四足步行機器人液壓驅動系統的製作方法
2023-06-08 12:21:11 1
專利名稱：四足步行機器人液壓驅動系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種四足機器人驅動系統，更具體地說是一種四足步行機器人的液壓 驅動系統。
背景技術：
目前，地面移動機器人常用的移動方式主要是輪式、履帶式、蠕動式、爬行式和步 行式。輪式移動機構具有摩擦阻力小、速度快等優點，但只適應於相對平坦的地面環境，越 障能力差。履帶式移動機構對地形環境的適應能力強，可翻越障礙、攀爬樓梯、跨越壕溝等， 但傳動效率低。蠕動、爬行和步行式均是模仿動物的仿生運動方式，對地形環境的適應能力 極強，可以在絕大部分地面環境上行走，且以步行方式運動速度最快。步行四足機器人在復 雜地形環境下的軍事物質運輸、反恐裝備底盤、野外勘探和探險、星球探測以及農業生產等 方面具有廣闊的應用前景。國外有大量公開的四足步行機器人基本上都是採用電池-電機驅動系統。中國 專利文獻ZL200820157956. 2、CN101602382A、ZL03153505. 4分別公開了一種四足步行機器 人的移動機構，也均採用電池-電機驅動系統。目前已有的四足步行機器人幾乎全部採用 電池_電機驅動系統，具有如下缺點或不足①功率/質量比小，負重能力差；②電池容量 有限，續航能力差，且充電需較長時間；③動態響應慢，動態行走時機器人的穩定性差；1 ) 電機的特性軟，其動態特性受負載變化的影響大；⑤每個關節除配置電機外，還要安裝減速 箱，使機器人腿部結構非常複雜。
發明內容
本發明的目的是為克服上述現有技術的不足，提供一種功率/質量比大，機器人 負重能力強，添加燃料方便，續航能力長，動態響應快速，機器人穩定性好，電機速度剛性 好，動態特性受負載變化的影響小，關節驅動功率分配方便，布置方便，機器人腿部結構加 簡單、緊湊的四足步行機器人液壓驅動系統。為實現上述目的，本發明採用下述技術方案
一種四足步行機器人液壓驅動系統，包括伺服油缸總成，伺服油缸總成通過管路分別 與液壓動力裝置和回油管路連接。所述伺服油缸總成包括液壓油缸，液壓油缸的缸筒上焊接有閥板，閥板上安裝有 與液壓油缸的兩腔相連通的電液伺服閥，液壓油缸的缸筒一側安裝線位移傳感器，液壓油 缸的缸杆頂端與油缸耳環之間安裝有力傳感器。所述液壓動力裝置包括發動機，發動機的輸出軸分別連接定量液壓泵和轉速傳感 器，液壓泵的吸油口與液壓油箱之間安裝有粗過濾器，在液壓泵的出口處連接有單向閥，單 向閥出口處並聯有液壓蓄能器、壓力傳感器、溢流閥和流量傳感器，流量傳感器與液壓伺服油缸總成的電液伺服閥進油口相連，溢流閥的回油口與液壓油箱連通。所述回油管路包括與電液伺服閥回油口相連的精過濾器，精過濾器和風式冷卻器連通，風式冷卻器的出油口與液壓油箱連通。本發明假定四足步行機器人每條腿具有四個主動自由度，由四個完全相同的液壓 伺服油缸驅動。液壓伺服油缸總成的電液伺服閥直接固定在液壓油缸上減少了電液伺服閥與液 壓油缸之間的連接管道，提高了閥控缸系統的固有頻率，保證了四足步行機器人的動態響 應能力。液壓伺服油缸與電機-減速箱組合相比，具有更大的輸出力/質量比，使機器人腿 部結構更加緊湊。為儘可能減小液壓系統的質量，液壓油箱容積小，液壓油參與的循環的次數多，發 熱快，為控制液壓油的溫度，在液壓油回油箱處安裝了風式冷卻器。溢流閥的溢流是發熱的 主要來源之一，為減少溢流發熱，對發動機的轉速進行了伺服控制。根據機器人各關節的運 動參數，可以計算出所需液壓油的流量，與流量傳感器測量的流量值進行比較，通過差值控 制汽油發動機的轉速，使溢流閥的溢流減到最小。本發明的有益效果是①功率/質量比大，使機器人負重能力硬強；②添加燃料方 便，續航能力長；③更快速的動態響應能力，有利於機器人的穩定；④更好的速度剛性，其 動態特性受負載變化的影響更小；⑤關節驅動功率分配更方便，可以將系統驅動功率在極 短時間內集中提供給指定關節，滿足特殊動作驅動的要求；⑥液壓油缸布置容易，使機器人 腿部結構更加簡單、緊湊。
圖1是本發明的原理意圖 圖2是伺服油缸的構成示意圖 圖3是機器人腿的構成示意圖
圖4是機器人腿與軀幹的連接示意圖
圖中1.壓力傳感器，2.溢流閥，3.液壓油箱，4.粗過濾器，5.定量液壓泵，6.轉速傳 感器，7.發動機，8.單向閥，9.流量傳感器，10.液壓蓄能器，11.伺服油缸總成，12.電液伺 服閥，13.液壓油缸，14.線位移傳感器，15.力傳感器，16.精過濾器，17.冷卻器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。如圖1所示，四足步行機器人每條腿有四個主動自動度(參見圖3和圖4)，由四個 完全相同的液壓伺服油缸總成11驅動。四足步行機器人液壓驅動系統包括伺服油缸總成 11，伺服油缸總成11通過管路分別與液壓動力裝置和回油管路連接。液壓動力裝置包括採用大轉速範圍的汽油發動機7，發動機7輸出軸連接大轉速 範圍的定量液壓泵5和轉速傳感器6。在液壓泵5的吸油口與液壓油箱3之間安裝有粗過 濾器4，在液壓泵5的出口處連接有單向閥8，單向閥8出口處並聯有液壓蓄能器10、壓力傳 感器1、溢流閥2和流量傳感器9，溢流閥2的回油口與液壓油箱3連通，流量傳感器9後並 連16個液壓伺服油缸總成11。
回油管路包括與電液伺服閥12回油口相連的精過濾器16，精過濾器16和風式冷 卻器17連通，風式冷卻器17的出油口與液壓油箱3連通；從液壓伺服油缸總成11返回的 液壓油經精過濾器16和風式冷卻器17回油箱。液壓伺服油缸總成11由電液伺服閥12、液壓油缸13、線位移傳感器14和力傳感 器15組合構成。如圖2所示，在液壓油缸13的缸筒上焊接有閥板，閥板上安裝有與液壓油 缸13的兩腔相連通的電液伺服閥12，液壓油缸13的缸筒一側安裝線位移傳感器14，液壓 油缸的缸杆頂端與油缸耳環之間安裝有力傳感器15。電液伺服閥12直接固定在液壓油缸 13上，減少了電液伺服閥12與液壓油缸13之間的連接管道，提高了閥控缸系統的固有頻 率，保證了四足步行機器人的動態響應能力。液壓伺服油缸11與電機-減速箱組合相比， 具有更大的輸出力/質量比，使機器人腿部結構更加緊湊，安裝液壓伺服油缸11後的機器 人腿部結構如圖3所示，機器人腿與軀杆的連接如圖4所示。
為儘可能減小液壓系統的質量，保證機器人的負重能力，液壓油箱3的容積設計 得很小，液壓油參與的循環的次數多，系統發熱快。為控制液壓油的溫度，在液壓油流回液 壓油箱3的接口處安裝了風式冷卻器17。液壓油在溢流閥2處的溢流是發熱的主要來源之 一，為減少溢流發熱，對汽油發動機7的轉速進行了伺服控制。根據機器人各關節的運動參 數，可以計算出各關節液壓伺服油缸所需液壓油的流量，計算出系統所需總流量與流量傳 感器9測量的流量值進行比較，通過差值控制汽油發動機7的轉速，使溢流閥2的溢流減到 最小。本發明為恆壓系統，如果壓力傳感器1測量的系統壓力低於規定壓力，說明計算得出 的系統所需總流量比實際流量小，應及時調整。另外，本發明所述的機器人腿安裝4個完全的液壓伺服油缸，但並不局限於4個， 也不要求所有液壓伺服油缸完全相同，每條機器人腿安裝2個、3個或5個液壓伺服油缸(不 一定完全相同)並沒有改變液壓驅動系統的工作原理，因此也在本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種四足步行機器人液壓驅動系統，其特徵在於包括伺服油缸總成，伺服油缸總成通過管路分別與液壓動力裝置和回油管路連接。
2.根據權利要求1所述的四足步行機器人液壓驅動系統，其特徵在於所述伺服油缸 總成包括液壓油缸，液壓油缸的缸筒上焊接有閥板，閥板上安裝有與液壓油缸的兩腔相連 通的電液伺服閥，液壓油缸的一側安裝線位移傳感器，液壓油缸的缸杆頂端與油缸耳環之 間安裝有力傳感器。
3.根據權利要求1所述的四足步行機器人液壓驅動系統，其特徵在於所述液壓動力 裝置包括發動機，發動機的輸出軸分別連接定量液壓泵和轉速傳感器，液壓泵的吸油口與 液壓油箱之間安裝有粗過濾器，在液壓泵的出口處連接有單向閥，單向閥出口處並聯有液 壓蓄能器、壓力傳感器、溢流閥和流量傳感器，流量傳感器與液壓伺服油缸總成的電液伺服 閥進油口相連，溢流閥的回油口與液壓油箱連通。
4.根據權利要求1所述的四足步行機器人液壓驅動系統，其特徵在於所述回油管路 包括與電液伺服閥回油口相連的精過濾器，精過濾器和風式冷卻器連通，風式冷卻器的出 油口與液壓油箱連通。
全文摘要
本發明涉及一種四足步行機器人液壓驅動系統，包括伺服油缸總成，伺服油缸總成通過管路分別與液壓動力裝置和回油管路連接。本發明的有益效果是①功率/質量比大，使機器人負重能力硬強；②添加燃料方便，續航能力長；③更快速的動態響應能力，有利於機器人的穩定；更好的速度剛性，其動態特性受負載變化的影響更小；⑤關節驅動功率分配更方便，可以將系統驅動功率在極短時間內集中提供給指定關節，滿足特殊動作驅動的要求；⑥液壓油缸布置容易，使機器人腿部結構更加簡單、緊湊。
文檔編號B25J19/00GK101811304SQ20101015367
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者宋勇, 宋銳, 徐勤江, 李貽斌, 王海燕, 榮學文, 阮久宏 申請人:山東大學