專利名稱：機器人液壓動力系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及液壓動力系統(tǒng)，特別涉及步行機器人的液壓動力系統(tǒng)。
背景技術：
步行仿生機器人，具有常規(guī)平面地形下的高速移動特性和野外特殊地形下較強的適應性。步行機器人主要是面向野外環(huán)境，在具體設計過程中除了正常的行走功能外，還有背負有效載荷、行走里程等多方面的具體要求。由于液壓驅(qū)動的結(jié)構(gòu)緊湊、功率密度大、自適應性強，因此液壓伺服驅(qū)動在該領域的應用與電驅(qū)動相比具有較大優(yōu)勢。為了滿足機器人的多種設計要求液壓伺服機構(gòu)在工作過程中不僅要求液壓源具有快速、穩(wěn)定的特性，還要求液壓源具備高功率密度(體積小、重量輕)、高效率的特點。因此，開發(fā)高度集成的液壓動力系統(tǒng)為機器人的行走提供強有力的液壓源是設計高性能步行機器人的一項關鍵技術。國外關于步行機器人的文獻主要采用的是電池-電機驅(qū)動系統(tǒng)。中國專利文獻 ZL200820157956. 2、CN101602382A、ZL03153505. 4公開的四足機器人結(jié)構(gòu)也都是采用了電池-電機結(jié)構(gòu)。電池-電機缺點在于功率密度低、續(xù)航能力差。中國專利CN 101811304A公開了一種四足機器人的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)的動力部分采用了發(fā)動機結(jié)合定量泵的結(jié)構(gòu)形式，除此之外在類似步行機器人的機器人結(jié)構(gòu)中還有采用發(fā)動機加變量泵的結(jié)構(gòu)，通過對變量泵的控制改變液壓源的輸出流量。以上采用的兩種設計方案缺點如下第一種是發(fā)動機帶動定量泵進行工作，這種結(jié)構(gòu)的控制方法是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)不同的流量輸出，這種方案的缺點在于發(fā)動機的轉(zhuǎn)速變化范圍較小，當伺服機構(gòu)需要流量較小時，只能通過溢流來降低系統(tǒng)的壓力，這樣就造成了能量的浪費，在機器人低速運動時能耗較高，同時浪費的能量轉(zhuǎn)化為熱量需要通過散熱器進行散熱，增大了系統(tǒng)的散熱負擔。第二種設計方案是采用發(fā)動機帶動變量泵進行工作，通過對變量泵排量的控制， 實現(xiàn)對系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)定壓變流量的調(diào)節(jié)。這種方案的缺點在于雖然通過變量泵實現(xiàn)了流量的調(diào)節(jié)，但是當機器人處于低速運動時，發(fā)動機處于高轉(zhuǎn)速、低扭矩的工作狀態(tài)， 燃料無法充分燃燒造成發(fā)動機的耗油量較大，同時變量泵處于較低排量時的工作效率也較低，消耗的能量一定程度上也會加重散熱系統(tǒng)的負擔。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術解決問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種機器人液壓動力系統(tǒng)， 本發(fā)明能夠有效利用能量，并能精確控制供油量。本發(fā)明的技術解決方案是機器人液壓動力系統(tǒng)，包括控制單元ECU，依次相連的啟動電機、發(fā)動機和變量泵，所述變量泵的進油口通過粗濾與油箱相連，所述變量泵的出油口處設有第一壓力傳感器，所述變量泵的出油口處串聯(lián)設有流量傳感器、在負載的進油端并聯(lián)設有第二壓力傳感器，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和流量傳感器將采集到的信號傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU，所述控制單元ECU對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，同時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)流量的精確供給。進一步地，所述變量泵的出油口通過單向止回閥與蓄能器并聯(lián)。進一步地，所述變量泵的出油口還通過所述單向止回閥與溢流閥并聯(lián)。
進一步地，所述變量泵的出油口處設有電控卸荷閥。優(yōu)選地，所述變量泵為柱塞式變量泵。所述控制單元ECU采集變量泵的斜盤傾角傳感器的信號，通過對變量泵比例閥的控制實現(xiàn)對變量泵排量的閉環(huán)控制。所述控制單元ECU采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器的信號，通過對發(fā)動機電子節(jié)氣門的控制實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。優(yōu)選地，所述控制單元E⑶通過can總線與機器人的其它系統(tǒng)通信。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點(1)本發(fā)明動力系統(tǒng)的核心部件包括發(fā)動機、變量泵和控制單元ECU。啟動電機、 發(fā)動機和變量泵依次相連，動力系統(tǒng)啟動時，由啟動電機帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)，發(fā)動機再帶動變量泵轉(zhuǎn)動，所述變量泵的進油口通過粗濾與油箱相連，所述變量泵的出油口處設有第一壓力傳感器，所述變量泵的出油口處串聯(lián)設有流量傳感器、并聯(lián)設有第二壓力傳感器，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和流量傳感器將采集到的信號傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU，所述控制單元ECU對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，通過對變量泵的排量和發(fā)動機的轉(zhuǎn)速進行雙參數(shù)閉環(huán)控制，在動力系統(tǒng)工作過程中合理地匹配發(fā)動機和變量泵的工作點，達到提高二者工作效率的目的；此結(jié)構(gòu)設計能夠使本發(fā)明在保證精確控制供油量的前提下，提高動力系統(tǒng)的工作效率、降低燃油消耗。(2)本發(fā)明變量泵的出油口通過單向止回閥與蓄能器并聯(lián)，蓄能器能夠?qū)ο到y(tǒng)的瞬態(tài)流量進行補充，提高動力系統(tǒng)的動態(tài)響應能力，增加系統(tǒng)的瞬時流量。(3)本發(fā)明變量泵的出油口通過單向止回閥與溢流閥并聯(lián)，溢流閥起到安全溢流的作用，保證系統(tǒng)處于最大輸出壓力以下。(4)本發(fā)明采用啟動電機和電控卸荷閥配合工作，實現(xiàn)動力系統(tǒng)的電啟動和快速卸荷，在發(fā)動機怠速工況下，卸荷閥可以有效降低變量泵出油口的壓力有利于提高變量泵的壽命。(5)本發(fā)明采用獨立的控制單元E⑶實現(xiàn)智能控制。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的機器人液壓動力系統(tǒng)原理示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的控制單元E⑶原理框圖。圖3是機器人液壓動力系統(tǒng)在恒流源模式下的工作原理圖。圖4是機器人液壓動力系統(tǒng)在恒壓源模式下的工作原理圖。圖號說明1-啟動電機，2-發(fā)動機，3-發(fā)動機的電子節(jié)氣門，4-發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器，5-控制單元ECU，6-軸向柱塞變量泵，7-變量泵的比例閥，8-變量泵的斜盤傾角傳感器， 9-電控卸荷閥，10-第一壓力傳感器，11-單向止回閥，12-蓄能器，13-流量傳感器，14-第二壓力傳感器，15-精濾，16-散熱器，17-油箱，18-溢流閥，19-粗濾。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行說明。如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的機器人液壓動力系統(tǒng)，包括控制單元(E⑶)5，依次相連的啟動電機1、發(fā)動機2和變量泵6，所述變量泵的進油口通過粗濾19與油箱17相連，所述變量泵的出油口處并聯(lián)有第一壓力傳感器10，所述變量泵的出油口處串聯(lián)設有流量傳感器 13、負載供油端并聯(lián)設有第二壓力傳感器14，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和流量傳感器將采集到的信號傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU，所述控制單元ECU對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，同時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)流量的精確供給。啟動電機1與發(fā)動機2直接連接，動力系統(tǒng)啟動時，由啟動電機1帶動發(fā)動機2旋轉(zhuǎn)。發(fā)動機2與變量泵6相連，帶動變量泵6轉(zhuǎn)動。在系統(tǒng)啟動時，在控制單元(ECU)5的控制下，電控卸荷閥通電卸荷、變量泵排量調(diào)節(jié)為0。這樣發(fā)動機可以在無負載的條件下啟動，有效地降低發(fā)動機啟動時的阻力矩。實施例中發(fā)動機采用汽油發(fā)動機(當然柴油發(fā)動機也可以)，變量泵采用柱塞式變量泵(其它變量泵也行，只是采用柱塞式變量泵的好處是運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，流量均勻性好，噪聲低，工作壓力高，有利于提高系統(tǒng)的功率密度，發(fā)動機優(yōu)選轉(zhuǎn)速不小于7000r/min的，變量泵優(yōu)選轉(zhuǎn)速不小于6000r/min的，采用高轉(zhuǎn)速的好處是可以降低系統(tǒng)的體積和重量，提高系統(tǒng)的功率密度。該動力系統(tǒng)中發(fā)動機2、變量泵6和控制單元5是核心部件，控制單元ECU同時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量進行控制，實現(xiàn)流量的精確供給。控制單元5采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器4的信號，通過對發(fā)動機電子節(jié)氣門3的控制實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制；控制單元5采集變量泵的斜盤傾角傳感器8的信號，通過對變量泵比例閥7的控制實現(xiàn)對變量泵排量的閉環(huán)控制。為了在發(fā)動機啟動和怠速時降低變量泵出口壓力，提高變量泵的壽命，在變量泵6 的出油口處并聯(lián)有電控卸荷閥9。機器人啟動或者暫時停機時，控制單元5打開電控卸荷閥 9，保證發(fā)動機2在空載情況下啟動。同時控制單元5驅(qū)動啟動電機1并且通過對發(fā)動機電子節(jié)氣門3的控制給發(fā)動機供油，實現(xiàn)機器人的電啟動。當機器人處于暫時停機狀態(tài)時，可以打開電控卸荷閥9，減小發(fā)動機電子節(jié)氣門的開度降低發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，使發(fā)動機處于低速空載怠速的狀態(tài)，以節(jié)約燃料和延長變量泵壽命。變量泵6的出油口通過單向止回閥11與溢流閥18和蓄能器12并聯(lián)，溢流閥起安全溢流的作用，保證系統(tǒng)處于最大輸出壓力以下，蓄能器可以對系統(tǒng)的瞬間流量進行補充， 提高動力系統(tǒng)的動態(tài)響應能力。負載的回油通路串聯(lián)有散熱器16和精濾15，實現(xiàn)冷卻和清潔的功能，保證油箱循環(huán)油在規(guī)定和溫度和清潔度范圍內(nèi)。如圖2所示，本實施例采用CAN總線實現(xiàn)動力系統(tǒng)ECU與機器人其它系統(tǒng)的通信功能。機器人工作時，控制單元通過CAN收發(fā)模塊實時發(fā)布動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)及相關數(shù)據(jù)，并及時獲取機器人的當前步態(tài)信息和環(huán)境信息以及運動模式，根據(jù)機器人當前的步態(tài)、 環(huán)境和運動模式確定合理的供油模式和油壓及流量。同時根據(jù)發(fā)動機和變量泵的效率特性，使二者能夠匹配在效率最高點，達到在保證液壓系統(tǒng)有效供油量的前提下節(jié)約能源的目的。本實施例中控制單元ECU由單片機實現(xiàn)，單片機選用的是飛思卡爾公司生產(chǎn)的MC9S12DP256。當然，ECU也可以采用英飛凌公司的SAF-XE164G-72F66L或者 SAF-XE167FM-72FxxL 實現(xiàn)。工作過程中，動力系統(tǒng)通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量的閉環(huán)控制實現(xiàn)對機器人液壓系統(tǒng)流量的精確控制，通過對流量的控制可以實現(xiàn)恒壓源模式和恒流源模式兩種輸出模式。在恒流源模式下，如圖3所示，通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量的閉環(huán)控制來實現(xiàn)。首先ECU根據(jù)系統(tǒng)的目標流量確定需要的變量泵排量和發(fā)動機轉(zhuǎn)速，其中變量泵的排量大小利用改變變量泵斜盤的傾斜角度來實現(xiàn)。ECU根據(jù)變量泵傾斜盤的目標傾角和實際傾角的差值確定比例閥的電流大小，對變量泵傾斜盤傾角進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)對變量泵排量大小的精確控制。同時，ECU根據(jù)發(fā)動機目標轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速的差值確定發(fā)動機節(jié)氣門開度的大小，對節(jié)氣門開度進行閉環(huán)控制，從而實現(xiàn)發(fā)動機轉(zhuǎn)速的精確控制。在恒流源模式中，系統(tǒng)的壓力通過溢流閥進行控制，壓力過高時，多余流量經(jīng)過溢流閥溢流。恒流源模式的優(yōu)點在于系統(tǒng)響應時間短，能夠快速地響應機器人伺服運動機構(gòu)的流量需求變化。適用于機器人當外界環(huán)境突然變化而需要快速調(diào)節(jié)姿態(tài)的情況。在恒壓源模式下，如圖4所示，根據(jù)目標壓力E⑶對系統(tǒng)流量實施動態(tài)調(diào)節(jié)，通過對流量的調(diào)節(jié)達到控制系統(tǒng)壓力的目的。在具體的調(diào)節(jié)過程中，首先ECU根據(jù)目標壓力和實際壓力的值，確定增加或減小流量。流量的變化通過對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量的閉環(huán)控制實現(xiàn)，流量的的調(diào)節(jié)過程與恒流源模式下的調(diào)節(jié)方法一致。恒壓源模式的好處在于，節(jié)約能耗，沒有溢流損失，廣泛的適用于機器人的各種行走和工作狀態(tài)。本發(fā)明的液壓動力系統(tǒng)具有以下優(yōu)點優(yōu)點1 效率高、能夠有效的降低機器人的燃油消耗，增加添加一次燃油的續(xù)航里程。優(yōu)點2 智能化控制，適應性強?？梢愿鶕?jù)機器人的工作狀態(tài)靈活的調(diào)整動力系統(tǒng)的工作模式。優(yōu)點3 響應快，有利于縮短機器人的響應時間，提高對突發(fā)情況的適應性。優(yōu)點4 高功率密度，體積小、重量輕。需要說明的是，本發(fā)明適用于任何機器人的動力系統(tǒng)，尤其適用于步行機器人的動力系統(tǒng)。本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域?qū)I(yè)技術人員公知技術。本發(fā)明不局限于權(quán)利要求和上述實施例所述及的內(nèi)容，只要是根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思所創(chuàng)作出來的任何發(fā)明，都應歸屬于本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，包括控制單元ECU ，依次相連的啟動電機 (1)、發(fā)動機⑵和變量泵(6)，所述變量泵的進油口通過粗濾(19)與油箱(17)相連，所述變量泵的出油口處設有第一壓力傳感器(10)，所述變量泵的出油口處串聯(lián)設有流量傳感器 (13)、在負載的供油端并聯(lián)設有第二壓力傳感器(14)，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和流量傳感器將采集到的信號傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU，所述控制單元ECU對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，同時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)流量的精確供給。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述變量泵的出油口通過單向止回閥(11)與蓄能器(12)并聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述變量泵的出油口還通過所述單向止回閥(11)與溢流閥(18)并聯(lián)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述變量泵的出油口處設有電控卸荷閥(9)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述變量泵為柱塞式變量泵。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元ECU(5)采集變量泵的斜盤傾角傳感器(8)的信號，通過對變量泵比例閥(7)的控制實現(xiàn)對變量泵排量的閉環(huán)控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元ECU(5)采集發(fā)動機的轉(zhuǎn)速傳感器的信號，通過對發(fā)動機電子節(jié)氣門( 的控制實現(xiàn)對發(fā)動機轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機器人液壓動力系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元ECU通過 can總線與機器人的其它系統(tǒng)通信。
全文摘要
機器人液壓動力系統(tǒng)，包括控制單元ECU，依次相連的啟動電機、發(fā)動機和變量泵，所述變量泵的進油口通過粗濾與油箱相連，所述變量泵的出油口處設有第一壓力傳感器，所述變量泵的出油口處串聯(lián)設有流量傳感器、在負載的進油端并聯(lián)有第二壓力傳感器，所述第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和流量傳感器將采集到的信號傳輸?shù)娇刂茊卧狤CU，所述控制單元ECU對動力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進行監(jiān)測，同時對發(fā)動機轉(zhuǎn)速和變量泵排量進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)流量的精確供給和系統(tǒng)壓力的精確控制。進一步地，所述變量泵的出油口處設有電控卸荷閥，所述變量泵的出油口通過單向止回閥與溢流閥和蓄能器并聯(lián)。本發(fā)明能夠有效利用能量，并能精確控制供油量。
文檔編號F15B21/08GK102278334SQ20111020752
公開日2011年12月14日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者劉相波, 劉維平, 劉西俠, 吳振華, 孫偉, 張傳清, 金毅, 馬瑾 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學院