РОБОТОТЕХНИКА

ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Применение в роботах гидравлического привода заслуживает внимания благодаря его нескольким потенциальным достоинст­вам. За счет малой сжимаемости рабочих жидкостей гидравли­ческий привод обладает большой жесткостью, что дает сочетание высокой собственной частоты и большого быстродействия. У гид­равлической системы велико отношение развиваемой мощности к массе, низок уровень шумов, а кроме того, гидравлическое обо­рудование хорошо отработано и безопасно в работе. Надежный и простой гидравлический привод в настоящее время легко до­ступен.

Однако с гидравлическими системами связан ряд трудностей. Природа рабочей жидкости — высокая плотность и несжимае­мость — делают ее неподходящим материалом для хранения энергии. Поэтому приходится хранить энергию, необходимую для гидравлического привода, в каких-то других видах, например в газообразном, или в других формах — электрической или хими­ческой. Более всего другого нежелательны утечки рабочей жид­кости из исполнительного механизма [27]. В производственной среде из-за утечек «захватываются» грязь и пыль, что приводит к необходимости частой очистки рабочей жидкости. В домашней обстановке утечки рабочей жидкости еще более нежелательны.

В высшей степени нежелательны даже утечки внутри системы, например через клапаны или поршневые кольца, поскольку, подобно внешним утечкам, они могут приводить к уменьшению эффективности управления приводом.

Вообще говоря, в обычной гидравлической системе не просто получить одновременно высокую эффективность управления и значительные усилия в приводе, поэтому здесь необходимо идти

на компромисс. Вполне возможно, что кондукционные и индук­ционные насосы 13], которые уже используются для жидких металлов, будут в дальнейшем усовершенствованы до такой сте­пени, что смогут применяться в роботах.

Гидравлический привод был успешно применен для приведения в движение четырехногой шагающей машины [2], разработанной по заказу Армии США фирмой «Дженерал Электрик». В качестве рабочей жидкости использовалось масло под высоким давлением; машина управлялась оператором, находившимся в ней.

С гидравлическими приводными механизмами связана серь­езная проблема, возникающая в тех случаях, когда приходится работать при очень низких температурах окружающей среды, поскольку вязкость жидкости зависит от температуры, а пои очень низких температурах возможно даже замерзание жидкости. В связи с этим необходим специальный предварительный подо­грев рабочей жидкости для запуска при очень низких температу­рах. Например, при внешней температуре, достигающей — 40° С, может потребоваться предварительный разогрев гидравлического силового агрегата в течение 30 мин.

Несмотря на указанные трудности, в протезировании исполь­зуются гидравлические силовые искусственные руки [13]. Пре­имущества гидравлических систем перед электромеханическими таковы: меньшее число частей и меньшая потребность в техниче­ском обслуживании, улучшенные характеристики для применения во влажных и запыленных средах, реализуемость модульных прин­ципов, высокая эффективность передачи энергии и возможность использования одного централизованного силового агрегата. В этих устройствах обычно используется небольшой электриче­ский насос, потребляющий ток^силой 0,42 А без нагрузки (при максимуме 1,2 А) от источника постоянного тока напряжением 12 В. В качестве рабочей жидкости используется «Октол-С» — легкое масло для диффузионного насоса с очень слабым запахом, подаваемое со скоростью 200 “см3/мин при давлении от 800 до 1600 кПа насосной станцией, имеющей массу 0,3 кг и габаритные размеры 7x7x3 см (без учета батарей питания). Эти искусствен­ные руки подвижны в плече, локте, запястье и кисти; самое бы­строе движение — открывание и закрывание кисти — длится 1,0 с.

Типичный портативный гидравлический источник питания для протеза описан Дэвисом [27]. В нем использовался насос Лукаса с радиальной осью вращения, дающий максимальный к. п. д. 78% при давлении 2800 кПа. Насос приводился в движение с ча­стотой врещения 2500 об/мин через редуктор от электродвигателя, частота вращения которого составляла 7500 об/мин. Коэффициент полезного действия передачи — 85%. Для достижения в приводе сгибания локтя высокого пикового момента в 11 Н-м при угловой скорости вращения до 3 рад/с и максимальном угле 150° был при­менен гидравлический аккумулятор. Для предотвращения уте­чек рабочей жидкости в окружающую среду использовалась гибкая сильфонная система из полихлорвинила. При применении газов-хладагентов, таких, как фреон или серный гексофторид, нахождение части газа в жидкой фазе может рассматриваться как один из способов хранения энергии.

При подобных использованиях гидравлики возникают раз­личные трудности, которые требуют дополнительного рассмотре­ния. Это — возможность кавитации и тот факт, что низкое давле­ние и большая скорость потока, обеспечивающие высокий к. п. д. насоса, в то же время увеличивают габариты и массу привода, требуют значительного объема масла и большого аккумулятора. Кроме того, имеются трудности, связанные с наличием воздуха в рабочей жидкости.

Силовой блок, предложенный Дэвисом [35], может обеспе­чить 4,1 см3 масла в секунду под давлением 2500—3000 кПа и развить мощность 10—12 Вт при общем коэффициенте полезного действия 45%. Этот блок за 12 с наполняет аккумулятор рабочей жидкостью, достаточной для двух циклов движения локтя. Масса блока 0,56 кг, аккумулятор объемом 50 см3 увеличивает ее на 0,35 кг.

Маклейш и Марш обнаружили [29], что в то время как масса жидкости в гидравлической системе уменьшается по мере увели­чения используемого давления, масса аккумулятора возрастает. Следовательно, существует оптимальная величина давления, ко­торая и должна выбираться для достижения минимальной массы системы. Это оптимальная величина лежит вблизи недостижимо высокой цифры 10 000 кПа. Минимум кривой массы очень поло­гий, но кривая круто идет вверх при давлениях ниже приблизи­тельно 5000 кПа, когда увеличивается масса необходимой для гидросистемы жидкости.

Майклеш и Марш рассмотрели методы достижения малой массы и постоянного гидравлического давления, основанные на исполь­зовании для хранения газа баллона, выполненного из гибкой ре­зиновой камеры, расположенной внутри другой, жесткой камеры, препятствующей движению первой. Правда, таким путем были получены только низкие давления. Эти же авторы предложили идею использования аэрозольного принципа на базе сжижаемого газа арктон-13, находящегося с одной стороны гибкостенного «мешочного» аккумулятора. Следует заметить, что при исполь­зовании этого принципа весьма важен контроль температуры газа.