。AM按充压变形原理工作，合理设计其内部橡胶筒厚度和外部钢丝编织网强度可使WHM具有合适的整体强度（在液压驱动可接受的3～5MPa压力下正常工作）和适当的伸缩性（伸缩率>20％）；此外，水压传动技术近十年来取得了长足发展，是理想的绿色技术和安全技术，基于新材料和精密加工技术的新型水压元件基本克服了初始水压传动存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点。AM采用水压驱动的外部技术条件已经成熟。 国内外仿生人工肌肉流体驱动技术研究主要集中于对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导了PM静态模型，发现了PM非线性及迟滞特性并给出了简化静态模型 ；Darwin Caldwell等基于PM的表面位移理论建立了PM的静态模型； 我国的刘荣、宗光华等较早研究了PM的静动态特性 ；哈工大的隋立明、包钢等对PM模型进行了改进。华中科技大学Festo气动技术中心的李宝仁等通过理论建模和实验研究了PM的动静态特性 ；臧克江等研究了McKibben 型PM建模方法。控制方法研究方面，谢建蔚、陶国良等研究了PM关节自适应鲁棒控制； 浙江大学流体传动与控制国家重点实验室研究了可携带在身上的肘部弯曲关节的建模和控制方法；Tu Diep Cong Thanh等研究了PM智能相平面转换控制特性等。南昌大学柯尊荣副教授在较低压力下对仿生人工肌肉液压驱动系统进行了研究。
