一種用於機器人的一體化液壓驅動器及其控制方法與流程
2023-09-22 03:47:35 1
本發明屬於液壓技術領域，涉及液壓驅動型足式機器人關節運動的一種高集成性的一體化液壓驅動器。
背景技術：
機器人按其所完成的主要功能可以分為四類：操作機器人、移動機器人、信息機器人和人機機器人。其中，操作機器人用於模擬人手和手臂的動作來完成各種工藝操作；移動機器人又可細分為輪式機器人、履帶式機器人和足式機器人，其在工業生產中常用來完成運輸及上、下料等任務，並且這種機器人多半裝有操作手，以完成現場操作任務；信息機器人是指以計算機系統為基礎的智能行為模擬裝置；人機機器人和人之間存在雙向閉環聯繫，這些聯繫包括聯肢機械手、裝在人腿上的助行機械足及生物電控或聲控假肢等。以上這些機器人的動作都是通過關節運動來完成的，而機器人關節運動的驅動方式一般分為三種：電力驅動、氣壓驅動和液壓驅動。由於液壓驅動有推力大、功重比高、系統剛度好、精度高、響應快、易於在大速度範圍內工作等優點，使得液壓驅動型機器人在諸多領域更具優勢，因此，液壓驅動方式也變得尤為重要。
傳統機器人關節的驅動方式一般為非集成式閥控缸結構，伺服閥/比例閥與伺服缸通過管路連接，該非集成式閥控缸結構有以下缺點：1、控制閥至液壓缸之間的管路過長，降低了對液壓缸的控制性能及系統的固有頻率；2、系統的接頭過多，容易導致洩漏而影響整個機器人系統的可靠性。
授權公告號cn103233932b的中國發明專利公開了一種高集成性液壓驅動單元結構，克服了非集成式閥控缸的一些缺點，其結構採用了閥控雙出杆伺服缸結構，但由於機器人關節運動時具有正向出力大、回程出力小的特點，使得該液壓驅動器的對稱伺服缸結構在機器人關節實際應用過程中，其外形尺寸及功重比均不為最優。為此，有必要設計出一種針對機器人的新型一體化液壓驅動器，以解決現有的液壓驅動器功重比不夠大和集成度不夠高等缺點。
技術實現要素：
針對現有技術的不足，本發明旨在提供一種具有較大功重比和較高集成度的用於機器人關節運動的一體化液壓驅動器。
本發明目的是通過以下技術方案實現的：
一種用於機器人的一體化液壓驅動器，包括伺服缸、油路連接塊、噴嘴擋板伺服閥、位移傳感器、力傳感器，噴嘴擋板伺服閥和油路連接塊安裝在伺服缸的缸體上部，所述的伺服缸為單出杆液壓缸，伺服缸與油路連接塊連接處的缸體上設有徑向的流道c、流道h、流道j和四個固定油路連接塊的螺紋孔，伺服缸與噴嘴擋板伺服閥連接處的缸體上設有徑向的流道e、流道g、流道l、流道m、定位銷孔和四個固定噴嘴擋板伺服閥的螺紋孔，伺服缸靠近油路連接塊一側的缸體內設有軸向的流道d、流道n和流道q，流道d分別與流道c和流道e相通,流道n分別與流道j和流道m相通,流道q分別與流道h和流道l相通；所述的油路連接塊上並列開設有：水平向的進油流道r和回油流道w，垂直向的流道v和流道z，進油流道r和流道v相通，回油流道w和流道z相通；油路連接塊上的流道v和伺服缸缸體上的流道j連通，油路連接塊上的流道z和伺服缸缸體上的流道h連通；所述的噴嘴擋板伺服閥上設有進油口p、控制油口a、控制油口b和回油口t；所述的力傳感器安裝在伺服缸活塞杆前端，所述的位移傳感器的殼體固定在伺服缸缸體上，探頭固定在與力傳感器同側的伺服缸活塞杆上，所述伺服缸活塞杆可進行伸出或縮回運動。
所述伺服缸活塞杆的伸出運動：進油時，系統油液經進油管道和油路連接塊上的進油流道r和流道v流入伺服缸缸體內的流道j，經伺服缸缸體內的流道n和流道m進入噴嘴擋板伺服閥的進油口p，經過噴嘴擋板伺服閥的內部流道後，從其控制油口a再流入伺服缸缸體內的流道e11，經伺服缸缸體內的流道d9和流道c8後，最終進入伺服缸的左腔；回油時，油液由伺服缸的右腔流出進入伺服缸缸體內的流道g後流入噴嘴擋板伺服閥的控制油口b，經噴嘴擋板伺服閥的內部流道後，從噴嘴擋板伺服閥的回油口t流出噴嘴擋板伺服閥，再流進伺服缸缸體流道l，經過伺服缸缸體內的流道q和流道h流入油路連接塊的流道z，最後經油路連接塊中的回油流道w流回回油管道；所述伺服缸活塞杆的縮回運動：進油時，系統油液經進油管道和油路連接塊上的進油流道r和流道v流入伺服缸缸體內的流道j，經伺服缸缸體內的流道n和流道m進入噴嘴擋板伺服閥進油口p，經過噴嘴擋板伺服閥的內部流道後，從其控制油口b再流入伺服缸缸體內的流道g，並最終進入伺服缸的右腔；當回油時，油液由伺服缸的左腔流出進入伺服缸缸體內的流道c、流道d和流道e後流入噴嘴擋板伺服閥的控制油口a，經噴嘴擋板伺服閥的內部流道後，從噴嘴擋板伺服閥的回油口t流出噴嘴擋板伺服閥，再流進伺服缸缸體流道l，經過伺服缸缸體內的流道q和流道h流入油路連接塊的流道z，最後經油路連接塊中的回油流道w流回回油管道。
一種用於機器人的一體化液壓驅動器的控制方法，力傳感器和位移傳感器配合使用，實時監測伺服缸輸出力和位移兩狀態量，並通過壓力觀測器計算系統的負載壓力，包括以下步驟：
(1)位移傳感器和力傳感器對伺服缸輸出的位移及力信號進行檢測，通過與系統的輸入量進行比較後得到偏差；
(2)負載壓力觀測器通過輸入的位移和力信號，經內部負載壓力控制算法得到控制系統的負載壓力；
(3)控制器通過抗擾控制算法和系統偏差獲得控制噴嘴擋板閥的閥芯位移信號，最終完成對上述偏差的糾正，使得伺服缸的輸出等於系統的輸入。
在步驟(2)中所述的負載壓力控制算法，具體算法如下：
當伺服缸活塞杆伸出時，
當伺服缸活塞杆縮回時，
負載壓力為：pl＝|p1-p2|
式中，p1為伺服缸左腔壓力，a1為伺服缸左腔面積，p2為伺服缸右腔壓力，a2為伺服缸右腔面積，f為力傳感器檢測力，n＝a2/a1，ps為系統壓力，pl為負載壓力。
由於採用上述技術方案，本發明的一種用於機器人的一體化液壓驅動器，可滿足足式機器人關節運動高響應、高精度的控制要求，而且結構更緊湊，功重比更高，能集成多個傳感檢測元件來實時檢測液壓驅動器的各狀態量，從而提高該液壓驅動器的控制性和可靠性。
本發明提出的一種用於機器人的一體化液壓驅動器與現有技術相比，具有下述有益效果：
1、由於噴嘴擋板伺服閥、力傳感器、位移傳感器等元器件均是直接集成在伺服缸上，因此，該液壓驅動器的集成度高，體積小，重量輕，並且伺服閥與伺服缸之間的連接管路是直接在伺服缸缸體上加工而成的，從而不僅克服了由於非集成式閥控缸所引起的管路接頭損壞和洩漏等故障，而且提高了機器人運動的動態響應。
2、由於力傳感器和位移傳感器的檢測是實時的，一方面，可通過檢測回來的實時偏差和採用狀態反饋在線修正控制器中的控制參數，最後將控制參數輸入到噴嘴擋板伺服閥中，從而達到期望的控制效果；另一方面，將採集回來的位移和力信號輸入到負載壓力觀測器中，可計算得到系統的負載壓力，從而為高精度控制提供條件；綜上，兩傳感器的配合使用提高了機器人的控制性能和可靠性。
3、採用了閥控非對稱缸結構，其伺服缸採用的為單出杆液壓伺服缸，在同種工況條件下，相比於閥控雙出杆伺服缸的驅動器，本發明的驅動器出力更大，同時，由於本發明省去了驅動器的一側出杆，該驅動器的結構更加緊湊，使其在長度方向的尺寸更短，從而使得其在機器人關節處的布置可以更加靈活。
4、通過設計負載壓力觀測器和檢測位移和力信號來間接計算得到系統的負載壓力，省去了用於檢測伺服缸兩腔壓力的兩個壓力傳感器，從而達到與之相同的控制效果；壓力傳感器的省略和負載壓力觀測器的使用不但達到了高精度控制的要求，而且使得本發明的液壓驅動器的結構更加簡化、體積進一步減小。
附圖說明
圖1為液壓驅動器三維裝配圖。
圖2為液壓驅動器結構裝配圖。
圖3為伺服缸缸體俯視圖。
圖4為伺服缸缸體左視圖。
圖5為圖2的a-a向剖視圖。
圖6為液壓驅動器原理圖。
圖7為負載壓力觀測器原理圖。
圖8為液壓驅動器位置控制方法示意圖。
圖9為液壓驅動器力控制方法示意圖。
圖中：1-油路連接塊，2-伺服缸缸體，3-位移傳感器，4-噴嘴擋板伺服閥，5-伺服缸端蓋，6-力傳感器，7-杆端關節軸承組件，8-流道c，9-流道d,10-伺服缸活塞杆，11-流道e，12-流道g，13-固定油路連接塊的螺紋孔，14-流道h，15-流道j，16-固定噴嘴擋板伺服閥的螺紋孔，17-流道l,18-流道m，19-定位銷孔，20-流道n，21-流道q，22-進油流道r，23-流道v，24-回油流道w，25-流道z。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述：
如圖1-2所示，一種用於機器人的液壓驅動器是由油路連接塊1、伺服缸缸體2、位移傳感器3、噴嘴擋板伺服閥4、伺服缸端蓋5、力傳感器6、杆端關節軸承組件7及伺服缸活塞杆10組成；油路連接塊1和噴嘴擋板伺服閥4並列安裝在伺服缸缸體2的上部，位移傳感器3的殼體固定在伺服缸缸體2上，探頭固定在與力傳感器6同側的伺服缸活塞杆10上，力傳感器6安裝在伺服缸活塞杆10的前端，杆端關節軸承組件7安裝在力傳感器6的前端；
如圖2～6所示，所述的伺服缸為單出杆液壓缸，其上安裝有：油路連接塊1、位移傳感器3、噴嘴擋板伺服閥4、力傳感器6和杆端關節軸承組件7，伺服缸與油路連接塊1連接處的缸體上設有徑向流道c8、流道h14、流道j15和四個固定油路連接塊的螺紋孔13，伺服缸與噴嘴擋板伺服閥4連接處的缸體上設有徑向流道e11、流道g12、流道l17、流道m18、定位銷孔19和四個固定噴嘴擋板伺服閥的螺紋孔16，伺服缸靠近油路連接塊1一側的缸體內設有軸向流道d9、流道n20和流道q21，流道d9分別與流道c8和流道e11相通,流道n20分別與流道j15和流道m18相通,流道q21分別與流道h14和流道l17相通；油路連接塊1上並列開設有：水平向進油流道r22和回油流道w24，垂直向流道v23和流道z25，進油流道r22和流道v23相通，回油流道w24和流道z25相通；油路連接塊的流道v23和伺服缸缸體上2的流道j15連通，油路連接塊的流道z25和伺服缸缸體上的流道h14連通；噴嘴擋板伺服閥4的進油口p與伺服缸缸體2上的徑向流道m18連通，出油口t與徑向流道l17連通，控制油口a與徑向流道e11連通，控制油口b與徑向流道g12連通。
如圖7所示，所述的負載壓力觀測器通過檢測伺服缸輸出位移和力信號來間接得到負載壓力。首先，通過由位移傳感器和力傳感器檢測的信號輸入到判斷函數中，經過判斷函數得到力傳感器檢測信號的流向；然後得到伺服缸兩腔的壓力，最後，將伺服缸兩腔壓力相減即得到系統的負載壓力。
如圖7～9所示，在無外界幹擾的理想情況下，伺服缸的輸出量應和系統的輸入量相等。但當系統受到外幹擾時，伺服缸的輸出量就不再和系統的輸入量相等，此時就需要對偏差量進行檢測和消除以達到系統期望的輸入量。位移傳感器3和力傳感器6可對伺服缸的輸出位移及力信號進行檢測，通過與系統的輸入量進行比較後得到偏差，控制器通過抗擾控制算法(該控制算法以位移、力信號和負載壓力為輸入)和系統偏差獲得控制噴嘴擋板閥的閥芯位移信號，最終完成對偏差的糾正，使得伺服缸的輸出等於系統的輸入。採用以上控制方式，可以實現一體化液壓驅動器的位置閉環控制和力閉環控制。如圖8所示，當採用位置閉環控制時，位移傳感器實時檢測伺服缸輸出位移，並與系統輸入位移進行比較實現位置閉環控制，此時，力傳感器可實時檢測液壓驅動器的受力情況，將傳感器檢測到的位移、力信號輸入到負載壓力觀測器中經內部負載壓力控制算法得到系統的負載壓力，控制器通過力抗擾控制算法(該控制算法以位移、力信號和負載壓力為輸入)和系統偏差獲得控制噴嘴擋板閥的閥芯位移信號，最終完成對位置偏差的糾正，使得伺服缸的輸出位移等於系統的輸入位移，採用該控制策略可大幅消減力幹擾對伺服缸輸出位移精度及響應的影響；如圖9所示，當採用力閉環控制時，力傳感器實時檢測伺服缸輸出力，並與系統輸入力進行比較實現力閉環控制，此時，位移傳感器可實時檢測液壓驅動器的運動位置，將傳感器檢測到的位移、力信號輸入到負載壓力觀測器中經內部負載壓力控制算法得到系統的負載壓力，控制器通過位置抗擾控制算法(該控制算法以位移、力信號和負載壓力為輸入)和系統偏差獲得控制噴嘴擋板閥的閥芯位移信號，最終完成對力偏差的糾正，使得伺服缸的輸出力等於系統的輸入力，採用該控制策略可大幅消減位置幹擾對伺服缸輸出力精度及響應的影響。由於位移傳感器3和力傳感器6可對伺服缸的輸出位移及輸出力進行實時及高精度檢測，所以該液壓驅動器的可控性及控制精度極高。
本發明的工作流程如下：
(1)液壓驅動器伸出運動(伺服缸活塞杆伸出運動)
進油：系統油液經進油管道和油路連接塊1上的流道r22和流道v23(其與伺服缸缸體的流道j15相對應)流入伺服缸缸體2內的流道j15，經伺服缸缸體內的流道n20和流道m18(其與噴嘴擋板伺服閥4的進油口p相對應)進入伺服閥進油口p，經過噴嘴擋板伺服閥4的內部流道後從其控制油口a再流入伺服缸缸體內的流道e11(其與噴嘴擋板伺服閥4的控制油口a相對應)，經伺服缸缸體內的流道d9和流道c8後，最終進入伺服缸的左腔。(經過的流道順序為：系統進油管道→流道r22→流道v23→流道j15→流道n20→流道m18→伺服閥進油口p→伺服閥控制油口a→流道e11→流道d9→流道c8→伺服缸左腔)
回油：油液由伺服缸的右腔流出進入伺服缸缸體內的流道g12(其與噴嘴擋板伺服閥4的控制油口b相對應)後流入噴嘴擋板伺服閥4的控制油口b，經伺服閥的內部流道後，從噴嘴擋板伺服閥4的回油口t流出伺服閥，再流進伺服缸缸體流道l17(其與噴嘴擋板伺服閥4的回油口t相對應)，經過伺服缸缸體內的流道q21和流道h14流入油路連接塊1的流道z25(其與伺服缸缸體內的流道14相對應)，最後經油路連接塊1中的流道w24流回回油管道，從而完成液壓驅動器的伸出運動。(經過的流道順序為：伺服缸右腔→流道g12→伺服閥控制油口b→伺服閥回油口t→流道l17→流道q21→流道h14→流道z25→流道w24→回油管道)
(2)液壓驅動器縮回運動(伺服缸活塞杆縮回運動)
進油：系統油液經進油管道和油路連接塊1上的流道r22和流道v23(其與伺服缸缸體的流道j15相對應)流入伺服缸缸體內的流道j15，經伺服缸缸體內的流道n20和流道m18(其與噴嘴擋板伺服閥4的進油口p相對應)進入伺服閥進油口p，經過噴嘴擋板伺服閥4的內部流道後從其控制油口b再流入伺服缸缸體內的流道g12(其與噴嘴擋板伺服閥4的控制油口b相對應)，並最終進入伺服缸的右腔。(經過的流道順序為：系統進油管道→流道r22→流道v23→流道j15→流道n20→流道m18→伺服閥進油口p→伺服閥控制油口b→流道g12→伺服缸右腔)
回油：油液由伺服缸的左腔流出進入伺服缸缸體內的流道c8、流道d9和流道e11(其與噴嘴擋板伺服閥4的控制油口a相對應)後流入噴嘴擋板伺服閥4的控制油口a，經伺服閥的內部流道後，從噴嘴擋板伺服閥4的回油口t流出伺服閥，再流進伺服缸缸體流道l17(其與噴嘴擋板伺服閥4的回油口t相對應)，經過伺服缸缸體內的流道q21和流道h14流入油路連接塊1的流道z25(其與伺服缸缸體內的流道h14相對應)，最後經油路連接塊1中的流道w24流回回油管道，從而完成液壓驅動器的縮回運動。(經過的流道順序為：伺服缸左腔→流道c8→流道d9→流道e11→伺服閥控制油口a→伺服閥回油口t→流道l17→流道q21→流道h14→流道z25→流道w24→回油管道)。