专利名称：两足机器人智能泵阀的协同控制方法与执行器装置的制作方法
两足机器人智能泵阀的协同控制方法与执行器装置
技术领域：
本发明涉及一种基于微控制器智能控制算法的小功率液压执行器，用于两足机器 人控制，内容涉及电液控制技术领域。
背景技术：
现代机器人的控制技术要求执行器具有控制性好、能耗低、输出力大和小型轻量 化的特点。典型的机器人执行器驱动方式有电动机直接驱动和电液驱动两种型式，而具有 大的负重功能的机器人为了减轻自身重量和能源消耗，提高自身的功率重量比，执行器多 选用电液驱动方式。目前电液控制执行器主要有阀控与泵控两种系统工作方式，阀控系统 具有精度高和响应速度快的控制特性，而泵控系统则有转换效率高和控制精度适中的特 点。由于阀控系统节流控制损失，大大降低了系统效率并且引起系统发热。相比阀控系统 20 30 %的低能量转换效率，虽然泵控系统具有80 90 %的高能效比，但是容积控制方式 的泵控系统由于响应速度相对较低，应用领域受到局限，通常应用于大功率液压系统。因此 无论是阀控技术还是泵控技术驱动的传统液压缸执行器，均还无法很好地适应机器人控制 的小型执行器所要求的高速轻量化、输出力大、可控性好和能耗低的要求。
发明内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种两足机器人智能泵阀的协同控 制方法与执行器装置。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的本发明的目的之一是提供两足机器人智能泵阀的协同控制方法，其具体步骤为 采用微控制器MCU实时采样两足机器人的足底压力变化和工作状态，通过系统辨识算法辨 识出当前状态和需要施加的控制量，采用智能控制算法实时控制伺服阀的阀口开度，同时 通过控制液压泵电动机的转速来控制系统的流量，降低系统的节流损失，达到系统载荷匹 配和节能的效果。本发明的目的之二是提供一种两足机器人智能泵阀的执行器装置，包含复位弹簧 与传感单元的液压缸，液压缸内安装有传感单元，在液压缸的有杆腔内安装有复位弹簧，液 压缸无杆腔与受微控制器MCU控制的泵阀混合控制系统相连接；基于微控制器MCU的功率 控制单元按照事先编制好的程序，在智能控制算法的控制作用下，控制伺服阀开口和油泵 电动机转速产生的容积变化，使得执行器装置协同工作。所述泵阀混合控制系统的第一种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控 制的机器人执行器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴与 直流电机连接，单向阀与稳压的蓄能器、压力传感器及进油伺服阀连接，进油伺服阀与单出 杆液压缸及回油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连接，单出杆液压缸的传感单元通过信号 线与控制器连接，控制器通过信号线与稳定压力检测信号的压力传感器连接，控制器还通 过控制线与直流电机、进油伺服阀和回油伺服阀连接。
所述泵阀混合控制系统的第二种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控 制的机器人执行器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴与 直流电机连接，单向阀与单出杆液压缸及回油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连接，单出杆 液压缸的传感单元通过信号线与控制器连接，控制器通过控制线与直流电机和回油伺服阀 连接。所述泵阀混合控制系统的第三种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控制的机器人执行器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴 与直流电机连接，单向阀与单出杆液压缸、蓄能器及回油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连 接，单出杆液压缸的传感单元通过信号线与控制器连接，控制器通过控制线与直流电机和 回油伺服阀连接。基于微控制器MCU的功率控制单元按照事先编制好的程序，完成智能控制算法的 协同功能，控制执行器工作。智能控制算法的主要功能是(1)辨识出系统力反馈控制需要 的有关控制参数；(2)实时控制伺服阀的阀口开度和控制液压泵容积变化；(3)通过控制系 统的节流损失，达到系统载荷匹配和节能的效果。对于不同负载重量的机器人的使用要求，本发明提出了 3种执行器控制方案。这 3种控制方案相同的技术要点简述如下(1)都是泵阀协同控制；(2)使用了共性的数字液 压控制技术；(3)能够满足机器人执行器所要求的柔顺性的控制特点；(4)与单纯的阀控液 压系统相比较，具有明显的降低能源消耗的特点；(5)与通常的泵控液压系统相比较，又共 同具有阀控系统的控制准确和反应灵敏的特点。通过选择3种不同的配置方案，可以使之 适合不同负载的机器人的应用场合和需要。与现有技术相比，本发明的积极效果是(1)本发明使用复位弹簧简化了液压缸回程运动的控制；(2)本发明直接检测在液压缸内的传感单元信号，可靠性提高；(3)本发明采用伺服阀节流控制和容积控制的混合控制方式，控制响应快；(4)本发明采用伺服阀节流控制和容积控制的混合控制方式的系统取消了溢流 阀，降低了节流损耗，提高了系统效率；(5)本发明的系统具有蓄能器，提高了系统的被动柔顺性。
附图1是本发明的单出杆液压缸示意图；附图2是本发明的方案一实施示意图；附图3是本发明的方案二实施示意图；附图4是本发明的方案三实施示意图；附图中的标记分别为1、单出杆液压缸，2、传感单元，3、复位弹簧，4、油箱，5、单向 泵，6、单向阀，7、直流电机，8、蓄能器，9、压力传感器，10、进油伺服阀，11、回油伺服阀，12、 控制器，13、蓄能器。
具体实施方式以下提供本发明一种两足机器人智能泵阀的协同控制方法与执行器装置的具体实施方式
。两足机器人智能泵阀协同控制方法，其具体步骤为采用微控制器MCU实时采样两足机器人的足底压力变化和工作状态，通过系统辨识算法辨识出当前状态和需要施加的 控制量，采用智能控制算法实时控制伺服阀的阀口开度，同时通过控制液压泵电动机的转 速来控制系统的流量，降低系统的节流损失，达到系统载荷匹配和节能的效果。一种两足机器人执行器装置，包含复位弹簧3与传感单元2的单出杆液压缸1，所 述单出杆液压缸1上装有传感单元2，所述单出杆液压缸1有杆腔内安装有复位弹簧3，所 述单出杆液压缸1无杆腔与泵阀混合控制液压系统连接，请参见附图1。所述泵阀混合控制系统的第一种控制方案简述如下，一种以泵阀混合控制方法控 制的机器人执行器，油箱4与单向泵5进油口连接，所述单向泵5出油口与单向阀6连接， 单向泵5转轴与直流电机7连接，所述单向阀6与蓄能器8、压力传感器9及进油伺服阀10 连接，所述进油伺服阀10与单出杆液压缸1及回油伺服阀11连接，所述回油伺服阀11与 油箱4连接，所述单出杆液压缸1的传感单元2通过信号线与控制器12连接，所述控制器 12通过信号线与压力传感器8连接，所述控制器12还通过控制线与直流电机7、进油伺服 阀10的控制端及回油伺服阀11的控制端连接，请参见附图2。当控制器12收到对单出杆液压缸1的控制命令时，控制器12通过压力传感器9 检测蓄能器8内的压力，与预设工作压力进行比较，若蓄能器8内压力低于预设工作压力， 则控制器12驱动直流电机7旋转，直流电机7带动单向泵5同步旋转将油箱4内液压油经 过单向阀6打入蓄能器8形成系统工作油压，之后控制器12将控制命令与单出杆液压缸1 的传感单元2的信号进行比较，比较的误差通过智能控制算法处理后转换为脉宽调制控制 信号发送到进油伺服阀10及回油伺服阀11，当误差为负时进油伺服阀10打开使蓄能器8 与单出杆液压缸1连接提高油压，当误差为正时回油伺服阀11打开使油箱4与单出杆液压 缸1连接降低油压，从而实现对单出杆液压缸1内油压的控制，同时传感单元2会将单出杆 液压缸1的实时状态反馈给控制器12，直到误差信号小于内部死区范围，控制器12停止输 出控制信号。所述泵阀混合控制系统的第二种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控 制的机器人执行器，油箱4与单向泵5进油口连接，所述单向泵5出油口与单向阀6连接、 转轴与直流电机7连接，所述单向阀6与单出杆液压缸1及回油伺服阀11连接，所述回油 伺服阀11与油箱4连接，所述单出杆液压缸1的传感单元2通过信号线与控制器12连接， 所述控制器12通过控制线与直流电机7及回油伺服阀11连接，请参见附图3。当控制器12收到对液压缸1的控制命令时，控制器12将控制命令与单出杆液压 缸1的传感单元2的信号进行比较，比较的误差通过智能控制算法处理后转换为脉宽调制 控制信号发送到直流电机7与回油伺服阀11，当误差为负时直流电机7带动单向泵5同步 旋转，将油箱4内液压油经过单向阀6打入单出杆液压缸1中，当误差为正时回油伺服阀11 打开使油箱4与单出杆液压缸1连接降低油压，从而实现对单出杆液压缸1内油压的控制， 同时传感单元2会将单出杆液压缸1的实时状态反馈给控制器12，直到误差信号小于内部 死区范围，控制器12停止输出控制信号。所述泵阀混合控制系统的第三种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控 制的机器人执行器，油箱4与单向泵5进油口连接，所述单向泵5出油口与单向阀6连接、转轴与直流电机7连接，所述单向阀6与单出杆液压缸1、蓄能器13及回油伺服阀11连接， 所述回油伺服阀11与油箱4连接，所述单出杆液压缸1的传感单元2通过信号线与控制器 12连接，所述控制器12通过控制线与直流电机7及回油伺服阀11连接，请参见附图4。 当控制器12收到对液压缸1的控制命令时，控制器12将控制命令与单出杆液压 缸1的传感单元2的信号进行比较，比较的误差通过智能控制算法处理后转换为脉宽调制 控制信号发送到直流电机7与回油伺服阀11，当误差为负时直流电机7带动单向泵5同步 旋转，将油箱4内液压油经过单向阀6打入单出杆液压缸1及蓄能器13中，当误差为正时 回油伺服阀11打开使油箱4与单出杆液压缸1及蓄能器13连接降低油压，从而实现对单 出杆液压缸1内油压的控制，同时传感单元2会将单出杆液压缸1的实时状态反馈给控制 器12，直到误差信号小于内部死区范围，控制器12停止输出控制信号，当单出杆液压缸1受 到负载波动时，蓄能器13降低液压系统的刚度，使单出杆液压缸1动作平稳。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为 本发明的保护范围内。
权利要求
两足机器人智能泵阀的协同控制方法，其特征在于，具体步骤为采用微控制器MCU实时采样两足机器人的足底压力变化和工作状态，通过系统辨识算法辨识出当前状态和需要施加的控制量，采用智能控制算法实时控制伺服阀的阀口开度，同时通过控制液压泵电动机的转速来控制系统的流量。
2.两足机器人智能泵阀的执行器装置，其特征在于，包含复位弹簧与传感单元的液压 缸，液压缸内安装有传感单元，在液压缸的有杆腔内安装有复位弹簧，液压缸无杆腔与受微 控制器MCU控制的泵阀混合控制系统相连接；基于微控制器MCU的功率控制单元按照事先 编制好的程序，在智能控制算法的控制作用下，控制伺服阀开口和油泵电动机转速产生的 容积变化，使得执行器装置协同工作。
3.如权利要求2所述的两足机器人智能泵阀的执行器装置，其特征在于，所述的泵阀 混合控制系统的第一种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控制的机器人执行 器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴与直流电机连接， 单向阀与稳压的蓄能器、压力传感器及进油伺服阀连接，进油伺服阀与单出杆液压缸及回 油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连接，单出杆液压缸的传感单元通过信号线与控制器连 接，控制器通过信号线与稳定压力检测信号的压力传感器连接，控制器还通过控制线与直 流电机、进油伺服阀和回油伺服阀连接。
4.如权利要求2所述的两足机器人智能泵阀的执行器装置，其特征在于，所述的泵阀 混合控制系统的第二种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控制的机器人执行 器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴与直流电机连接， 单向阀与单出杆液压缸及回油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连接，单出杆液压缸的传感 单元通过信号线与控制器连接，控制器通过控制线与直流电机和回油伺服阀连接。
5.如权利要求2所述的两足机器人智能泵阀的执行器装置，其特征在于，所述的泵阀 混合控制系统的第三种控制方案简述如下一种以泵阀混合控制方法控制的机器人执行 器，油箱与单向泵进油口连接，单向泵出油口与单向阀连接，单向泵转轴与直流电机连接， 单向阀与单出杆液压缸、蓄能器及回油伺服阀连接，回油伺服阀与油箱连接，单出杆液压缸 的传感单元通过信号线与控制器连接，控制器通过控制线与直流电机和回油伺服阀连接。
全文摘要
本发明涉及两足机器人智能泵阀的协同控制方法与执行器装置，具体步骤为采用微控制器MCU实时采样两足机器人的足底压力变化和工作状态，通过系统辨识算法辨识出当前状态和需要施加的控制量，采用智能控制算法实时控制伺服阀的阀口开度，同时通过控制液压泵电动机的转速来控制系统的流量；本发明的优点使用复位弹簧简化了液压缸回程运动的控制；直接检测在液压缸内的传感单元信号，可靠性提高；采用伺服阀节流控制和容积控制的混合控制方式，控制响应快；采用伺服阀节流控制和容积控制的混合控制方式的系统取消了溢流阀，降低了节流损耗，提高了系统效率；系统具有蓄能器，提高了系统的被动柔顺性。
文档编号F15B21/08GK101806317SQ20101011205
公开日2010年8月18日 申请日期2010年2月23日 优先权日2010年2月23日
发明者凌正阳, 孙波, 曹恒, 曹頔, 朱钧, 王炜 申请人:华东理工大学