一種機器人電機驅動液壓動力系統的製作方法
2024-03-02 08:03:15 4
本實用新型涉及機器人動力系統領域，更具體地說，涉及一種機器人電機驅動液壓動力系統。
背景技術：
移動機器人作為機器人的重要組成部分，在工業工程、礦山運輸、消防營救、軍事行動和生活服務等領域具有極為廣闊的應用前景，而針對野外環境的應用場合往往需要機器人同時具備較強的負載能力，複雜地形的快速通過能力以及良好的續航能力。而足式機器人尤其是四足機器人具有高速、高動態穩定性，對非結構化地形的高適應能力等諸多優勢，具備在野外環境工作的應用潛力。
為滿足四足機器人的高動態響應、大負載能力要求，國內外公開的動力系統很多採用燃油發動機驅動液壓泵的單一驅動形式。由於燃油發動機的噪聲大，振動大，對環境汙染嚴重等缺點，無法滿足四足機器人的實際應用需求。
經檢索發現，中國專利文獻CN101811304A、CN101746431A分別公開了一種液壓動力單元，均採用燃油發動機作為動力源；中國專利文獻CN105156382A、CN101758867A分別公開了一種複合動力系統，雖然伺服電機能夠提供一部分動力源，但仍沒有去掉燃油發動機，而且動力系統結構冗餘，複雜龐大，其可靠性與實用性較低。
技術實現要素：
本實用新型要解決的技術問題在於，針對現有技術的上述使用燃油發動機提供動力導致系統結構複雜冗餘，可靠性與實用性較低的缺陷，提供一種機器人電機驅動液壓動力系統。
本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是：構造一種機器人電機驅動液壓動力系統，包括：多個伺服電機、多個定量齒輪泵、多個電液伺服閥、多個液壓缸，其中，
每個所述伺服電機連接並驅動一個所述定量齒輪泵，使所述定量齒輪泵產生液壓能；
所述定量齒輪泵通過供油管路連接所述電液伺服閥，將所述定量齒輪泵產生的液壓能通過所述電液伺服閥傳輸至所述液壓缸；
每個所述電液伺服閥連接並控制一個所述液壓缸，通過控制液壓油進出所述液壓缸為所述機器人提供動力；
每個所述電液伺服閥連接一個所述定量齒輪泵，所述電液伺服閥將回流的液壓油通過回油管路回收至所述定量齒輪泵。
優選地，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，所述供油管路僅有一根供油管路，則
所有所述定量齒輪泵都連接並通過所述供油管路輸出液壓油，所述供油管路的輸出端分別連接每個所述電液伺服閥。
優選地，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，所述供油管路內供油管路的數量少於所述定量齒輪泵的數量，則至少有兩個所述定量齒輪泵共用一根所述供油管路。
優選地，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，所述伺服電機為4個，所述定量齒輪泵為4個，所述電液伺服閥為12個、所述液壓缸為12個，其中，每個所述伺服電機分別連接一個所述定量齒輪泵，每個所述電液伺服閥連接一個所述液壓缸；
其中兩個所述定量齒輪泵通過一根供油管路連接其中六個所述電液伺服閥；
另外兩個所述定量齒輪泵通過另一根供油管路連接另外六個所述電液伺服閥；
所述供油管路之間連接有截止閥。
優選地，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，所述供油管路內供油管路的數量等於所述定量齒輪泵的數量，則每個所述定量齒輪泵都連接一根所述供油管路。
優選地，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，所述伺服電機為3個，所述定量齒輪泵為3個，所述電液伺服閥為12個、所述液壓缸為12個，其中，每個所述伺服電機分別連接一個所述定量齒輪泵，每個所述電液伺服閥連接一個所述液壓缸；
每個所述定量齒輪泵通過一根供油管路連接其中四個所述電液伺服閥；
所述供油管路之間連接有截止閥。
進一步，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，每個所述電液伺服閥的A工作油口連接一個所述液壓缸的無杆腔，每個所述電液伺服閥的B工作油口連接一個所述液壓缸的有杆腔；
所述供油管路和回油管路到每個所述電液伺服閥的管路長度相等，所述液壓動力系統的液壓部件對稱分布；
所述電液伺服閥和液壓缸集成為一體，併集成有直線位移傳感器和一維力傳感器。
進一步，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：比例節流閥、蓄能器，所述蓄能器通過所述比例節流閥連接至所述供油管路，所述比例節流閥和蓄能器用於所述供油管路內的能量控制。
進一步，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：單向閥、過濾器、快速接頭、溢液閥、油箱，其中，
所述單向閥安裝在所述定量齒輪泵的輸出端連接的所述供油管路上。
所述過濾器安裝在所述供油管路和/或回油管路上，用於過濾液壓油中的雜質；
所述快速接頭連接在所述供油管路和/或回油管路上，用於對機載液壓迴路進行補油和排氣；
所述溢液閥連接於所述供油管路和回油管路之間；
所述油箱安裝在回油管路上，用於回收液壓迴路中的液壓油。
進一步，本實用新型所述的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：壓力傳感器、溫度傳感器、散熱器，其中，
所述壓力傳感器連接在所述供油管路和/或回油管路上，用於監測液壓油的壓力值；
所述溫度傳感器連接在所述供油管路和/或回油管路上，用於監測液壓油的溫度；
所述散熱器連接在所述供油管路和/或回油管路上，用於為液壓油降溫。
本實用新型還公開一種機器人電機驅動液壓動力系統的控制方法，包括下述步驟：
預設機器人所需功率和伺服電機輸出功率之間的對應關係；
監測所述機器人所需功率，根據所述機器人所需功率和所述對應關係調整所述伺服電機輸出功率；
檢測系統中設備的電流、轉速、壓力、溫度參數是否處於預設取值範圍；
若否，則關閉出現參數異常的設備，同時增大與出現參數異常的設備功能相同的設備的輸出功率、或開啟系統中未工作的與出現參數異常的設備功能相同的設備；
監測伺服電機的工作時間，所述伺服電機的工作時間超過預設時間後，切換至未工作的所述伺服電機。
實施本實用新型的機器人電機驅動液壓動力系統。具有以下有益效果：該系統包括：多個伺服電機、多個定量齒輪泵、多個電液伺服閥、多個液壓缸，其中，每個所述伺服電機連接並驅動一個所述定量齒輪泵，使所述定量齒輪泵產生液壓能；所述定量齒輪泵通過供油管路連接所述電液伺服閥，將所述定量齒輪泵產生的液壓能通過所述電液伺服閥傳輸至所述液壓缸；每個所述電液伺服閥連接並控制一個所述液壓缸，通過控制液壓油進出所述液壓缸為所述機器人提供動力；每個所述電液伺服閥連接一個所述定量齒輪泵，所述電液伺服閥將回流的液壓油通過回油管路回收至所述定量齒輪泵。該液壓動力系統兼具低噪聲和高功率/密度比兩大優勢,振動小、機身質量分布均勻，實用性較強。
附圖說明
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步說明，附圖中：
圖1是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第一實施例的結構示意圖；
圖2是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第二實施例的結構示意圖；
圖3是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第三實施例的結構示意圖；
圖4是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的一體化集成伺服液壓缸的結構示意圖。
具體實施方式
為了對本實用新型的技術特徵、目的和效果有更加清楚的理解，現對照附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式。
本實用新型構造一種機器人電機驅動液壓動力系統，該系統完全使用電機作為動力源，為機器人提供動力。該系統包括：多個伺服電機1、多個定量齒輪泵2、多個電液伺服閥12、多個液壓缸11，其中，伺服電機1的數量與定量齒輪泵2的數量相同，電液伺服閥12與液壓缸11的數量相同，可以理解，本實用新型中的伺服電機1、定量齒輪泵2、電液伺服閥12、液壓缸11的數量可根據實際機器人的設置需要進行選擇，例如，四組機器人可以採用3個伺服電機1、3個定量齒輪泵2、12個電液伺服閥12、12個液壓缸11的技術方案；或採用4個伺服電機1、4個定量齒輪泵2、12個電液伺服閥12、12個液壓缸11的技術方案，同時可參考機器人的自身重量、負載、移動速度、應用場地等因素合理選擇各個設備的數量，本實用新型對此不做限定。
每個伺服電機1連接並驅動一個定量齒輪泵2，使定量齒輪泵2產生液壓能；
定量齒輪泵2通過供油管路5連接電液伺服閥12，將定量齒輪泵2產生的液壓能通過電液伺服閥12傳輸至液壓缸11；本實用新型所說的供油管路5由一條或多條供油管組成，不同數量的供油管構成不同的連接方式，下文將通過實施例進行說明。
每個電液伺服閥12連接並控制一個液壓缸11，通過控制液壓油進出液壓缸11為機器人提供動力；
每個電液伺服閥12連接一個定量齒輪泵2，電液伺服閥12將回流的液壓油通過回油管路14回收至定量齒輪泵2。
進一步，本實用新型的機器人電機驅動液壓動力系統，每個電液伺服閥12的A工作油口連接一個液壓缸11的無杆腔，每個電液伺服閥12的B工作油口連接一個液壓缸11的有杆腔；應當理解，液壓缸11由無杆腔和有杆腔組成。
供油管路5和回油管路14到每個電液伺服閥12的管路長度相等，液壓動力系統的液壓部件對稱分布。需要說明的是，本實用新型所說的「管路長度相等」並不是供油管路5和回油管路14到每個電液伺服閥12的管路長度完全相等，而是要儘量相等。在機器人設計過程中，為保證機器人的平衡，應儘量保證液壓動力系統的液壓部件對稱分布，同時遵守管路最短原則。
進一步，本實用新型的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：比例節流閥8、蓄能器9，蓄能器9通過比例節流閥8連接至供油管路5，比例節流閥8和蓄能器9用於供油管路5內的能量控制。
進一步，本實用新型的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：單向閥3、過濾器7、快速接頭6、溢液閥13、油箱18，其中，
單向閥3安裝在定量齒輪泵2的輸出端連接的供油管路5上。
過濾器7安裝在供油管路5和/或回油管路14上，用於過濾液壓油中的雜質；
快速接頭連接在供油管路5和/或回油管路14上，用於對機載液壓迴路進行補油和排氣；
溢液閥13連接於供油管路5和回油管路14之間；
油箱18安裝在回油管路14上，用於回收液壓迴路中的液壓油。
進一步，本實用新型的機器人電機驅動液壓動力系統，還包括：壓力傳感器4、溫度傳感器16、散熱器15，其中，
壓力傳感器4連接在供油管路5和/或回油管路14上，用於監測液壓油的壓力值；
溫度傳感器16連接在供油管路5和/或回油管路14上，用於監測液壓油的溫度；
散熱器15連接在供油管路5和/或回油管路14上，用於為液壓油降溫。
以下通過實施例1-3對上述機器人電機驅動液壓動力系統進行詳細說明。
圖1是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第一實施例的結構示意圖。
在本實施例中，機器人為四足機器人。供油管路5僅有一根供油管路，則所有定量齒輪泵2都連接並通過供油管路5輸出液壓油，供油管路5的輸出端分別連接每個電液伺服閥12。
具體的，本實施例的動力系統包括：3個伺服電機1、3個定量齒輪泵2、12個電液伺服閥12、12個液壓缸11，其中，
每個伺服電機1連接並驅動一個定量齒輪泵2，將機械能轉化為液壓能。每個定量齒輪泵2輸出的液壓油分別通過單向閥3，一起匯入到供油管路5中，共同為整個四足機器人提供動力。主供油管路5上安裝有過濾器7，用於過濾油液中的雜質。供油管路5的出油口分別與四足機器人的12個電液伺服閥12的P工作油口相連，為液壓缸11提供能量。其中，每個電液伺服閥12的A工作油口分別與一個液壓缸11的無杆腔相連，該電液伺服閥12的B工作油口分別與該液壓缸11的有杆腔相連；所有電液伺服閥12的T洩油口與溢流閥13的出油口匯流經過回油管路14連回油箱18，優選地，油箱18採用加壓油箱，因加壓油箱具有體積小、質量輕、防氣蝕、容積大、抗汙染能力強等優點。
另，在系統回油管路14上安裝有散熱器15，通過溫度傳感器16的信號反饋和計算系統發熱功率，對油液進行冷卻，並在回油管路14上安裝有快速接頭17。
3個伺服電機1由主控制器根據系統功率要求協調配合，共同驅動定量齒輪泵2為四足機器人提供所需能量。優選地，每個伺服電機1自帶有水冷裝置，為伺服電機1進行有效散熱。
優選地，每個定量齒輪泵2的出油口分別安裝一個壓力傳感器4，每個壓力傳感器4分別與信號處理器和控制器(圖中未畫出)相連，便於實現多電機混合驅動的閉環伺服控制。
如圖1所示，液壓系統的供油管路5上自前向後依次並聯有溢流閥13、快速接頭6、比例節流閥8、蓄能器9和壓力傳感器10。其中，比例節流閥8和蓄能器9共同構成能量調控單元，加快系統響應頻率，提高動力系統效率，壓力傳感器10用於監控供油油液的壓力。
優選地，供油管路5、快速接頭6、過濾器7、比例節流閥8、壓力傳感器10和單向閥3通過液壓閥塊相連；電液伺服閥12的進油口、出油口通過匯流板閥分別與供油管路5和回油管路14相連，便於油路的布局與安裝。
優選地，供油管路5和回油管路14到每個電液伺服閥12的管路長度儘量相等；所有動力系統液壓部件安裝遵守對稱布局，管路最短原則，有利於均勻分布機身質量，提高液壓伺服系統響應頻率。本技術人員應當理解，此處所說的「管路長度儘量相等」、「對稱布局」、「管路最短原則」為原則性規定，可根據機器人的具體結構進行設置，滿足本實施例給出的原則即可，本實施例對此不做具體限制。
圖2是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第二實施例的結構示意圖。
優選地，本實施例的機器人為四足機器人。本實施例的供油管路內供油管路5的數量等於定量齒輪泵2的數量，則每個定量齒輪泵2都連接一根供油管路5。
具體的，實施例的機器人電機驅動液壓動力系統包括：3個伺服電機1、3個定量齒輪泵2、12個電液伺服閥12、12個液壓缸11，其中，每個伺服電機1分別連接並驅動一個定量齒輪泵2，每個電液伺服閥12連接一個液壓缸11；每個定量齒輪泵2通過一根供油管路5連接其中四個電液伺服閥12。
如圖2所示，該液壓動力系統分為三個獨立的並聯供油迴路，根據不同關節的壓力與流量需求，合理選擇不同的伺服電機1和定量齒輪泵2，分別為四足機器人髖關節側擺、髖關節前擺、膝關節提供能量。每個供油迴路分別安裝比例節流閥8、蓄能器9、壓力傳感器10和溢流閥13，同時通過兩個截止閥19將三個並聯的供油管路5相連，便於外接液壓泵站。為減少液壓元件，過濾器7設在吸油迴路中。
本實施例其他與第一實施例相同的部分可參考第一實施例，在此不在贅述。
圖3是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的第三實施例的結構示意圖。
優選地，本實施例的機器人為四足機器人。本實施例的供油管路內供油管路5的數量少於定量齒輪泵2的數量，則至少有兩個定量齒輪泵2共用一根供油管路5。
具體的，參考圖3，本實施例的機器人電機驅動液壓動力系統包括：4個伺服電機1、4個定量齒輪泵2、12個電液伺服閥12、12個液壓缸11，其中，每個伺服電機1分別連接並驅動一個定量齒輪泵2，每個電液伺服閥12連接一個液壓缸11。其中兩個定量齒輪泵2通過一根供油管路5連接其中六個電液伺服閥12；另外兩個定量齒輪2泵通過另一根供油管路5連接另外六個電液伺服閥12。
考慮四足機器人常用步態模式為對角步態，因此採用兩個伺服電機1驅動定量齒輪泵2，為四足機器人的對角腿1、3上的液壓缸11提供油液；另外兩個伺服電機1驅動定量齒輪泵2，為四足機器人的對角腿2、4上的液壓缸11提供油液。
該液壓動力系統具有兩個獨立的並聯供油迴路，根據對角腿的不同狀態進行合理的模式切換。具體的，當對角腿1、3處於著地相時，相應的供油迴路切換到高壓小流量模式；當對角腿1、3處於騰空相時，相應的供油迴路切換到低壓大流量模式；對兩腿2、4的供油迴路的控制亦是如此，不僅能夠提高系統的伺服性能，同時也有利於能量的利用。
優選地，每個供油迴路分別安裝過濾器7、比例節流閥8、蓄能器9、壓力傳感器10和溢流閥13，同時通過截止閥19將兩並聯供油管路5相連，便於外接液壓泵站。
圖4是本實用新型機器人電機驅動液壓動力系統的一體化集成伺服液壓缸的結構示意圖。
具體的，在本實施例中，電液伺服閥12和液壓缸11一體化集成設計，併集成有直線位移傳感器20和一維力傳感器21。
上述實施例說明了本實用新型的幾種系統結構。另外，本實用新型的多電機混合驅動定量齒輪泵具有多種混合驅動模式：當四足機器人所需油液壓力和流量很大時，多個電機同時工作，共同分擔整個系統的功率，對單電機的性能要求較低，電機選型容易，體積小，質量輕，價格便宜；當四足機器人所需功率變小時，控制器根據伺服電機1的效率特性曲線，分別驅動每個伺服電機1使其運行在最佳的工作效率範圍內，使整個動力系統能耗最低；當四足機器人所需功率進一步變小，兩個電機或單個電機能滿足其功率要求時，控制器驅動電機輪換工作，提高電機工作壽命。
另，本實用新型還公開一種機器人電機驅動液壓動力系統的控制方法，該方法應用於上述實施例公開的機器人電機驅動液壓動力系統。具體的，該方法包括下述步驟：
步驟一：預設機器人所需功率和伺服電機11輸出功率之間的對應關係。
具體的，機器人在負載不同、或移動速度不同、或地形複雜等不同工作狀態時，會導致機器人需要的功率變化。如果在需要增加功率時沒有及時補充功率，會導致機器人的性能下降，不能按照要求工作。如果在需要減小功率時沒有及時減小功率，會導致電能的浪費和設備的多餘損耗。因此，應根據機器人所需功率及時調整伺服電機1輸出功率，在本實用新型提供的多伺服電機1動力系統中，調節伺服電機1工作的數量或調節伺服電機1的轉速來調節輸出功率，電路控制易實現，反映快；而使用燃氣發動機則不易調節。要實現調節，首先要設置機器人所需功率和伺服電機1輸出功率之間的對應關係，在系統中預先存儲調整方案。
步驟二：監測機器人所需功率，根據機器人所需功率和對應關係調整伺服電機1輸出功率。
具體的，機器人所需功率的獲取可通過監測負載、移動速度等參數獲得。獲得機器人的實時功率後，按照預先設置的機器人所需功率和伺服電機1輸出功率之間的對應關係，調整工作的伺服電機1的數量和/或伺服電機1輸出功率，達到機器人所需功率。
步驟三：檢測系統中設備的電流、轉速、壓力、溫度參數是否處於預設取值範圍。
具體的，在機器人工作過程中，系統通過壓力傳感器4、溫度傳感器15、速度傳感器、電壓計、電流計等實時獲得系統中設備的參數，參數包括但不限於電流、轉速、壓力、溫度等。系統的設備包括上述實施例中的所有設備，設備包括但不限於：伺服電機1、定量齒輪泵2、電液伺服閥12、液壓缸11、單向閥3、過濾器7、快速接頭6、溢液閥13、油箱18、供油管路5、回油管路14等。例如，監測伺服電機1的轉速、輸出電流、溫度，或監測定量齒輪泵2和液壓缸11的壓力，或監測供油管路5和回油管路14的溫度等。將監測獲得的參數與預設的安全參數範圍進行比對，判斷是否超出預設安全範圍。
步驟四：若檢測參數超出預設安全範圍，則關閉出現參數異常的設備，同時增大與出現參數異常的設備功能相同的設備的輸出功率、或開啟系統中未工作的與出現參數異常的設備功能相同的設備。
具體的，通過監測，若獲得的參數超出預設安全範圍，則關閉出現參數異常的設備，同時增大與出現參數異常的設備功能相同的設備的輸出功率、或開啟系統中未工作的與出現參數異常的設備功能相同的設備。例如，監測到某個伺服電機1出現問題，則關閉該伺服電機1，同時啟動系統中沒有開啟的伺服電機1，補充系統缺少的功率；若系統中沒有備用的伺服電機1，則適當增加在工作伺服電機1的輸出功率，補充系統缺少的功率。又例如，通過溫度檢測到伺服電機1、或定量齒輪泵2、或液壓缸11的溫度過高，則啟動散熱器15為設備降溫。
步驟五：監測伺服電機1的工作時間，伺服電機1的工作時間超過預設時間後，切換至未工作的伺服電機1。
具體的，為增加系統內伺服電機1的使用壽命，可進行輪換工作，即每個伺服電機1工作一段預設時間後，切換到其他伺服電機1。
本實用新型的多電機混合驅動液壓動力系統在運行過程中，若某個伺服電機或定量齒輪泵發生故障無法工作時，可通過電流、轉速、壓力等傳感器信號自動感知判斷，及時關閉故障電機並增大與之並聯伺服電機1的電流，為系統提供充足的動力，能有效防止事故的發生，系統可靠性較高，容錯能力強。
多電機伺服性能良好，驅動模式多樣，控制器能夠根據不同功率需求進行平滑的模式切換，有利於實現泵的軟啟動與軟停止，減小泵啟動及停止時所產生的衝擊和振動，同時配合能量調控單元的緩衝吸震作用，能有效提高電液伺服閥12閥前壓力的穩定性，改善整機液壓系統的伺服性能。
本實用新型的多個小電機混合驅動液壓泵相比於單個大電機或燃油發動機，具有質量輕，體積小，成本低，選型容易，布局靈活等特點，能更充分利用四足機器人的有限機身空間，機身質量分布更均勻。
由於四足機器人具有所需功率變化快的特點，對動力系統的伺服響應能力要求較高，而多電機混合驅動伺服性能良好，同時配合電液伺服閥12的動態性能，能較好的滿足系統的快速性要求。
本實用新型的快速接頭6和17可以通過外接液壓泵站，不僅可以用於對機載液壓迴路的補油與排氣，還可以進行四足機器人的調試與故障排除。
與現有技術相比，本實用新型的優點為：該液壓動力系統兼具低噪聲和高功率/密度比兩大優勢，能夠滿足未來軍事作戰和民用、商用的隱蔽性和高負載性要求,實用性較強；驅動模式多樣，容錯性強，動力系統節能可靠；運轉平穩，振動小，使用壽命長；性能穩定，快速響應能力強；整個系統成本低，質量輕，效率高，發熱小；結構簡單，布局靈活；機身質量分布均勻，對機器人運動平衡能力影響較小。
以上實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容並據此實施，並不能限制本實用新型的保護範圍。凡跟本實用新型權利要求範圍所做的均等變化與修飾，均應屬於本實用新型權利要求的涵蓋範圍。