一种蓄能器辅助动力跳跃腿的制作方法

本发明涉及液压驱动的机器人技术领域，具体涉及一种蓄能器辅助动力跳跃腿。

背景技术：

现今，液压驱动的机器人具有更大的驱动力，尤其是在双足或多足机器人应用中，液压驱动凭借其更高的功率密度、爆发力和抗冲击性能得到广泛的应用，液压驱动的机器人负载能力也更强；多数液压驱动的机器人可以实现基本的行走运动和高度较低的跳跃，由于控制液压缸的伺服阀要求高频响和高精度，伺服阀的空载流量和带载流量较小，而实现高爆发式跳跃需要液压缸瞬间输出很高的力和速度，靠伺服阀的峰值流量很难实现，所以一种瞬间高爆发式的大流量高压力输出的跳跃腿是实现机器人大高度跳跃的必要条件。

目前腿足机器人主要有两种驱动方式，一种是电驱动，机器人关节应用伺服电机驱动，具有结构简单，集成和控制容易，获得电力方便等优点，但电机的功率密度较低，爆发力小，要实现较大高度的跳跃很难；另一种是液压驱动，具有功率密度高，爆发力强，负载大和抗冲击性能好等优点，但要实现较大高度的跳跃，需要液压驱动单元瞬时输出大的驱动力和速度，传统的液压驱动方式需要大流量的伺服阀来控制液压缸和功率很大的液压油源来提供充足的液压动力，这将导致整个系统的功耗、体积较大，对体积重量要求较高的腿足机器人实用性不强。

传统的液压驱动的关节腿实现跳跃存在如下问题：其一，液压驱动机器人受到尺寸和重量的限制，控制液压缸的伺服阀一般是流量很小的微型伺服阀，很难同时达到腿跳跃所需的流量和瞬时的高压；其二，即便采用大流量的伺服阀控制液压缸，达到所需的高压和大流量，也需要很高的功率的液压油源，这将导致机载液压油源集成困难，整个系统的能耗增大。

综上所述，现有的液压驱动的关节腿存在实现大高度跳跃难、液压动力系统功率不足、跳跃能量利用效率低的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有的液压驱动的关节腿存在实现大高度跳跃难、液压动力系统功率不足、跳跃能量利用效率低的问题，进而提供一种蓄能器辅助动力跳跃腿。

本发明的技术方案是：

一种蓄能器辅助动力跳跃腿，它包括小腿橡胶足1、小腿二力杆轴2、膝关节轴3、小腿膝关节活塞杆组件4、油压传感器5、大腿髋关节活塞杆组件7、蓄能器式液压缸联件8、大腿内侧板9、大腿导油管10、小腿液压缸后盖11、髋关节轴12、髋关节二力杆14、大腿外侧板15、充气活门17、大腿液压缸后盖22、膝关节二力杆23、小腿24、膝关节导向单元和髋关节导向单元，

髋关节轴12水平设置，大腿内侧板9和大腿外侧板15分别位于髋关节轴12两侧，髋关节轴12的两端与大腿内侧板9和大腿外侧板15可转动连接，髋关节二力杆14的一端与髋关节轴12的侧壁可转动连接，

小腿24位于大腿内侧板9和大腿外侧板15之间，小腿24的上部通过膝关节轴3与大腿内侧板9和大腿外侧板15可转动连接，膝关节二力杆23的一端通过小腿二力杆轴2与小腿24的上部可转动连接，

蓄能器式液压缸联件8位于大腿内侧板9和大腿外侧板15之间，蓄能器式液压缸联件8的上部两侧分别设有大腿导油管10和充气活门17，所述大腿导油管10包括大腿主进油导油管和大腿主回油导油管，大腿主进油导油管和大腿主回油导油管的一端分别与蓄能器式液压缸联件8的内部连通，大腿主进油导油管和大腿主回油导油管的另一端分别穿过大腿内侧板9，所述充气活门17的一端与蓄能器式液压缸联件8的内部连通，所述充气活门17的另一端穿过大腿外侧板15，蓄能器式液压缸联件8的下部设有油压传感器5；

蓄能器式液压缸联件8包括大腿液压缸25-3和小腿液压缸25-5，小腿液压缸25-5竖直向下设置，小腿液压缸25-5的末端设有小腿液压缸后盖11，小腿液压缸25-5与膝关节二力杆23之间设有膝关节导向单元，所述膝关节导向单元的导轨安装在小腿液压缸25-5的侧壁上，小腿液压缸25-5的活塞杆末端通过小腿膝关节活塞杆组件4与导轨上的滑块连接件连接，导轨上的滑块连接件与膝关节二力杆23的另一端连接；

大腿液压缸25-3竖直向上设置，大腿液压缸25-3的末端设有大腿液压缸后盖22，大腿液压缸25-3与髋关节二力杆14之间设有髋关节导向单元，所述髋关节导向单元的导轨安装在大腿液压缸25-3的侧壁上，大腿液压缸25-3的活塞杆末端通过大腿髋关节活塞杆组件7与导轨上的滑块连接件连接，导轨上的滑块连接件与髋关节二力杆14的另一端连接。

进一步地，所述跳跃腿还包括液压系统和管路系统，液压系统包括第一伺服阀25-2、第二伺服阀25-4、电磁开关阀25-6、高压蓄能器25-7和单向阀25-8；

管路系统包括第一油路26-1、第二油路26-2、第三油路26-3、第四油路26-4、第五油路26-5、第六油路26-6、第七油路26-7、第八油路26-8、第九油路26-9、第十油路26-10、第十一油路26-11、第十二油路26-12、第十三油路26-13、第十四油路26-14和第十五气路26-15；

第一油路26-1的一端为液压管路进油口25-1，第一油路26-1的一端与大腿导油管10的大腿主进油导油管的另一端连通，第一伺服阀25-2的p口通过第二油路26-2与第一油路26-1的另一端连通；第四油路26-4的一端为液压管路回油口25-9，第四油路26-4的一端与大腿导油管10的大腿主回油导油管的另一端连通，第一伺服阀25-2的t口通过第三油路26-3与第四油路26-4的另一端连通；第一伺服阀25-2的a口通过第五油路26-5与大腿液压缸25-3的有杆腔连通；第一伺服阀25-2的b口通过第六油路26-6与大腿液压缸25-3的无杆腔连通；

第二伺服阀25-4的p口通过第七油路26-7与第一油路26-1的另一端连通；第二伺服阀25-4的t口通过第八油路26-8与第四油路26-4的另一端连通；第二伺服阀25-4的a口通过第九油路26-9与小腿液压缸25-5的有杆腔连通；第二伺服阀25-4的b口通过第十油路26-10与小腿液压缸25-5的无杆腔连通；

单向阀25-8通过第十一油路26-11与第一油路26-1的另一端连通；单向阀25-8通过第十二油路26-12与高压蓄能器25-7的油腔连通；电磁开关阀25-6通过第十三油路26-13与高压蓄能器25-7的油腔连通；电磁开关阀25-6通过第十四油路26-14与小腿液压缸25-5的无杆腔连通；高压蓄能器25-7的气腔通过第十五气路26-15与充气活门17连通。

进一步地，高压蓄能器25-7为充气活塞式蓄能器，所述高压蓄能器25-7与大腿液压缸25-3和小腿液压缸25-5一体化设计。

进一步地，大腿液压缸25-3、小腿液压缸25-5和高压蓄能器25-7通过3d打印技术一体化成形。

进一步地，电磁开关阀25-6为常闭式插装开关阀。

进一步地，单向阀25-8为机械式单向阀。

进一步地，所述跳跃腿还包括位移传感器70l组件20，位移传感器70l组件20设置在膝关节导向单元上。

进一步地，所述跳跃腿还包括位移传感器80l组件21,位移传感器80l组件21设置在髋关节导向单元上。

进一步地，所述跳跃腿还包括两个深沟球轴承13，髋关节轴12两端套有两个深沟球轴承13，大腿内侧板9和大腿外侧板15分别通过一个深沟球轴承13与髋关节轴12可转动连接。

进一步地，所述跳跃腿还包括小腿橡胶足1，小腿24的下部设有小腿橡胶足1。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、与现有各类液压动力腿比较，本发明的采用蓄能器油缸一体化结构的蓄能器辅助动力跳跃腿通过在小腿液压缸上并联一个由常闭电磁开关阀控制的高压蓄能器，实现高功率密度输出，这种跳跃腿具有结构紧凑，瞬时功率密度高，响应速度快，驱动力大等优点，在有限空间内可实现很高的液压驱动力。

2、采用蓄能器油缸一体化结构的蓄能器辅助动力跳跃腿，采用3d打印的方式加工，具有方便加工，结构简单，安装和拆卸方便的优点，使整个机器结构紧凑，质量轻化。

3、采用蓄能器液压缸一体化结构的蓄能器辅助动力跳跃腿，腿跳跃过程采用伺服闭环控制，实现高效能量利用效率，对蓄能器辅助动力跳跃腿实现精准控制。

附图说明

图1是本发明的蓄能器辅助动力跳跃腿的液压原理图；图2是本发明的蓄能器辅助动力跳跃腿的结构组成图；图3是本发明的蓄能器辅助动力跳跃腿的侧视图；图4是本发明的蓄能器辅助动力跳跃腿的俯视图；图5是图4在aa-aa处的剖视图；图6是图4在ab-ab处的剖视图；图7是图4在d-d处的剖视图；图8是图4在ad-ad处的剖视图；图9是图4在ae-ae处的剖视图；图10是图3在ae-ag处的剖视图；图11是图4在ah-ah处的剖视图；图12是图3在ai-ai处的剖视图；图13是图4在an-an处的剖视图；图14是图4在ao-ao处的剖视图；图15是图4在ap-ap处的剖视图；图16是图4在aq-aq处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种蓄能器辅助动力跳跃腿，它包括小腿橡胶足1、小腿二力杆轴2、膝关节轴3、小腿膝关节活塞杆组件4、油压传感器5、大腿髋关节活塞杆组件7、蓄能器式液压缸联件8、大腿内侧板9、大腿导油管10、小腿液压缸后盖11、髋关节轴12、髋关节二力杆14、大腿外侧板15、充气活门17、大腿液压缸后盖22、膝关节二力杆23、小腿24、膝关节导向单元和髋关节导向单元，

髋关节轴12水平设置，大腿内侧板9和大腿外侧板15分别位于髋关节轴12两侧，髋关节轴12的两端与大腿内侧板9和大腿外侧板15可转动连接，髋关节二力杆14的一端与髋关节轴12的侧壁可转动连接，

小腿24位于大腿内侧板9和大腿外侧板15之间，小腿24的上部通过膝关节轴3与大腿内侧板9和大腿外侧板15可转动连接，膝关节二力杆23的一端通过小腿二力杆轴2与小腿24的上部可转动连接，

蓄能器式液压缸联件8位于大腿内侧板9和大腿外侧板15之间，蓄能器式液压缸联件8的上部两侧分别设有大腿导油管10和充气活门17，所述大腿导油管10包括大腿主进油导油管和大腿主回油导油管，大腿主进油导油管和大腿主回油导油管的一端分别与蓄能器式液压缸联件8的内部连通，大腿主进油导油管和大腿主回油导油管的另一端分别穿过大腿内侧板9，所述充气活门17的一端与蓄能器式液压缸联件8的内部连通，所述充气活门17的另一端穿过大腿外侧板15，蓄能器式液压缸联件8的下部设有油压传感器5；

蓄能器式液压缸联件8包括大腿液压缸25-3和小腿液压缸25-5，小腿液压缸25-5竖直向下设置，小腿液压缸25-5的末端设有小腿液压缸后盖11，小腿液压缸25-5与膝关节二力杆23之间设有膝关节导向单元，所述膝关节导向单元的导轨安装在小腿液压缸25-5的侧壁上，小腿液压缸25-5的活塞杆末端通过小腿膝关节活塞杆组件4与导轨上的滑块连接件连接，导轨上的滑块连接件与膝关节二力杆23的另一端连接；

大腿液压缸25-3竖直向上设置，大腿液压缸25-3的末端设有大腿液压缸后盖22，大腿液压缸25-3与髋关节二力杆14之间设有髋关节导向单元，所述髋关节导向单元的导轨安装在大腿液压缸25-3的侧壁上，大腿液压缸25-3的活塞杆末端通过大腿髋关节活塞杆组件7与导轨上的滑块连接件连接，导轨上的滑块连接件与髋关节二力杆14的另一端连接。

本实施方式的蓄能器辅助动力跳跃腿在实现腿跳跃过程采用伺服闭环控制，实现高效能量利用效率，对蓄能器辅助动力跳跃腿实现精准控制，通过实时监测系统流量、系统的压力，实现伺服控制。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述跳跃腿还包括液压系统和管路系统，液压系统包括第一伺服阀25-2、第二伺服阀25-4、电磁开关阀25-6、高压蓄能器25-7和单向阀25-8；

管路系统包括第一油路26-1、第二油路26-2、第三油路26-3、第四油路26-4、第五油路26-5、第六油路26-6、第七油路26-7、第八油路26-8、第九油路26-9、第十油路26-10、第十一油路26-11、第十二油路26-12、第十三油路26-13、第十四油路26-14和第十五气路26-15；

第一油路26-1的一端为液压管路进油口25-1，第一油路26-1的一端与大腿导油管10的大腿主进油导油管的另一端连通，第一伺服阀25-2的p口通过第二油路26-2与第一油路26-1的另一端连通；第四油路26-4的一端为液压管路回油口25-9，第四油路26-4的一端与大腿导油管10的大腿主回油导油管的另一端连通，第一伺服阀25-2的t口通过第三油路26-3与第四油路26-4的另一端连通；第一伺服阀25-2的a口通过第五油路26-5与大腿液压缸25-3的有杆腔连通；第一伺服阀25-2的b口通过第六油路26-6与大腿液压缸25-3的无杆腔连通；

第二伺服阀25-4的p口通过第七油路26-7与第一油路26-1的另一端连通；第二伺服阀25-4的t口通过第八油路26-8与第四油路26-4的另一端连通；第二伺服阀25-4的a口通过第九油路26-9与小腿液压缸25-5的有杆腔连通；第二伺服阀25-4的b口通过第十油路26-10与小腿液压缸25-5的无杆腔连通；

单向阀25-8通过第十一油路26-11与第一油路26-1的另一端连通；单向阀25-8通过第十二油路26-12与高压蓄能器25-7的油腔连通；电磁开关阀25-6通过第十三油路26-13与高压蓄能器25-7的油腔连通；电磁开关阀25-6通过第十四油路26-14与小腿液压缸25-5的无杆腔连通；高压蓄能器25-7的气腔通过第十五气路26-15与充气活门17连通。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

大腿在行走时，由液压管路进油口25-1进油进入由第一伺服阀25-2控制的大腿液压缸25-3，驱动大腿上的大腿髋关节活塞杆组件7推动髋关节导向单元的导轨上的滑块连接件带动髋关节二力杆14使大腿绕髋关节轴12转动，从而实现大腿的前后弯曲运动，由液压管路回油口25-9回油到机器人主油路；同时由液压管路进油口25-1进油进入由第二伺服阀25-4控制的小腿液压缸25-5，驱动小腿膝关节活塞杆组件4推动膝关节导向单元的导轨上的滑块连接件带动膝关节二力杆23使小腿24绕膝关节轴3转动，实现小腿24的弯曲动作，由液压管路回油口25-9回油到机器人主油路；与高压蓄能器25-7连接的电磁开关阀25-6处于常闭状态。当机器人需要跳跃时，电磁开关阀25-6打开，高压蓄能器25-7高压油进入小腿液压缸25-5无杆腔，高压油推动小腿膝关节活塞杆组件4，推动膝关节导向单元的导轨上的滑块连接件带动膝关节二力杆23使小腿24绕膝关节轴3转动，实现液压动力腿的大功率跳跃。

液压油通过大腿导油管10进入蓄能器式液压缸联件8内部，驱动大腿上的大腿髋关节活塞杆组件7推动推动髋关节导向单元的导轨上的滑块连接件带动髋关节二力杆14使大腿绕髋关节轴12转动，从而实现大腿的前后弯曲运动。液压油通过大腿导油管10进入蓄能器式液压缸联件8内部，驱动大腿上的大腿髋关节活塞杆组件7推动导轨上的滑块连接件带动髋关节二力杆14使大腿绕髋关节轴12转动，从而实现大腿的前后弯曲运动。液压油驱动小腿膝关节活塞杆组件4推动导轨上的滑块连接件带动膝关节二力杆23使小腿绕膝关节轴3转动，实现小腿的弯曲及跳跃动作。

图3至图16为蓄能器辅助动力跳跃腿油路剖视图，表示出了跳跃腿截面油路进回油路径：

其中大腿底部液压缸油路路径为：

液压油经大腿导油管10的大腿主进油导油管进入蓄能器式液压缸联件8内进油第一油路26-1经第二油路26-2进入到第一伺服阀25-2的p口，通过第一伺服阀25-2的t口进入第三油路26-3，并分流到第四油路26-4，最终回油到大腿导油管10的大腿主回油导油管中，第一伺服阀25-2的a口通过第五油路26-5进入大腿液压缸25-3的有杆腔，第一伺服阀25-2的b口经第六油路26-6进入大腿液压缸25-3的无杆腔，实现大腿的前后运动；

其中大腿前部液压缸油路路径为：

液压油经大腿导油管10的大腿主进油导油管进入蓄能器式液压缸联件8内进油第一油路26-1经第七油路26-7分流进入到第二伺服阀25-4的p口，通过第二伺服阀25-4的t口进入第八油路26-8，汇入到第四油路26-4，最终回油到大腿导油管10的大腿主回油导油管中，第二伺服阀25-4的a口通过第九油路26-9进入小腿液压缸25-5的有杆腔，第二伺服阀25-4的b口经第十油路26-10进入小腿液压缸25-5的无杆腔，实现小腿的前后运动；

实现跳跃的大腿前部液压缸并联蓄能器油路路径为：

液压油经大腿导油管10的大腿主进油导油管进入蓄能器式液压缸联件8内进油第一油路26-1经第十一油路26-11分流进入单向阀25-8，然后通过第十二油路26-12进入高压蓄能器25-7的油腔进行冲压蓄能，当电磁开关阀25-6打开，高压蓄能器25-7的液压油经过第十三油路26-13进入电磁开关阀25-6，经第十四油路26-14汇合到第十油路26-10进入小腿液压缸25-5的无杆腔，氮气从充气活门17通过第十五气路26-15进入高压蓄能器25-7的气腔。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的高压蓄能器25-7为充气活塞式蓄能器，所述高压蓄能器25-7与大腿液压缸25-3和小腿液压缸25-5一体化设计。如此设置，所述高压蓄能器25-7设计成充气活塞式蓄能器，与大腿液压缸25-3和小腿液压缸25-5一体化设计，设计成充气式，可以达到稳压、消除压力脉动的作用，并在腿需要跳跃时对小腿液压缸25-5进行高压油补充，实现跳跃。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的大腿液压缸25-3、小腿液压缸25-5和高压蓄能器25-7通过3d打印技术一体化成形。如此设置，所述大腿液压缸25-3、小腿液压缸25-5和高压蓄能器25-7使用3d打印技术一体化成形后进一步精加工完成，免去工艺油路，最大程度的降低体积及重量。具备重量轻、结构紧凑等优点。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的电磁开关阀25-6为常闭式插装开关阀。如此设置，所述电磁开关阀25-6选用常闭式插装开关阀，控制高压蓄能器25-7与小腿液压缸25-5无杆腔油路的通断，未通电时处于常闭状态，当需要跳跃时电磁开关阀25-6通电打开，油路连通，高压蓄能器25-7向小腿液压缸25-5提供高压油，实现小腿液压缸25-5大流量高功率输出，从而实现液压驱动的腿的跳跃。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的单向阀25-8为微小型机械式单向阀。如此设置，所述单向阀25-8选用微小型机械式单向阀，体积小，占用空间小，可以放入一体化打印件中，可减轻重量。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述跳跃腿还包括位移传感器70l组件20，位移传感器70l组件20设置在膝关节导向单元上。如此设置，所述位移传感器70l组件20用于测量小腿液压缸25-5的活塞杆的行程距离。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述跳跃腿还包括位移传感器80l组件21,位移传感器80l组件21设置在髋关节导向单元上。如此设置，所述位移传感器80l组件21用于测量大腿液压缸25-3的活塞杆的行程距离。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述跳跃腿还包括两个深沟球轴承13，髋关节轴12两端套有两个深沟球轴承13，大腿内侧板9和大腿外侧板15分别通过一个深沟球轴承13与髋关节轴12可转动连接。如此设置，所述髋关节轴12上两端套有两个深沟球轴承13，支撑两侧的大腿内侧板9和大腿外侧板15可在髋关节轴12上回转运动，完成大腿的前驱与后摆。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式的所述跳跃腿还包括小腿橡胶足1，小腿24的下部设有小腿橡胶足1。如此设置，所述小腿橡胶足1设置在小腿24的下部，防止机器人在运动时发生打滑的现象。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

结合图1和图2说明本发明的工作原理：

本发明是一种应用于液压驱动机器人的蓄能器辅助动力跳跃腿。在小腿液压缸25-5上并联一个由常闭电磁开关阀25-6控制的高压蓄能器25-7，机器人将要跳跃前，液压动力源调至高压并向高压蓄能器25-7储存高压油，同时第二伺服阀25-4控制小腿液压缸25-5，小腿液压缸25-5的活塞杆缩至最小值；机器人跳跃瞬间，打开高压蓄能器25-7的常闭电磁开关阀25-6，高压蓄能器25-7中储存的高压油进入小腿液压缸25-5无杆腔，同时第二伺服阀25-4控制小腿液压缸25-5以最大速度伸出，从而实现小腿液压缸25-5瞬时输出高压力和高速度，小腿液压缸25-5的活塞杆推动前端连接的膝关节二力杆23，膝关节二力杆23再驱动小腿24运动实现跳跃；这种跳跃腿具有结构紧凑，瞬时功率密度高，响应速度快，驱动力大等优点，在有限空间内可实现很高的液压驱动力。可满足机器人液压跳跃腿对大驱动力、响应速度快等要求。