水压人工肌肉拟人水下作业机械臂三自由度关节驱动技术研究

Underwater Manipulator is one of the high-tech facilities greatly concerned by marine development, rescue and salvage, and military technology researchers. Operability and working efficiency of underwater manipulators are attached great importance to the field of deep-sea equipment and technology. Therefore, the key technologies of the anthropomorphic joint driven by water hydraulic artificial muscles (WHAMs) and the related fundamental components are to be researched in this project, devoted to the improvement of bio-imitability, adaptability and task performance of underwater manipulators. Above all, the structure parameters of the joint will be determined by combining the driving characteristics of WHAMs with the analysis of the working space and output moments of the 3-DOF cable driven spherical joint. On account of special requirements of particular reliability in underwater manipulators, the structure and manufacturing should be improved to enhance the reliability and uniformity of WHAMs. Aiming to fit the control requirements of WHAMs, a water hydraulic control valve actuated by high-force voice coil motor (VCM) will be developed. Next, the test rig of anthropomorphic master-slave underwater manipulator driven by WHAMs will be built and a novel synthetic driving and control method of muscle pressure, joint angle and torque feedback of the isomorphic master-slave WHAM joint will be proposed. Finally, it will realize that the key technologies of underwater manipulators with high manoeuvrability, high bio-imitability and light miniaturization will take a breakthrough. This project will contribute to the promotion of the basic research of water hydraulics and fundamental researches on the anthropomorphic underwater manipulator. These above are of critical importance of theoretical and practical significance.

水下作业机械手是海洋开发、救助打捞以及军事领域所最关心的高新技术装备之一，水下作业机械手的操纵性和工作效能，则是当前海洋装备研究领域的重要前沿课题。本项目致力于提高水下作业机械手的仿生性和操纵性，在已有研究基础上，持续深入开展水压人工肌肉拟人关节驱动技术及相关基础件的研究。本项目从三自由度拟人绳传动球关节的工作空间和力矩输出分析入手，结合水压人工肌肉驱动性能确定关节构型参数；改进水压人工肌肉结构和加工工艺，提高成品一致性与可靠性；针对水压人工肌肉控制要求，研制高性能音圈电机直驱水液压控制阀；搭建水压人工肌肉拟人水下机械臂主从关节试验系统，提出基于主从同构水压人工肌肉压力和关节位置/力反馈的新的驱动控制方法，最终实现高操纵性、高仿生性、轻小型化的大深度水下作业机械手关键技术的突破，对于推动我国水液压技术应用基础研究、奠定水压人工肌肉拟人水下作业机械手技术基础等具有重要的理论和现实意义。

水下机械手的操纵性和工作效能，是目前深海机电装备领域的重要研究课题。水压人工肌肉具有良好的仿生性、工作柔性和高出力重量比特点，既有助于提高水下作业机械手的工作性能，又有利于实现水下机电装备的轻小型化。因此，深入研究水压人工肌肉及机器人关节的设计、制造、驱动与控制，对于先进流体传动与控制技术在海洋机电装备和机器人中发挥优势和价值具有重要的研究意义。本项目研究水压人工肌肉非线性驱动特性，分析了编织角、扣压量、纤维材料、胶管厚度、纤维股数等对水压人工肌肉驱动特性和强度的影响，掌握了1~10 MPa压力范围McKibben人工肌肉的非线性力学特性，并建立了阀控水压人工肌肉系统模型；改进结构工艺并采用了新的纤维编织网加工设备，进一步提高了水压人工肌肉成品一致性和可靠性；研制的30 mm直径高强度水压人工肌肉，利用紧密编织的高强度纤维网和三重扣压工艺，最高工作压力可达10 MPa，出力重量比达到17 kN/kg，是传统液压缸的5倍多，特别适用于水下作业机械手的关节驱动。研制了具有直线轴承导向和阀芯位移反馈的新型音圈电机直驱水液压节流控制阀，利用流场仿真技术改进阀口结构，建立了音圈电机直驱水液压阀数学模型，分析了阀芯摩擦力、液动力等作用于线圈的非线性负载扰动，试验分析了控制阀的静动态性能，阀芯位移控制稳态精度达到0.1 mm，流量特性线性偏差小于4%，且在较大流量工况下抗干扰性能优良，呈现出较高的控制刚度。开展了绳传动水压人工肌肉3-DOF仿生关节设计和主从关节系统研究，提出了新型高强度纤维绳传动结构并进行了传动机理力学分析，分析了关节工作空间、输出转矩特性；设计了结构相同的气动人工肌肉主关节和水压人工肌肉从关节，研究了主机械关节肌肉位置反馈和从机械关节肌肉压力和输出力反馈的主从关节驱动控制方法，进而实现了水压人工肌肉从关节位置控制和气动人工肌肉主关节力控制，对提高水下作业机械手的操纵性和工作效能具有重要价值。