负重型外骨骼机器人液压阀块流道的流场分析及优化.pdf

负重型外骨骼机器人是指那些设计用于支持重负载任务的外骨骼机械辅助设备。这些设备通常装备于军事、医疗、搬运、救援等需要大力量输出的领域。外骨骼机器人通过与人体高度耦合，增强人体的力量和耐力，使穿戴者能够以较小的自身力量承担重大的负担。其主要由外骨骼机械结构、感知控制系统以及动力系统组成。 外骨骼机械结构主要负责支撑穿戴者，使其能够正常行动。感知控制系统通过收集与分析人体动作信号，进而控制外骨骼设备配合人体动作。而动力系统，则负责为外骨骼提供必要的动力支持，确保外骨骼能够完成预定的任务。 在动力系统的设计中，液压系统由于其高力密度和快速响应能力，常被用于提供外骨骼的驱动动力。液压系统的关键部件之一是液压阀块，它负责控制液压油的流动方向，进而控制外骨骼的运动。液压阀块内部的流道设计对于整个系统的性能至关重要，合理的流道设计可以提高效率，减少能耗，并减小液压系统运行时的噪音与温升问题。 在本次研究中，为了改善负重型外骨骼液压动力单元的温升和噪声问题，研究者们使用了计算流体动力学(CFD)软件ANSYS Fluent对液压阀块内的Z型流道和交叉流道进行了模拟仿真。通过对不同尺寸的流道进行仿真试验，研究者们分析了流体速度的稳定性与压力损失之间的关系，并尝试找出最佳的流道尺寸设计。 研究结果显示，对于直径为5mm的液压阀块交叉流道，压力损失随着进出口流道偏心距的增加而增加。在偏心距为1.25mm时，流体速度稳定性达到最佳。对于Z型流道而言，在进出口流道距离为17mm时，压力损失达到最小，且流体速度随该距离增大而稳定性提升。经过优化设计的样机试验显示，液压阀块的最大温度降低了3.3℃，最大噪声下降了7.6dB。 通过这项研究，可以看到流道尺寸设计对于液压系统性能的重要影响，优化后的设计可以有效解决液压系统中的温升和噪声问题，对于外骨骼机器人等液压驱动系统的性能提升有着重要的指导意义。 关键词“助力外骨骼”强调了这种机器人在辅助穿戴者完成任务时的助力作用；“液压动力单元”指出了外骨骼动力来源的关键部件；“液压阀块”是液压系统中调节流体运动的核心组件；“流道压力损失”和“液压噪声”则是液压系统设计中需要特别关注的性能参数。 由于液压系统是外骨骼机器人技术中的重要组成部分，这项研究对于外骨骼机器人的开发人员和工程师来说，不仅在理论上提供了液压阀块流道设计的参考，同时也为未来外骨骼机器人的设计和优化提供了实际可行的方法和数据支持。通过不断优化和改进，未来的外骨骼机器人将会更加高效、可靠且环境友好。