大型重载作业机器人电液控制技术（报告）
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发布时间: 2020-05-08
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上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士，国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家，国内知名院校和科研院所的大力支持。在此，我们深表荣幸并衷心感谢！报告会现场观众认真聆听、积极互动，良好的效果让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！
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为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号：chpsa-yqm)，供学习分享。敬请关注！
PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告（之七）
大型重载作业机器人电液控制技术
——据浙江大学徐兵教授报告整理
今天跟大家交流的题目是大型重载作业机器（人）电液控制技术。这个“人”为什么加一个括号呢？因为工程与施工机械，尤其是挖掘机，本身就是一个可移动的带多自由度串联机械臂的大型机器人，尽管行业中一般不这么称呼，但从未来工程施工机械的发展趋势来看，必然是朝向“工程机械机器人化“的方向发展，而且机器人已成为国家重点支持的高端装备。所以下面我们把它叫做大型重载作业机器（人）。
重载作业机器（人）的趋势
未来重载作业机器的牵引主要还是来自于智能制造的大趋势。比如在施工作业里，美国的卡特彼勒最早提出施工4.0，本质上是施工机器的集群作业。这种需求需要机器本身智能化吗？不一定，一些应用场景，现有单机设备可能就满足要求了。目前所谓的机器智能化主要集中在上层数据通讯和管理系统，如大数据、图形化处理、维护与诊断等，所以对单机而言，它不一定要求液压传动与控制系统智能化，仅增加些信息化功能就可以了。但随着未来施工作业的无人化趋势和复杂程度的提高，以及面对非结构化负载作业环境的挑战，自主作业的施工作业机器智能化程度会越来越高，必然会出现机器人化的工程施工机械。作业机构
目前工程机械领域的机器人化或智能化热点，主要集中两个方面：一个是在工厂内部实施的产品智能制造过程；一个是产品服役期间的状态监测、故障诊断等。目前对液压传动及控制系统而言，实际没有特别大的智能化提升或改进。但是未来这个挑战还是巨大的，比如机器的作业机构自由度越来越多，如何操控是个难题。现有挖掘机操作，也就控制5～6个执行机构，操作人员的双手双脚都要利用上了，未来移动作业机器自由度会很多，没有辅助措施的单纯司机操作就非常困难了。而且还没有考虑越来复杂的末端属具，有的属具自身执行机构也很多，如林业机器。行走机构
传统的工程机械行走系统一般采用履带或者轮式，它的传动系统发展历程也比较清晰，从早期的机械-液力传动到静液传动，再到轮边马达，这个马达可以是液压，当然也可以是电动的。目前工程机械电动化趋势非常明显，液压马达和电动机的竞争结果还看不清楚。工程机械由于兼具行走和作业两大功能，因此执行机构数量多，这一点与道路车辆有很大区别。工程机械的底盘行走系统主要考虑的还是环境的适应性、作业的灵活性，操作的简便性等。尤其在一些特殊的领域，多自由度、能够适应非结构化环境的工程机械（人）开始受到重视。例如，浙江大学和江苏八达重工等单位合作开发的大型抢险救援机器人（见图1）。它的最大特点是有两条机械臂，当初的设计主要是为了精细化抢险救援工作的需要。每一条机械臂如果不包括属具，它跟挖掘机机械臂差不多，但多了肩部俯仰机构，更加灵活。另外一个特点是它的底盘是轮履复合结构的，轮子用于公路快速行驶，履带用来适应非结构环境下的移动。这是世界上最大的双臂抢险救援机械，已形成系列化产品，曾经参加过我们国家的两次大型抢险救援工作。
操控界面
那么这种多自由度执行机构的抢险救援机器怎么操控呢？目前产品中是采用特殊定制的电控手柄操作。当然在危险环境下还可以遥控，人不在驾驶舱里。未来也可能是自主操作，无需人参与。虽然自主作业在技术上看起来没问题，而且在精准农业或智慧农业的农机集群控制中已经应用，但在很多工程施工场景中，尤其抢险救援作业，由于作业环境复杂，自主作业是非常困难的。目前工程机械的司机操作方式是使用液控或电控操控手柄，每个手柄能控制2个执行结构。这种操控手柄符合人机工程学，因为它只需腕关节动作，司机的其他关节都不用动，它消耗的人体能量最少。即使这样，像挖掘机这类机械，在矿山施工等场合，挖掘机司机的劳动强度还是特别大，即使非常熟练的挖机司机，持续工作一个小时就非常疲劳了。国外有初创公司创新设计了一种与现有标准操控手柄不同的结构，它是一个多自由度的手柄，不带开关切换可同时控制6个执行机构，非常适合具有多自由度操控的机器，能够降低劳动强度。另外，对于对于自由度执行机构的操作，主从控制也是非常好的一种方式，其在手术机器人、核电环境远程操作机器手等领域得到成熟应用。主从控制实际上是末端轨迹控制，与现有工程机械凭借司机熟练程度的单关节组合控制完全不同。浙江大学实验室研究过工程机械的主从控制技术，从原理上实现末端轨迹跟踪是没有问题的，可以采用基于关节的空间匹配方法，也可以采用基于位置增量的匹配方法，都可以实现，但操控的动态特性以及精确度上还存在一些问题，主要原因如下：首先是工程机械主从操作端的几何尺度相差太大，就是主输入端尺度空间很小，而工程机械执行机构作为从动端尺度范围很大，造成位置跟踪误差大，而且影响动态过程。其次是主从端的质量惯量差异大，输入端惯量很小，而执行机构末端的惯量很大，响应速度和动态稳定性控制难度大。所以主从控制方式对于手术机器人这一类机器效果很好，因为它的尺度和惯量差异小。目前，对于大型重载作业机器上使用主从控制是不实用的，不但存在前述的尺度和惯量差异问题，也不复合工程机械长期频繁复杂作业的人机工程学要求。下面与大家分享和讨论大型重载作业机器（人）的电液控制技术，分为元件和系统两个方面。
小型化轻量化元件
对非道路移动作业机器而言，轻量化是节能减排和提高控制性能的重要手段。以往机器轻量化的重点是结构件轻量化，因为其所占机器重量比例较大。近年来液压元件轻量化成为热点方向，其内涵包括：小型化、集成一体化和轻质化，涉及元件的设计方法、制造工艺与金属材料替代三个方面。集成紧凑化设计
液压元件压力越高，其体积越小。从液压泵的发展历程看，35MPa的压力体制已经有30～40年历史了，很长时间没有变化，目前尽管也有40和45MPa这样的压力规格，但一直没有成为液压系统的主流压力等级。近几年德国的力士乐公司推出了额定压力63MPa的轴向柱塞泵，它不是为工程机械开发的，主要是给大型压机用的。虽然液压系统的下一代压力等级仍然没有定论，但高压力是提高液压元件功率密度比，进而实现液压系统小型化的重要技术手段，也是与其他传动方式竞争的核心。元件轻量化设计的一个典型对象是油箱。油箱这个元件平时大家不太重视，觉得它比较简单，但实际上对于一个优秀的液压系统而言，良好的油箱结构设计也是很关键的。目前工业油箱尺寸的的设计准则一般是主泵流量的3～5倍。这个设计的历史背景是国外早期有研究表明，系统执行机构返油箱的液压油最好等待3分钟以上再被液压泵重新吸入，因为系统返回油箱的液压油中80%的气泡需要3分钟时间才能浮到油箱液面之上，保证大部分气泡析出而不被液压泵吸入，这就是油箱尺寸设计准则的理论支撑之一。但现代液压系统的试验表明，执行机构系统返回油箱的液压油很大一部分难以在几分钟时间内析出到油箱液面之上。这个结论给油箱小型化带来了机遇，如气泡的问题可通过回油通道的特殊设计来解决，不需要增加油箱尺寸。小型化油箱的散热怎么办？现代高功率密度的液压系统的散热仅靠油箱表面已远远不够，还是需要冷却器强制冷却。小型化也带来油液中杂质的沉淀问题，因为执行机构返回油箱的液压油被泵重新吸入的历程时间短，无足够的时间沉淀杂质；可采用良好的过滤系统，此外磁过滤也是一个有效的手段来解决问题。油箱小型化有很多好处，首先是节能液压油用量，降低成本和保护环境；另外对于小油箱对于系统油液的过滤也有很大好处，过滤到要求的清洁度指标所需工作时间可大幅缩短。最后，液压元件的集成设计也有提升空间。如电机泵组，就存在过电机泵结构复合一体化的技术，至今国内仍有研究。对工程机械而言，也出现过自由活塞发动机的方案，它重新改造了内燃机结构，其做功活塞直接就是液压泵的吸排油活塞，大幅度减少了内燃机泵组的零部件数量、体积和重量，同时具有可变压缩比，适应多种燃料的功能。自由活塞发动机20年前在欧洲非常热门，后来逐渐销声匿迹了，主要原因还是投入不足，难以解决噪声、冲击和振动的问题。制造工艺与方法
轻量化的另外一条很重要的途径就是制造方法。以复杂的液压阀块为例，传统的制造方式以钻直孔为主，有时为了阀块小型化，也通过钻斜孔的方式来缩短油路，现有制造工艺虽然也能制造出比较复杂的紧凑型阀块，但这还远远不够，为了进一步减少流道的压力损失，人们开始关注增材制造（3D打印）工艺在液压行业的应用。实际上工业界很早就有一种称为“分层制造”的工艺，它的原理是针对阀体中流道复杂的部分采用分片制造方式，每片采用线切割工艺制造复杂形状，最后使用钎焊工艺完成整体联接。德国林德液压公司曾经在多路阀阀体制造中，使用了“分层制造”工艺，批量生产了叉车用中载多路阀产品。如果把“分层制造”方法的原理拓展一下，即细分出很多层，那就相当于3D打印工艺了。3D打印可以显著降低阀体内复杂流道的压损，进而减小阀块的尺寸和重量，实现轻量化。除了液压元件，3D打印工艺还可以拓展到液压部件和整个机构单元。如美国穆格公司通过3D打印工艺把油缸、管路、阀体全部都集成在油缸的本体里，形成一体化的EHA产品样机，由于是在航空领域的应用，因此对于轻量化的追求极致化，但这是民用产品暂时无法接受的。未来采用EHA（Electro-Hydrostatic Actuator）一体化执行机构在工程机械上也是一个重要方向，一些大公司开始支持高校开展相关研究工作。非金属材料替代
绝大部分液压元件是由金属材料制造的，因此很容易联想到轻量化的一种途径就是采用非金属材料替代金属材料。2018年科技部重点研发计划基础件专项中设置了一个液压元件与系统单元的轻量化项目，反映了工业界和学术界对元件轻量化的重视程度。目前在液压元件金属材料替代技术中，油箱是大家最熟悉的，塑料油箱很常见，但其耐温特性仍不理想。有的应用中还能见到采用碳纤维绕制的高压气瓶和蓄能器。但非金属材料制造的液压缸、液压阀和液压泵很少见了，其技术难度也非常大，因为这些元件内部都有精密的运动摩擦副，这些摩擦副在长期服役期间都要求零件配合间隙的尺寸保持精度。而非金属材料恰恰有一个很大的问题，就是尺寸精度的保持性问题。随着时间变化它的尺寸精度会发生变化，称之为尺寸的长期蠕动性。如果液压元件摩擦副或配合副的尺寸发生变化，元件就失效了，比如密封漏油就不可靠了，配合副可能发生咬合或卡滞等。长期的尺寸蠕变性和物理-机械特性等问题一直是制约非金属材料在液压元件中应用的重要原因，当然还涉及到异种材料连接、非金属材料精密制造等。20世纪80年代曾经有学者研究过尼龙等非金属材料在液压阀上的应用，结论是无法使用。美国的派克汉尼汾公司也曾经研发航空领域使用的非金属材料液压元件，但未见到成功的报道信息。
高性能电液控制系统
从重载作业大型工程机器的传动系统角度来讲，未来的趋势是什么呢？我向大家介绍下浙江大学实验室的一个研究方向——电液流量匹配技术。重载作业机器（人）液压系统的特点
以工程机械为代表的重载作业大型液压移动机器（人）和我们常见的工业伺服机器人有什么区别？大家很容易理解，工程机械是单动力源多执行机构的集中式驱动系统，即单泵驱动多关节；而工业机器人是分布式驱动的，每一个关节由电机单独驱动。单动力源多执行液压机构成为工程机械传动系统的主流，很大一部分原因是多个执行机构在复合运动时，能够充分利用动力源的流量，因此动力源（也就是液压泵）排量小、发动机功率规格较小。如果采用分布式独立控制执行机构，主机的总装机功率就会比较大，无法实现分合流的功能。但有利必有弊，正是因为这种单动力源多执行机构的“集中控制方式”，使得工程机械的液压传动系统总体效率不高。举个例子，从加入油箱的燃料计算输入能量，到执行机构输出做功，典型工程机械，如挖掘机的效率总体不超过15%，当然这里主要原因是内燃机的低效率。这也是工程机械电动化近几年受到欢迎的原因。发展历程
下面介绍一下工程机械单动力源多执行机构液压传动系统的发展历程与未来趋势。下面介绍一下工程机械单动力源多执行机构液压传动系统的发展历程与未来趋势（见图2）。当前无论是市场主流产品技术，还是实验室正在研发的热点技术，挖掘机液压传动系统的回路构架都是发达工业国家发明的，中国的贡献非常少。请大家关注的一点是，最早出现的开中心液压系统，未来可能更有生命力，因为开中心系统构型很简单，没有内部的机械-液压反馈，内部损失少，动态响应快，如果结合当前的电子闭环控制技术，它的优势就体现出来了。从已经商业化的技术发展路径和现状看，没有明确的落后或先进的技术，不同阶段和不同应用领域，这些技术在市场上都展示了其生命力。
电液流量匹配
什么叫电液流量匹配呢？假设工程机械液压系统有两个执行机构（见图4），传统的负载敏感系统原理，是用梭阀网络把负载最高压力选择出来，输送到液压泵的变量控制活塞，然后液压泵就自动变排量来满足系统的要求，这个液压回路是通过多路阀内部复杂液压元件配置来实现的。该回路的缺点是：负载压力选择的梭阀回路动态响应慢，与液压泵的负载敏感变排量回路组成的系统稳定裕度小，需要设置阻尼来解决，增加了能量损耗。
技术趋势与动向
在工程机械单动力源多执行机构液压系统的发展历程图中，目前仍处在实验室研究阶段的几种原理方案是近年来被行业看好的。一个是电静液一体化执行机构（EHA）。它类似电动机滚珠丝杠执行机构，应用到挖掘机上的方法与工业伺服机器人的分布式控制相同，这种挖掘机没有中央动力源，每条机械臂由一个EHA单独控制。近几年，工业界一些大公司与高校合作，在深入研究这个技术方案的可行性。再一个就是单泵单执行机构（1P1A）。它的基本原理就是一个液压泵控制一个执行机构。相比目前主流的单泵多执行机构，1P1A液压回路的效率很高。美国普渡大学做过样机，节能效率指标显著提升，一些企业开始研究其商品化的可行性。当然这个方案面临的挑战是低成本、小型集成化的液压泵。另外大家比较关心的就是工程机械电动化。在近几年的美国拉斯维加斯、德国宝马等大型工程机械展会上，工程机械传动系统电动化成为热点。由于不同类型的技术对比是相当复杂的，这里仅宏观论述下电动化对液压传动技术的影响。首先，如果电传动在回转装置上与液压马达竞争，它必须有一个先决条件，转速要提高到3万转以上，才能达到液压马达的功率重量比指标；每分钟3万转的电机，要适合工程机械的应用环境和工况，还是有难度的。其次，这种高速电机必须配置减速器来匹配车轮或回转装置的转速范围，功率重量比指标提升有困难。最后，对于直线机构来讲，目前仍然没有比液压缸更适合恶劣环境和工况的直线执行机构，尤其挖掘机这种工况恶劣，冲击比较大的场合，液压缸几乎是唯一的选择。所以电传动技术本身首先是冲击内燃机，对液压马达有一定的影响，但短期内很难取代。我的报告就到这里，谢谢大家！
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