CN1587716A - 一种无源的流体动力控制方法及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无源的流体动力控制方法及其控制系统。具有一定容积的充满流体介质的流体库，在外力作用下，其流体库壳体所包围的内部空间将产生变化，其中的流体介质将会被排出；通过导管传送到异地的变形腔中，变形腔壳体和外围约束层在传入的流体介质的作用下产生向外弹性变形，相应变形的部位就可以有力和位移的输出，从而将原来作用在流体库上的外力所做的功，通过流体介质传递到异地的变形腔去驱动外负载做功；通过控制施加在流体库上的外力的作用模式或改变系统设计参数，就可以控制约束层在变形突出点处的变形量，从而控制相连接的外负载的运动状态。本发明抛弃了常规流体动力控制系统的流体动力源(液压源、气压源)，系统性能独特。

Description

一种无源的流体动力控制方法及其控制系统

所属技术领域

本发明涉及一种无源的流体动力控制方法及其控制系统。

背景技术

常规流体动力控制系统一般指液压系统或气动系统，可以是相应的传动系统或伺服系统，传动介质分别是液压油或其他液体、压缩空气或其他气体。这些系统的构成主要是流体动力源(油压源、气压源)、控制元件(流量阀、方向阀等)、执行元件(缸、马达)、检测装置(位移传感器、压力传感器等检测装置，以及相应的二次仪表)、辅助元件(蓄能器、油雾器、空气滤清器，以及管道、管接头、压力表等其它辅助元件)组成。常规流体动力控制系统的流体动力源提供高压的压力油、压缩空气(或其他高压流体)，通过管道输送给执行元件来驱动负载运动，通过各种控制阀门等其他控制元件来调节系统的运行参数，从而控制在各种外负载作用下系统的位移、力、速度等输出。

常规流体动力控制系统的流体动力源是系统中的动力装置，给整个系统提供所需的压力油、压缩空气或其它高压流体介质，在系统中是不可缺少的重要组成部分。

常规流体动力控制系统的流体动力源一般都是由原动机(电动机、内燃机或其他动力机械)驱动的，由它们带动相应的液压泵或压气机，产生高压的压力油、压缩空气(或其他高压流体)，把电能、化学能等其它形式能量转化成为高压流体的压力能。通常的流体动力源——液压源、气压源分别由如下部件组成：液压源——原动机、液压泵、过滤器、蓄能器、油箱、冷却器等，同时还需配带一些溢流阀、安全阀、截止阀、管道、压力表等其它辅助元件；气压源——原动机、压气机、储气罐、油雾器、油水分离器、空气滤清器、后冷却器、干燥器等，同时还需配带一些安全阀、减压阀、截止阀、管道、压力表等其它辅助元件。

常规流体动力控制系统的流体动力源一般都有较庞大的油箱或储气罐来存储液压油或压缩空气。

常规流体动力控制系统一般有传动系统和伺服系统两大类，对应实施的是开环控制方式和闭环控制方式。

常规的液压系统的主要优点是运动传递平稳，流体介质的传输和控制方便，系统的功率密度比大，但是液压系统依靠节流控制调节负载的运行速度，功率损失大，系统发热厉害；液压系统靠密封来维持系统的压力，很容易产生泄漏；液压油源需要冷却降温装置，液压油源的体积庞大、噪音大。

常规的气压系统的主要优点是因为气体介质的粘性小、压缩性大，介质传输方便快捷、介质易存储，且常用的空气介质排放污染小。但介质压缩性大，精确控制困难、定位刚度低，节流调节效率低；工作压力低，噪音大，气源的体积庞大、噪音大。

常规流体动力系统，无论是液压系统还是气压系统，也无论是传动系统还是伺服系统，都需要各自的流体动力源——油源、气源。虽也有一些短时工作的流体动力控制系统，如：导弹舵机控制系统所用的高压冷气瓶储气的气压伺服系统，以及用火药燃烧产生的高压气体作为动力的燃气伺服系统，也不需常规流体动力系统的流体动力源，但这些特殊的流体动力系统仍需要一次性的燃料容器或高压储气瓶，仍然通过节流控制方式调节系统的输出。

由于流体动力源的存在，使得常规的流体动力控制(驱动)系统难免在使用过程中产生许多问题。其主要问题有以下几个方面：

1.泄漏问题：油源、气源的泄漏难以避免，使得常规流体动力系统在食品、医药、卫生等清洁要求高、环保要求高的场合使用受限制，需特殊处理(无给油的气压系统除外)。

2.噪音问题：油源、气源的噪音很大，使得常规流体动力系统在“静音”或安静程度要求较高的场合使用困难，即使是常规的使用场合也是对噪音污染有一定要求的，而常规流体动力系统是很难顺应当前对噪音控制日趋严格的大趋势。

3.重量问题：油源、气源的重量大，使得常规流体动力系统在自行走装置、空间飞行器、仿人机器人等对重量要求高的场合的应用严重受限，整个系统的功率密度比下降。

4.体积问题：油源、气源的体积大，使得常规流体动力系统在诸多空间要求紧凑的场合难以应用，在自行走装置、飞行器、机器人等很多场合，常规流体动力系统的体积问题难以解决。

5.发热问题：空压机压缩气体时、常规流体动力节流控制时、液压泵的动力传递损耗、液流阀溢流、管路损失都使得系统发热，液压油老化加快，无用功率损失也很大，对能源利用率、热污染要求高的场合应用困难。即使是正常使用，节能也是永恒的追求。

同时，由于“流体动力源”的存在也使得系统环节增多，可靠性削弱，系统的内部污染源增多，使用过程中为此需要更多的投入来防治。

发明内容

针对常规流体动力系统的流体动力源所带来的一系列问题，特别是较大的体积和重量、较大的噪音、较大的发热量、泄漏污染、较多的辅助元件等问题，本发明的目的在于提供一种无源的流体动力控制方法及其控制系统，能解决由于流体动力源而带来的常规流体动力控制系统在使用过程中存在的上述许多问题。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1.一种无源的流体动力控制方法：

具有一定容积的充满流体介质的流体库，在外力作用下，其流体库壳体所包围的内部空间将产生变化，流体库中的流体介质将会被排出流体库；这些被排出的流体介质，通过导管传送到异地的变形腔中，变形腔的变形腔壳体和外围约束层，在传入的流体介质的作用下将产生向外的弹性变形，相应地在此变形的部位就有力和位移的输出，从而将原来作用在流体库上的外力所做的功，通过流体介质传递到异地的变形腔去驱动外负载做功；通过控制施加在流体库上的外力的作用模式，或通过改变系统设计参数，来控制约束层在变形突出点处的变形量，进而控制外负载的运动状态。

2.一种无源的流体动力控制方法的控制系统：

本系统包括：动力控制器，动力装置，内装流体介质、在外力作用下内部空间产生变化的流体库，导管，内装流体介质、外包约束层的变形腔，外负载；动力控制器接动力装置并经动力装置与流体库相接触，流体库中的流体介质用导管与变形腔连通，变形腔的约束突出点与外负载相接触。

本系统还包括：位移传感器，三个压力传感器，三个数据采集、处理装置，计算机；位移传感器装在外负载的位移方向上，第一压力传感器装在外负载的承载底面，第二压力传感器装在变形腔的侧面，第三压力传感器装在流体库的侧面，第一数据采集、处理装置分别接位移传感器和计算机，第二数据采集、处理装置分别接第一压力传感器和计算机，第三数据采集、处理装置分别接第二压力传感器、第三压力传感器和计算机，计算机接动力控制器。

上述所说的流体介质是能传递流体压力能的气体、液体、胶体、电液变流、磁流变液、磁流体、粉状固体、液态金属、高温流体、半流体或上述流体的组合物、混合物。

上述所说的动力装置为能产生力的压电陶瓷、磁置伸缩、电置伸缩、机械方式、电力电子的动力装置。

在上述无源流体动力控制系统中，以及这种系统的控制过程中，系统的“动力装置”产生外力提供能量的形式与常规流体动力控制系统的液压源、气压源等“流体动力源”提供能量的形式已截然不同，但“能量”的传递仍是通过“流体介质”的流动而进行的，所以系统仍然是一种流体动力系统。这种传动方式在保持流体动力控制系统的根本特性的同时，彻底抛弃了常规流体动力控制系统的“流体动力源”，对流体的控制更不同于常规流体动力控制系统。这是一种“无源的”流体动力控制系统，无论从结构上还是控制方法、方式上，它都构成了一种全新的、新型的传动方式。

在本发明的无源的流体动力控制系统中，系统输出的力、位移等参量的大小主要决定于作用在“流体库”上的外力的作用模式，以及“流体库壳体”和“变形腔壳体”的结构和材料特性，还有“约束层”的结构、材料特性分布。系统的力、位移等参量输出的方向取决于“流体介质”流入的“变形腔”的“约束层”的“约束薄弱区”的部位、结构和变形方式。

作用在“流体库”上的外力的产生可以有机械的、电动的、电磁的等多种方式，这种外力的产生也就是给整个系统工作提供了动力来源，而这种“动力源”的结构和工作方式已根本不同于常规流体动力控制系统的“流体动力源”了。

无源的流体动力控制系统能方便地实现动力的异地传输和对动力的灵活控制，在继承了常规流体动力控制系统(液压传动、气压传动)的许多优点的同时，还克服了它们的一系列缺点，同时还具备一些独特性能，具有较大的实用前景。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：本发明提出的无源的流体动力控制，是相对于常规的有源的流体动力控制而言的，充分利用传统的流体动力控制中的介质流动特性、易远距离传输、各向同性等优点，又不要常规流体动力控制系统的油源和气源，力求避免常规流体动力控制系统使用过程中因流体动力源的存在而带来的问题。

无源的流体动力控制系统既抛弃了常规流体动力控制系统的液压源、气压源，又充分利用了介质的流体特性，系统性能独特。所具有的这一系列的独特性能，在工业自动化、军事、机器人、自行走装置等领域能有独特的应用，此类系统具有广阔的实际应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

图1是给出了无源的流体动力控制系统的工作原理图；

图2是变形腔结构的局部放大图；

图3是显示了带不等均匀约束层的变形腔壳体的向外弹性变形的工作原理图；

图4是无源的流体动力控制系统的实施例图；

图5是多个流体库、变形腔的无源的流体动力控制系统结构示意图；

图6是力—时间关系曲线图。

具体实施方式

如图1所示是给出了无源的流体动力控制系统的工作原理图，流体库101中充满了流体介质(“流体介质”在各图中用充满各腔体和管道中的细虚线填充部分表示，以后各图相同)，流体库101的外壳层——流体库壳体102，可以在外力100作用下产生相应的变形，使得其所包围的内部空间发生变化，变形之处所占有的原来空间的流体介质被全部或部分挤压排出流体库101，通过导管103将排出流体库101的流体介质输入到异地的变形腔105中，变形腔105在此流入的流体介质作用下将产生向外的弹性变形。

排出流体库101的流体介质的体积和质量与流体库壳体102的材料特性分布、结构有关，当结构和材料选定后，最主要的将决定于所施加的外力100的作用模式。当外力100撤去后，流体库壳体102能在其本身材料的弹性回复力作用下，同时也在外负载端的反方向作用力作用下而从变形腔105倒流回来的流体压迫下，来恢复外力100作用下原来的全部或部分变形。

图1中流体库101中充满的流体介质主要是指气体、液体、胶体、电液变流、磁流变液、磁流体、粉状固体、液态金属、高温流体、半流体等其它复杂流体或上述流体的组合物、混合物，此“流体介质”必须具备传递流体压力能的功能。

上述流体介质的混合物是指上述提及的流体物质通过化学上的混合过程产生的物质形态，混合物的性能与混合前各自的材料性能及混合工艺有关。上述“流体介质”的组合物是指上述提及的流体物质各自以某种独立结构存在，但又相互组合在一起形成统一的整体，组合物的性能与组合前各自的材料性能及组合时的结构有关。举一个例子说明：比如上述提及的流体物质“液体”和“气体”，混合物为有“小气泡”的液体，或者是有“液滴”的气体，都能实现传递流体压力能的功能；组合物可能气液两相的流体结构，也可能一腔是气体，一腔是液体，之间有分离结构，组合后作为一个有封闭结构的整体，也能实现传递流体压力能的功能。

图1中流体库101是内部具有一定空间，并且此空间能够在外力100的作用下产生变化的结构体。该结构体内部空间中充满流体介质，该结构体的外壳层就是流体库壳体102，流体库壳体102是流体库101的组成部分，它包围并能够形成流体库101的内部空间，以及能够实现流体库101的内部空间的变化。

流体库在系统中可以只有一个或同时有多个(如图5中所示的501、502、503)。

流体库壳体102的结构形式包括其整体的和局部的形状、机械结构，包括其厚度、形状、细节的结构，根据系统特性来设计。

流体库壳体102的结构可以是整个一体的，也可以是局部活动的，最终能够实现在外力100作用下流体库101中的流体介质能够受挤压而流出去，同时还能够容纳在外负载端的反方向作用力作用下倒流回来的流体介质。

流体库壳体102的“整个一体的”结构可以做成有流体介质进、出接口的“囊”式结构等其它结构形式；流体库壳体102的“局部活动的”结构是指流体库壳体102的部分壳体之间能够产生相对运动的机械结构形式。

流体库壳体102材料特性可以是均匀分布的，也可以按设计要求分布。流体库壳体102上有连接导管103的相应的流体接口，进、出流体库101的流体介质都是通过流体接口的，除流体接口外，流体介质不能从流体库101和流体库壳体102的其它地方流进或流出。

流体库壳体的材料特性包括其整体的和局部的材料种类、弹性模量等其它材料性能。

流体库壳体的材料选择、形状和结构设计要符合流体库壳体受外力的变形量与外力的作用模式之间的匹配，流体库壳体的材料选择、形状和结构设计决定了系统的输出功率。

所施加的外力100的“作用模式”是指作用力的大小和作用力方向随时间变化的规律。图6也给出了几种作用力的作用模式(图6的具体说明见后面章节)。

外力是整个系统工作的动力源，外力100是由“动力装置”提供的(系统的构成结合后面实施例，有相关的详细说明)，“动力装置”产生外力可以有任何适合于系统工作的方式，比如用压电陶瓷、磁置伸缩、电置伸缩、机械方式、电力电子方式等其他能够产生力的方式都可以，只要系统的环境、空间、结构条件要求允许即可，不再需要常规流体动力系统那样必须有一套液压源、气压源等形式的“流体动力源”装置了。这样，系统的外力的产生方式相对灵活，装置也可以做得小巧简单、形式多样，容易控制，容易布置，灵活多变。

外力100可以是一个力或几个的力组成的一组力，且每个力可以分别有各自的作用模式(如图5中所示的501.1、502.1、503.1)。

外力100只作用在流体库壳体102上，图1中的流体库壳体102上的“凹陷”就象征性地表示了外力100作用的变形效果，图1中的外力100的作用方向是用空心的箭头表示的。

导管103将流体库101变形后排出的带有高压的流体介质传入异地的变形腔105，变形腔105中的变形腔壳体104在高压流体介质进入后，将在压力作用下产生向外的弹性变形，导管103也能将从变形腔105中倒流回来的流体介质传回流体库101，流体介质在导管中能够双向通过，且只能通过导管的端口流进、流出。

导管103可以选用现有的常规流体动力控制系统所用的管道的结构形式和材料，也可以任意设计，只需要达到环境条件允许下一定压力的流体介质能够顺利通过的目的即可。导管103本身的抗变形强度一般设计成比流体库壳体102和变形腔壳体104的抗变形强度大。

导管的端口是指导管传输流体介质时流体流进、流体流出的“流体进口”和“流体出口”，它们分别连接在流体库和变形腔相应的流体接口上，这种连接的连接方式有“一进一出”、“一进多出”、“多进一出”、“多进多出”等方式。“一进一出”方式是指导管传输的流体介质的“流体进口”和“流体出口”各只有一个；“一进多出”方式是指导管传输的流体介质的“流体进口”只有一个，“流体出口”有多个；“多进一出”方式是指导管传输的流体介质的“流体进口”有多个，“流体出口”只有一个；“多进多出”方式是指导管传输的流体介质的“流体进口”有多个，“流体出口”有多个。

变形腔105是变形腔壳体104所包围的内部具有一定空间，该内部空间中充满流体介质，此空间大小可以变化，并能够容纳导管103所传入的流体介质的结构体。变形腔壳体104在传入的流体介质挤压下能产生向外的弹性变形，也可在外负载端的反方向作用力作用下产生向内的变形，变形腔壳体104是变形腔105的组成部分。变形腔105上有连接导管103的相应的流体接口，进、出变形腔105的流体介质都是通过流体接口的，除流体接口外，流体介质不能从变形腔105和变形腔壳体104的其它地方流进或流出。

变形腔在整个系统中可以只有一个或同时有多个(如图5中所示的501.2、502.2所指)。

变形腔壳体的材料特性包括其整体的和局部的材料种类、弹性模量等其他材料性能。变形腔壳体的材料特性决定了变形腔壳体受内压或外压时的变形量，也影响系统的功率输出。

变形腔105与流体库101之间是相隔一定距离的，这一距离的大小决定了导管103的最短长度。

图1中显示了变形腔105的外面没有“约束层”，即无约束的情况。此时，变形腔壳体104的材料特性处处均匀(“流体接口”的局部因导管的安装而除外)、机械结构处处相同(“流体接口”的局部因导管的安装而除外)，当施加了外力100后，变形腔壳体104将在任意方向做自由的、相同大小幅度的弹性变形。图1中的细虚线所示的是此种情况下弹性变形后的变形腔105可能的形状，它显示了变形腔壳体104的各个方向相等幅度的向外的弹性变形，图1中的各虚箭头表示了此等幅度的弹性变形的方向。此时，外负载可以在变形腔壳体104的外表面上连接。

但是，如果图1中的变形腔壳体104的材料各个方向有不同性质，即变形腔壳体104各部位的材料特性分布不均匀(“流体接口”的局部因导管的安装而除外)，机械结构也不是处处相同(“流体接口”的局部因导管的安装而除外)，那就不会有前述的任意方向的等幅度的弹性变形。材料弹性强度大、结构厚度大的地方其向外的弹性变形小，材料弹性变形强度小、结构厚度小的地方其向外的弹性变形大。

如图2所示为变形腔结构的局部放大后的示意图，只是任意截取了变形腔的一小部分的结构(其中包括了部分流体介质)，并给出了正面剖面图，从中可以看出变形腔的局部机械结构的细节组成。

图2中的201表示变形腔中的部分流体介质(流体介质在图中用细虚线填充表示的，下同)，其所有的流体介质是充满变形腔壳体所包围的内部空间的。

图2中的104为变形腔的变形腔壳体(图2中的104所指为图1中的104的一小部分的局部)，它内部的空间里充满流体介质，外部包围着约束层203(图2中的203所指为图3中的203的一小部分的局部)。图2中的约束层203可能是“均匀约束层”、“不等均匀约束层”、“不均匀约束层”等结构形式(这些“约束层”在后文有相关的具体说明)。

约束层是变形腔壳体外围的与之相连的可以产生弹性变形的结构体。一般在内、外压力作用下，约束层与变形腔壳体之间可紧密贴在一起，也可以通过胶结等其它连接方式连接在一起。约束层在变形腔壳体的变形或外负载的作用下都能产生相应的向外或向内的变形，变形腔壳体也随之产生相应的变形。

约束层上可以分布着约束薄弱区，图2中的204即为所指的约束层上的约束薄弱区。

约束薄弱区是约束层上某一区域，它相对于其它区域要“薄弱”，抗变形强度较小，受力变形容易。图2中的“约束薄弱区”204只是显示了约束层的结构上的厚度的“薄”，还可能是将材料特性分布设计成相对于其它区域的强度上的“弱”，即此处区域因为材料种类和特性的不同(即使厚度均匀)，也会导致此区域受力后变形相对容易，在图2中没法显示出这种因材料原因的“弱”来，但上述的“薄”和“弱”两者作用相同，效果相似。

约束薄弱区204可以有一个或多个(图2中只表示了局部范围的其中一个)。若有多个“约束薄弱区”时，在约束层203上的分布可以按设计要求进行布置。

变形腔外面也可以设计成没有“约束层”包围。

当图2中的变形腔外面没有包围约束层时，也就是说没有了约束层203和约束薄弱区204时，那么就如同图1所示的外围没有约束层(无约束)的情况了。此时，图1中的变形腔壳体104的材料特性分布、结构形式将决定其变形的状况，变形腔壳体的结构形式包括其厚度、形状、细节的结构，可根据系统要求来设计。

如图3所示是显示了带不等均匀约束层的变形腔壳体的向外弹性变形的工作原理图，图中的“不等均匀约束层”203，为图3中的粗虚线所指，和图2中的203对应，其包围着变形腔壳体104。

“不等均匀约束层”的“不等”的含义是“约束层”在机械结构上是不相同的，结构分布不是等同的，会产生约束薄弱区204；“不等均匀约束层”的“均匀”是指材料特性的分布是均匀的，即约束层的材料种类和材料特性处处相同(“流体接口”的局部除外)；反之的约束层的“不均匀”的含义是指材料特性分布不是处处相同的(“流体接口”的局部除外)，存在分布不均现象，也包括材料的种类的不同分布，这样也会产生约束薄弱区204。

约束薄弱区204是在约束层上设计的，包括结构设计和材料设计，其区域范围内约束层的抗变形强度相对临近区域要小，受力后变形容易，也可以设计成该区域就没有约束层(无约束)。约束层上某块区域的结构厚度较“薄”或材料强度较“弱”都会使得该区域范围内的约束层的抗变形强度相对其他区域要小，受力后产生变形容易。

约束薄弱区的“弱”，可以是由于厚度小的机械结构的原因，也可以由于材料本身的强度“弱”的材料的原因，或者这两方面共同的原因形成。约束薄弱区204本身的形状、大小和结构可以根据系统的要求设计，约束薄弱区204在整个约束层上可以设计成不只一个，可以有多个，按所要求的分布进行设计。

变形腔壳体104在约束薄弱区204处将存在变形突出点106。约束薄弱区204部位的变形腔壳体在内部流体介质压力作用下，有一个突破约束薄弱区203而挤出去的趋势，此处能产生相对其他区域处约束层的一个明显的、突出的对外的变形。而就在约束薄弱区203区域之中，存在一个连接外负载的一个更小面积的小区域，这个小区域是压力作用下约束薄弱区之中向外或向内变形最明显、最突出的一块地方，就是变形突出点106。图3中的变形突出点106处的对外的变形方向是用空心的虚箭头表示的

变形突出点106一般位于约束薄弱区的中央区域，若此处连接了外负载，外负载就会随变形腔壳体104在变形突出点106处的弹性变形而产生相应的运动。变形腔壳体104的弹性变形是流体库101受外力100作用的直接结果(图3的流体库和外力与图1中所指相同)，外力100的作用效果就通过流体介质传递到异地的变形突出点106处了。

外力100的作用模式和其它系统设计参数的变化也相应地体现在外负载的运动上，通过控制外力100的作用模式和其它系统设计参数，就能最终控制外负载的运动参数了。若在变形突出点106处连接了外负载，此无源的流体动力系统就会产生一个对外做功的力的作用点，这一系统对外做功的力的作用点就是变形突出点106。图3中的外力100的作用方向也是用空心的箭头表示的，图3中的流体库壳体102上的“凹陷”也象征性地表示了外力100作用的变形效果。

约束薄弱区204本身的形状、大小和结构确定了变形突出点106的位置和变形量的大小。因为变形突出点本身就是约束薄弱区的一部分，只是这一部分是受力变形最明显的特殊部分，是专为连接外负载而设计的。

图3中系统的“不等均匀约束层”203的材料特性分布是均匀的，如果图3中的约束层为“不均匀约束层”，即约束层的材料特性分布是不均匀的，材料的抗变形强度就不是处处相等的，也就是说约束层的材料在不同部位有不同材料特性，或者说在某些局部有特殊的材料特性，再或者不同部位材料的性质、种类都不同(即使是材料厚度相同)，那么约束层也会形成约束薄弱区和变形突出点，但会有比因机械结构的厚薄“不等”而产生的变形更复杂的变形情形。“不均匀”的约束层的部位在整个约束层上的位置及其“不均匀”的程度，也可根据系统的要求而任意设计。

约束层材料特性分布特殊的地方会产生相对于其他部位的不一致(不均匀)的弹性变形。受力后，材料强度大、材料厚度大的地方弹性变形相对较小，而材料强度小、材料较薄的地方弹性变形较大。这也是一种控制变形腔对外产生不同方向上的不同变形的手段之一。也就是说，除控制外力作用模式外，还可以通过改变约束层材料特性和材料特性分布，达到改变负载运动参数的目的。

其它的系统设计参数还包括：流体库壳体的结构和材料特性、变形腔壳体的结构和材料特性分布、导管的结构和材料、流体介质的结构和材料，除控制外力作用模式外，还可以通过改变这些系统设计参数来改变负载运动参数。

由此可见，约束薄弱区可以有结构和材料两种途径形成，通过结构上的“厚薄”设计、材料上的“强弱”的设计都能在约束层上指定的位置设计出所需要的约束薄弱区。

图3中所指的外力、流体库、导管的结构、功能与图1中的相同，图3中外力100也只作用在流体库壳体102上。

以上具体说明了无源的流体动力控制的基本工作原理，总结起来，可以有如下描述：

流体库101在外力100作用下产生内部空间的变化，流体库101变化后而排出的流体介质，通过导管103传入异地的变形腔105，其变形腔壳体104在此流体介质进入后将产生对外的弹性变形。若变形腔壳体104的结构和材料是均匀的，外面没有约束层包围或被包围的是“均匀的”约束层，变形腔105将会对外产生各个方向等幅度的均匀的弹性变形；若变形腔壳体104外面包围的是结构和材料都不均匀、不等的约束层203，将会在约束薄弱区204产生对外变形的变形突出点106；变形突出点106处可连接外负载，外负载就会随变形突出点106处的变形而运动。此运动的状态参数主要决定于外力的作用模式和相应的系统设计参数：约束层的结构和材料特性分布、流体库壳体的结构和材料特性、变形腔壳体的结构和材料特性分布、导管的结构和材料、流体介质的结构和材料。外负载端的反方向的作用力和流体库壳体、变形腔壳体的弹性回复力，使得流体库因受外力作用排出的流体介质能倒流回来，流体库壳体的变形得以全部或部分恢复，又为下一次的变形腔对外的弹性变形做好准备。这一过程可以反复下去，异地的外负载就会在此流体动力驱动下不断运动，产生预期的运动模式，实现系统设定的控制目标。

相对于传统的常规流体动力控制系统(液压系统、气动系统)而言，此类系统的工作介质仍是流体(液体、气体等)，原动力来源于提供外力100的动力装置——电磁的、电子的、机械的等方式，系统已彻底抛弃了传统的常规流体动力控制系统的“流体动力源”部分，从而没有了常规流体动力控制系统的“流体动力源”所带来的许多问题。

这种新型的无源的流体动力控制方式，通过控制外力、流体库壳体、变形腔壳体、约束层、流体介质等相应的系统设计参数，来控制系统的力和位移等参量的输出。

本发明的无源的流体动力控制系统的最重要的特性就是系统的“无源”特性，其次是“自反馈”特性、“各向同性”特性，以及“非节流控制”特性等。

无源的流体动力控制系统最典型的特性在于其“无源”特性，不需要复杂庞大的液压源、气压源，使得整个系统的构成简单、重量大大减轻、质量比能量显著增大、控制简单、无用负载小、效率提高，整个系统的结构更简单，设计制造、使用维护更容易。“无源”特性的另一个显著特点是动力控制的“静音”或低噪音，封闭的无源流体动力系统也没有常规流体动力系统的泄漏问题。

无源的流体动力控制系统的另一个特点是“自反馈”特性，对于设定系统其位移输出与流体压力成一定的比例关系(除特殊设计的系统外)，系统设计参数确定后，只要检测出来压力信号即可推算出相应的系统位移输出。由此可以不需要常规有源流体动力控制系统所常有的外加位移传感器，系统可以在开环或半闭环状态下工作而取得良好的控制效果，整个装置尺寸可以做得更小、更简单，空间结构更为紧凑。

无源的流体动力控制系统还有“各向同性”特性。图1显示了如果外围的约束层的材料各向同性，就会有任意方向的等幅度的弹性变形。如将约束层做成所需的复杂形状，流体库上作用了外力后，流体库壳体和约束层就会在复杂形状的各个方向上产生预期幅度的协同的变形动作。利用这一特性可设计出复杂空间、任意复杂形状的、多个作用点同时工作的驱动器。

无源的流体动力控制系统的“非节流控制”特性。无源的流体动力控制系统的外力的作用模式可以有连续的、脉冲的、脉冲调制式的等动力作用方式，改变其作用强度等参数将能适时改变流体压力能的传输。不同于常规有源的流体动力控制系统的是通过外力直接产生流体的压力波，波动能量通过导管传递到异地的变形腔做功，而不要经过常规的流体控制阀的节流口的节流形成的压力升、降形成流体脉冲。这一方式为非节流控制的，为流体动力系统在传统的节流控制方式之外又找到了一种新的控制途径。

无源的流体动力控制系统的位移和力输出是可控的。无源的流体动力控制系统的位移输出的大小，决定于流体库上的外力的作用模式、流体库壳体的结构和材料特性、约束薄弱区的形状和分布、变形腔壳体和约束层的结构和材料特性分布、流体介质结构和材料特性等因素。人为地改变这些因素的一个或多个，即可控制力、位移等其它被控参量的输出量。当上述其它系统设计参数确定后，流体库上所施加的外力的作用模式将决定约束层在变形突出点处的变形量，这也就确定了系统的力、位移等其它被控参量的输出。

无源的流体动力控制系统的压力的大小最终仍决定于负载，这一点是同常规有源流体动力控制系统一样的共性。只是“无源的流体动力控制系统”的负载，包括了构成系统的各部分材料在流体库受压后而产生弹性变形时形成的内部的附加负载，所以在没有外负载的情况下，系统也能因附加负载而建立起来压力，这一点又是无源的流体动力控制系统不同于常规(有源的)流体动力控制系统的独特地方。当其它因素不变时，流体库里被挤出去的流体介质的流量，决定了约束层在变形突出点处的变形量，也就决定了约束层在“约束突出点处”的被挤出去的速度，从而也就决定了与之相连接的外负载的运动速度。

无源的流体动力控制系统可以有多种形式。通过变形腔和约束层的不同形状和结构设计，以及各自不同强度的材料在不同位置的分布，即可构成不同形式的无源的流体动力控制系统。可以设计出“直线位移式”、“旋转位移式”、“摆动位移式”、“平面扩张式”、“立体扩张式”、“线性”或“非线性位移式”等结构形式的无源的流体动力控制装置，以及这些结构形式系统的组合形式、复合形式，这些形式的系统都会有相应的应用场合。

无源的流体动力控制系统也可以视系统的被控制参量的不同，有“位置系统”、“速度系统”、“力控制系统”等多种系统类型。

无源的流体动力控制系统的外力的施加可以有电动、机械、磁置伸缩、电置伸缩等方式；流体库可以为活塞式、膜片式、囊式等形式，导管能任意灵活多变地布置，流体库和变形腔的形状和大小可以任意地设计和布置，这些使得系统设计灵活多变。

无源的流体动力控制系统的流体控制还可以是交流流体动力控制方式，用类似于交流电的控制和应用的原理进行流体动力控制。

下面结合上述原理给出实施例，并以此进一步说明本发明的无源的流体动力控制系统的控制方法。

如图4所示是无源的流体动力控制系统的实施例图。

本发明的系统包括：动力控制器400，动力装置401，内装流体介质、在外力作用下内部空间产生变化的流体库101，导管103，内装流体介质、外包约束层的变形腔105，外负载406；动力控制器400接动力装置401并经动力装置401与流体库101相接触，流体库101中的流体介质用导管103与变形腔105连通，变形腔105的约束层的变形突出点106与外负载406相接触。

本发明的系统还包括：位移传感器407，三个压力传感器408、413、414，三个数据采集、处理装置409、410、412，计算机411；位移传感器407装在外负载406的位移方向上，第一压力传感器408装在外负载406的承载底面，第二压力传感器413装在变形腔404的侧面，第三压力传感器414装在流体库402的侧面，第一数据采集、处理装置409分别接位移传感器407和计算机411，第二数据采集、处理装置410分别接第一压力传感器408和计算机411，第三数据采集、处理装置412分别接第二压力传感器413、第三压力传感器414和计算机411，计算机411接动力控制器400。

通过图4的这一实施方案就可以进一步说明无源的流体动力控制系统的控制方法。通过图4也能看出本发明的无源的流体动力控制系统的伺服控制系统的主要组成部分，它是主要由动力控制器400，动力装置401，流体库101，流体介质201，导管103，变形腔105，传感器407、408、413、414，信息采集和处理装置409、410、412，计算机411和其它一些相关辅助部件组成。

图4中的动力装置401是整个系统的动力部分，也是产生外力的装置。动力装置需满足系统的工作条件和现场环境限制，其工作方式用压电陶瓷、磁置伸缩、电置伸缩、机械方式、电力电子方式等其他能够产生力的方式都可以。

比如用压电陶瓷时，当改变加在压电陶瓷棒(片)两端的电压，压电陶瓷棒(片)自由端就会有位移和力的输出；比如用机械方式时，通过机械传动和力变换装置设计，即可实现力的输出；比如电力电子方式，电流通过螺纹管时可产生随电流变化的电磁力的输出。

这些产生外力的动力装置可以做得小巧简单、形式多样，容易控制，容易布置，灵活多变，不再需要常规流体动力系统那样必须有一套液压源、气压源等形式的“流体动力源”装置了。这样，系统的外力的产生方式相对灵活，装置简单，控制也方便。

图4中的动力控制器400，在计算机411指挥下，控制动力装置401产生系统所需的各种模式的外力；外力再作用于流体库101上，通过导管103将流体动力传送到变形腔105，使得变形腔壳体在约束突出点106处产生向外的变形，从而带动相连接的外负载406的运动。

与此同时，外负载406运动的位移、力等信息，通过相应的位移传感器407、压力传感器408，以及信息采集和处理装置409、410传入计算机411中；流体库和流体变形腔的内部压力信息也通过压力传感器413、414和对应的信息采集和处理装置412来采集、处理传入计算机411中；系统的其它相关信息也能够通过类似方式获得，并传入计算机411中处理；计算机411依据采集的位移、力等被控参量的信息和设定的目标值进行比较，就能适时得到实际值与目标值之间的偏差值，计算机411再根据所选的合适的控制算法和控制目标计算出新的控制量，并传送给动力控制器400，再由动力控制器400控制动力装置401产生相应模式的外力作用到流体库402上。这一过程反复进行，就形成了系统的伺服运动的闭环控制，整个系统也由此可以持久地稳定地工作。

动力控制器400是在计算机411的指令信号控制下，通过一些常用电子元器件就可以搭建的驱动控制电路，来控制后续动力装置401的线圈、电磁铁、压电陶瓷的磁控管等其它产生力的装置的前置驱动电路。而这些前置驱动电路也可以是普通的通用电路。

信息采集和处理装置412可以采用常规的数据采集板卡，如北京华控技术有限公司的多功能数据采集板HY-8021系列、研华科技公司的数据采集卡PCI-1710系列等国、内外常用的产品，实现传感器输出的模拟量或数字量的信号采集和处理，并传给计算机411。各种压力传感器市场上都可以选购，位移传感器可选长春三峰传感技术有限公司的直线位移光栅，以及市场上都可以选购的其他形式和型号的位移传感器。

单个的流体库101和变形腔105都可以采用现有的弹性元件——波纹管(比如成都航空仪表公司生产的WHB系列的波纹管)，只需将波纹管的两端封堵上且安装上连接导管103的流体出口、流体进口，以及相应的压力传感器413、414，就可以产生所需的弹性变形了，约束层203需另行设计。当然，还可以有其它结构形式，对于多个流体库和变形腔的无源的流体动力控制系统可采用同样设计方法。

流体库101和变形腔105都还可以有其他结构形式的元器件组成。

上述整个系统可以构成闭环控制，实现了从外力作用到位移(力、速度等其它被控参量)输出的适时控制过程。一般可以通过适时改变外力的作用模式达到改变被控参量的目的，但系统的控制性能还与流体库壳体、流体介质、导管、变形腔壳体、约束层的结构和材料有关，改变这些系统设计参数和约束薄弱区结构参数，以及连接不同形式外负载(弹性负载、惯性负载、粘性负载、复合负载等)都会影响到对系统的控制，实际测量出不同设计参数和控制参数下被控参量的输出，即可获得不同控制参数和系统设计参数下的无源的流体动力控制系统的性能和实际控制效果，从而找到合适的控制算法。

当然，在无源的流体动力控制系统的闭环控制中，好的控制算法是至关重要的，有时它决定了整个系统能否稳定工作，需要深入研究无源的流体动力控制系统的静、动态特性，找到合适的控制方法，目前已有的线性、非线性控制理论和智能控制方法都可以应用到无源的流体动力控制系统的闭环控制中。

通过无源的流体动力控制系统一样可以实现位置的精确定位、目标的适时跟踪、力控制、速度控制、顺序动作、行程控制、程序控制等功能，完全实现常规流体动力控制系统所能够实现的基本功能。当然，控制性能和指标会因系统和负载而异，无须一一比对。

实际系统还将需要一些管接头、压力表、支架等其它一些相关辅助部件，但不会改变系统的主要构成。

对于无源的流体动力控制系统，无论是实行开环或闭环控制，都还可以通过如下的系统结构来实现。

上述系统的流体库、变形腔，都还可以由大小、结构不同的多个单体组合构成，如图5所示。

这样的每个流体库都可以分别独立地、共同地、多个组合地工作，各自受各自的外力的作用，从而可以分别产生各自的流体介质的流量输出，所有流体库输出的流体介质的总的流量输出与上述的多个各自的外力作用模式都有关，输出的流体介质的压力仍然与前述相同——决定于系统的外负载和内部的附加负载，整个系统的对外做功是上述各外力作用的效果的综合。

图5为多个流体库、变形腔的无源的流体动力控制系统结构示意图。

图5中的流体库501、流体库502、流体库503、……，为大小、结构可以不相同的多个流体库的序列，其上分别作用了对应的各自的外力序列：外力501.1、外力502.1、外力503.1、……，这些外力都有各自的作用模式。图5中的流体库序列中的每个流体库上的“凹陷”象征性地表示了对应的外力序列作用的变形效果，外力序列的作用力方向用空心箭头表示。

上述和前面提到过的外力的作用模式是指作用力的大小和作用力的方向随时间变化的规律。具体来讲，就是每个流体库上所施加的各自外力的大小和方向同这些外力的作用时刻、作用持续时间的长短之间的相互关系，这种关系可以用图6来加以表示。

图6中的横轴表示时间t(单位：秒)，纵轴表示作用在流体库上的外力F(单位：牛顿)。图6中所表示的“力—时间”关系曲线是任意假设的，实际关系曲线可以是恒压式、脉冲式、指数上升形式、指数下降形式和其它曲线形式，以及这些形式的组合形式。

图5中的变形腔也可以是多个，成变形腔序列501.2，502.2，……，拥有各自结构的约束层，变形腔和流体库之间由导管连接，可能是一根导管连接数个变形腔，也可能是多根导管连接一个变形腔。这就是说流体库和变形腔之间可以是如下关系——“一对多”：一个流体库，多个变形腔；“多对一”：多个流体库，一个变形腔；“多对多”：多个流体库，多个变形腔。

一个变形腔可以连接的一个外负载或多个外负载，多个变形腔可以只连接的一个外负载，或同时连接多个外负载。

类似于图1、图3所示的情况，上述的变形腔也可以是没有约束层(无约束)的，约束层也可能是“均匀约束层”、“不等均匀约束层”、“不均匀约束层”等结构形式，约束层上也同样可以存在“变形薄弱区”，在图5中变形腔序列上的约束层的约束突出处的变形的方向用空心的虚箭头所指的方向表示。与前述图1、图3所示的情况一样，流体库和变形腔因结构、材料、特性分布的不同选择，也有相应的多种形式。

此类系统的流体库、导管、变形腔、约束层、流体介质的特性要求与前述相同，只是系统的整体结构复杂了，所以这类“无源的流体动力控制系统”的控制方法与图1、图3所示系统的控制方法相比有所不同，但其基本原理还是建立在图1、图3所示系统的基础之上的。

上述和后面所有提及的外力都可以是一个力或几个力组成的一组力，且每个力可以分别有各自的作用模式，这与上面各章节所述的各种系统结构和控制方法并无冲突，不影响本发明的实施。

当无源的流体动力控制系统作为传动系统而开环控制时，计算机可以不需实时计算出所采集的位移值(或力、速度等其它参数值)和设定的相应的目标值之间的偏差，直接通过限位开关、定时开关、限压开关、限速开关等其它措施进行动作的转换、方向的切换、力和速度的控制，就可以实现顺序动作、行程控制、程序控制等功能。此时，整个系统主要由“动力控制器”、动力装置、流体库、流体库壳体、流体介质、导管、变形腔、变形腔壳体、约束层和其它一些相关辅助部件组成。可以不需要全套的传感器、信息采集和处理装置和闭环控制器(图4例中的“计算机”所对应实现的功能)，系统将能进一步简化。

本发明的无源的流体动力控制系统在实际应用过程中，除以上图例中所显示的主要组成部分外，还可能需要其他一些辅助装置，比如：管接头、压力表等，在实施时可以根据实际需要补充设计和配置，但不会影响到系统的主要构成及基本原理。

无源的流体动力控制系统由于流体介质可以在弹性腔之间自由流动，它是通过控制外力的“作用模式”来控制负载端的约束层变形的大小，进而控制外负载的运动，无需常规流体传动系统的节流控制，加之没有液压泵或压气机的噪音，所以整个系统基本没有噪音，将能大范围地应用于对噪音要求高的场所，甚至是“超静音”的场合，系统的发热量也将大为减少。

无源的流体动力控制系统由于系统的结构简单，没有“流体动力源”，整个系统重量、体积大大减小，系统的功率密度比大，无效载荷少，这一点对于仿人机器人、自行走装置、飞机、空间飞行器、野外机械、车辆、小型自动工具有着诱人的优势，将大大拓宽流体动力系统的应用范围。

无源的流体动力控制系统由于流体介质只在封闭空间中循环传输，可以没有密封结构，能够做到没有泄漏，对于清洁度要求较高的场合，甚至“超洁”车间，流体传动也将能发挥其独特作用。特别是医药、食品、集成电路制造等车间，也可以应用无源的流体动力传动方式。

无源的流体动力控制系统特别适合小流量、中小负载的往复运动场合，诸如许多企业常用的冲压、成型设备，利用无源的流体动力传动方式效率更高，造价更低，设备使用维护成本将大大下降。

通过对无源的流体动力控制技术的初步研究，可以认为无源的流体动力驱动是一种新的传动方式。虽然其许多特性还需进一步探讨，但可以认为，无源的流体动力控制系统在继承了常规流体传动介质传输方便快捷的最基本优点的同时，还将会具有体积小、重量轻、无噪音、无泄露、发热小、结构简单等特点，而这些特点是常规流体动力控制系统难以具备的。可以将无源的流体动力控制技术推广到其他自动化生产线和新产品设计上，诸如：智能儿童玩具、电子宠物、医助机器人等。无源的流体动力驱动还可以为航空、航天、运输机械、自动化装备等军用、民用场合提供一个全新的传动方式。

研究无源的流体动力控制技术的手段可借鉴于常规流体动力控制技术的研究，无需特殊设备和装置。

本发明首次提出的无源的流体动力控制思想，是相对于常规的“有源的”流体动力控制而言的，充分利用常规的流体动力控制系统中的介质流动特性、易远距离传输、各向同性等优点，又不要常规(有源的)流体动力控制(驱动)系统的油源和气源，避免了常规流体动力控制系统使用过程中因“流体动力源”的存在而带来的系列问题。

无源的流体动力控制系统所具有的一系列的独特性能，将使其具有广阔的实际应用前景。

Claims (5)

1.一种无源的流体动力控制方法，其特征在于：具有一定容积的充满流体介质的流体库，在外力作用下，其流体库壳体所包围的内部空间将产生变化，流体库中的流体介质将会被排出流体库；这些被排出的流体介质，通过导管传送到异地的变形腔中，变形腔的变形腔壳体和外围约束层，在传入的流体介质的作用下将产生向外的弹性变形，相应地在此变形的部位就有力和位移的输出，从而将原来作用在流体库上的外力所做的功，通过流体介质传递到异地的变形腔去驱动外负载做功；通过控制施加在流体库上的外力的作用模式，或通过改变系统设计参数，来控制约束层在变形突出点处的变形量，进而控制外负载的运动状态。

2.用于权利要求1所述的一种无源的流体动力控制方法的控制系统，其特征在于包括：动力控制器(400)，动力装置(401)，内装流体介质、在外力作用下内部空间产生变化的流体库(101)，导管(103)，内装流体介质、外包约束层的变形腔(105)，外负载(406)；动力控制器(400)接动力装置(401)并经动力装置(401)与流体库(101)相接触，流体库(101)中的流体介质用导管(103)与变形腔(105)连通，变形腔(105)的约束层的变形突出点(106)与外负载(406)相接触。

3.根据权利要求2所述的一种无源的流体动力控制方法的控制系统，其特征在于还包括：位移传感器(407)，三个压力传感器(408、413、414)，三个数据采集、处理装置(409、410、412)，计算机(411)；位移传感器(407)装在外负载(406)的位移方向上，第一压力传感器(408)装在外负载(406)的承载底面，第二压力传感器(413)装在变形腔(404)的侧面，第三压力传感器(414)装在流体库(402)的侧面，第一数据采集、处理装置(409)分别接位移传感器(407)和计算机(411)，第二数据采集、处理装置(410)分别接第一压力传感器(408)和计算机(411)，第三数据采集、处理装置(412)分别接第二压力传感器(413)、第三压力传感器(414)和计算机(411)，计算机(411)接动力控制器(400)。

4.根据权利要求1所述的一种无源的流体动力控制方法的控制系统，其特征在于：所说的流体介质是能传递流体压力能的气体、液体、胶体、电液变流、磁流变液、磁流体、粉状固体、液态金属、高温流体、半流体或上述流体的组合物、混合物。

5.根据权利要求1所述的一种无源的流体动力控制方法的控制系统，其特征在于：所说的动力装置(401)为能产生力的压电陶瓷、磁置伸缩、电置伸缩、机械方式、电力电子的动力装置。

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