专利名称：机器人液压动力系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及液压动力系统，特别涉及步行机器人的液压动力系统。
背景技术：
步行仿生机器人，具有常规平面地形下的高速移动特性和野外特殊地形下较强的适应性。步行机器人主要是面向野外环境，在具体设计过程中除了正常的行走功能外，还有背负有效载荷、行走里程等多方面的具体要求。由于液压驱动的结构紧凑、功率密度大、自适应性强，因此液压伺服驱动在该领域的应用与电驱动相比具有较大优势。为了满足机器人的多种设计要求液压伺服机构在工作过程中不仅要求液压源具有快速、稳定的特性，还要求液压源具备高功率密度(体积小、重量轻)、高效率的特点。因此，开发高度集成的液压动力系统为机器人的行走提供强有力的液压源是设计高性能步行机器人的一项关键技术。国外关于步行机器人的文献主要采用的是电池-电机驱动系统。中国专利文献 ZL200820157956. 2、C N101602382A.ZL03153505. 4公开的四足机器人结构也都是采用了电池-电机结构。电池-电机缺点在于功率密度低、续航能力差。中国专利CN 101811304A公开了一种四足机器人的液压驱动系统，该系统的动力部分采用了发动机结合定量泵的结构形式，除此之外在类似步行机器人的机器人结构中还有采用发动机加变量泵的结构，通过对变量泵的控制改变液压源的输出流量。以上采用的两种设计方案缺点如下第一种是发动机带动定量泵进行工作，这种结构的控制方法是通过调节发动机转速来实现不同的流量输出，这种方案的缺点在于发动机的转速变化范围较小，当伺服机构需要流量较小时，只能通过溢流来降低系统的压力，这样就造成了能量的浪费，在机器人低速运动时能耗较高，同时浪费的能量转化为热量需要通过散热器进行散热，增大了系统的散热负担。第二种设计方案是采用发动机带动变量泵进行工作，通过对变量泵排量的控制， 实现对系统流量的调节，实现定压变流量的调节。这种方案的缺点在于虽然通过变量泵实现了流量的调节，但是当机器人处于低速运动时，发动机处于高转速、低扭矩的工作状态， 燃料无法充分燃烧造成发动机的耗油量较大，同时变量泵处于较低排量时的工作效率也较低，消耗的能量一定程度上也会加重散热系统的负担。
实用新型内容本实用新型的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种机器人液压动力系统，本实用新型能够有效利用能量，并能精确控制供油量。本实用新型的技术解决方案是机器人液压动力系统，包括控制单元ECU，依次相连的启动电机、发动机和变量泵，所述变量泵的进油口通过粗滤与油箱相连，所述变量泵的出油口处设有第一压力传感器，所述变量泵的出油口处串联设有流量传感器、在负载的进油端并联设有第二压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器将采集到的信号传输到控制单元ECU，所述控制单元ECU对动力系统的工作状态进行监测，同时对发动机转速和变量泵排量进行闭环控制，实现流量的精确供给。进一步地，所述变量泵的出油口通过单向止回阀与蓄能器并联。进一步地，所述变量泵的出油口还通过所述单向止回阀与溢流阀并联。 进一步地，所述变量泵的出油口处设有电控卸荷阀。优选地，所述变量泵为柱塞式变量泵。所述控制单元ECU采集变量泵的斜盘倾角传感器的信号，通过对变量泵比例阀的控制实现对变量泵排量的闭环控制。所述控制单元ECU采集发动机的转速传感器的信号，通过对发动机电子节气门的控制实现对发动机转速的闭环控制。优选地，所述控制单元E⑶通过can总线与机器人的其它系统通信。本实用新型与现有技术相比具有如下优点(1)本实用新型动力系统的核心部件包括发动机、变量泵和控制单元ECU。启动电机、发动机和变量泵依次相连，动力系统启动时，由启动电机带动发动机旋转，发动机再带动变量泵转动，所述变量泵的进油口通过粗滤与油箱相连，所述变量泵的出油口处设有第一压力传感器，所述变量泵的出油口处串联设有流量传感器、并联设有第二压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器将采集到的信号传输到控制单元ECU，所述控制单元ECU对动力系统的工作状态进行监测，通过对变量泵的排量和发动机的转速进行双参数闭环控制，在动力系统工作过程中合理地匹配发动机和变量泵的工作点，达到提高二者工作效率的目的；此结构设计能够使本实用新型在保证精确控制供油量的前提下， 提高动力系统的工作效率、降低燃油消耗。(2)本实用新型变量泵的出油口通过单向止回阀与蓄能器并联，蓄能器能够对系统的瞬态流量进行补充，提高动力系统的动态响应能力，增加系统的瞬时流量。(3)本实用新型变量泵的出油口通过单向止回阀与溢流阀并联，溢流阀起到安全溢流的作用，保证系统处于最大输出压力以下。(4)本实用新型采用启动电机和电控卸荷阀配合工作，实现动力系统的电启动和快速卸荷，在发动机怠速工况下，卸荷阀可以有效降低变量泵出油口的压力有利于提高变
量泵的寿命。(5)本实用新型采用独立的控制单元ECU实现智能控制。
图1是根据本实用新型的机器人液压动力系统原理示意图。图2是根据本实用新型的控制单元E⑶原理框图。图3是机器人液压动力系统在恒流源模式下的工作原理图。图4是机器人液压动力系统在恒压源模式下的工作原理图。图号说明1-启动电机，2-发动机，3-发动机的电子节气门，4-发动机的转速传感器，5-控制单元ECU，6-轴向柱塞变量泵，7-变量泵的比例阀，8-变量泵的斜盘倾角传感器， 9-电控卸荷阀，10-第一压力传感器，11-单向止回阀，12-蓄能器，13-流量传感器，14-第二压力传感器，15-精滤，16-散热器，17-油箱，18-溢流阀，19-粗滤。
具体实施方式
以下将结合附图对本实用新型的具体实施方式
进行说明。如图1所示，根据本实用新型的机器人液压动力系统，包括控制单元(ECU)5，依次相连的启动电机1、发动机2和变量泵6，所述变量泵的进油口通过粗滤19与油箱17相连， 所述变量泵的出油口处并联有第一压力传感器10，所述变量泵的出油口处串联设有流量传感器13、负载供油端并联设有第二压力传感器14，所述第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器将采集到的信号传输到控制单元ECU，所述控制单元ECU对动力系统的工作状态进行监测，同时对发动机转速和变量泵排量进行闭环控制，实现流量的精确供给。启动电机1与发动机2直接连接，动力系统启动时，由启动电机1带动发动机2旋转。发动机2与变量泵6相连，带动变量泵6转动。在系统启动时，在控制单元(ECU)5的控制下，电控卸荷阀通电卸荷、变量泵排量调节为0。这样发动机可以在无负载的条件下启动，有效地降低发动机启动时的阻力矩。实施例中发动机采用汽油发动机(当然柴油发动机也可以)，变量泵采用柱塞式变量泵(其它变量泵也行，只是采用柱塞式变量泵的好处是运转平稳，流量均勻性好，噪声低，工作压力高，有利于提高系统的功率密度，发动机优选转速不小于7000r/min的，变量泵优选转速不小于6000r/min的，采用高转速的好处是可以降低系统的体积和重量，提高系统的功率密度。该动力系统中发动机2、变量泵6和控制单元5是核心部件，控制单元ECU同时对发动机转速和变量泵排量进行控制，实现流量的精确供给。控制单元5采集发动机的转速传感器4的信号，通过对发动机电子节气门3的控制实现对发动机转速的闭环控制；控制单元5采集变量泵的斜盘倾角传感器8的信号，通过对变量泵比例阀7的控制实现对变量泵排量的闭环控制。为了在发动机启动和怠速时降低变量泵出口压力，提高变量泵的寿命，在变量泵6 的出油口处并联有电控卸荷阀9。机器人启动或者暂时停机时，控制单元5打开电控卸荷阀 9，保证发动机2在空载情况下启动。同时控制单元5驱动启动电机1并且通过对发动机电子节气门3的控制给发动机供油，实现机器人的电启动。当机器人处于暂时停机状态时，可以打开电控卸荷阀9，减小发动机电子节气门的开度降低发动机的转速，使发动机处于低速空载怠速的状态，以节约燃料和延长变量泵寿命。变量泵6的出油口通过单向止回阀11与溢流阀18和蓄能器12并联，溢流阀起安全溢流的作用，保证系统处于最大输出压力以下，蓄能器可以对系统的瞬间流量进行补充， 提高动力系统的动态响应能力。负载的回油通路串联有散热器16和精滤15，实现冷却和清洁的功能，保证油箱循环油在规定和温度和清洁度范围内。如图2所示，本实施例采用CAN总线实现动力系统ECU与机器人其它系统的通信功能。机器人工作时，控制单元通过CAN收发模块实时发布动力系统的工作状态及相关数据，并及时获取机器人的当前步态信息和环境信息以及运动模式，根据机器人当前的步态、 环境和运动模式确定合理的供油模式和油压及流量。同时根据发动机和变量泵的效率特性，使二者能够匹配在效率最高点，达到在保证液压系统有效供油量的前提下节约能源的目的。[0036]本实施例中控制单元ECU由单片机实现，单片机选用的是飞思卡尔公司生产的MC9S12DP256。当然，ECU也可以采用英飞凌公司的SAF-XE164G-72F66L或者 SAF-XE167FM-72FxxL 实现。工作过程中，动力系统通过对发动机转速和变量泵排量的闭环控制实现对机器人液压系统流量的精确控制，通过对流量的控制可以实现恒压源模式和恒流源模式两种输出模式。在恒流源模式下，如图3所示，通过对发动机转速和变量泵排量的闭环控制来实现。首先ECU根据系统的目标流量确定需要的变量泵排量和发动机转速，其中变量泵的排量大小利用改变变量泵斜盘的倾斜角度来实现。ECU根据变量泵倾斜盘的目标倾角和实际倾角的差值确定比例阀的电流大小，对变量泵倾斜盘倾角进行闭环控制，从而实现对变量泵排量大小的精确控制。同时，ECU根据发动机目标转速和实际转速的差值确定发动机节气门开度的大小，对节气门开度进行闭环控制，从而实现发动机转速的精确控制。在恒流源模式中，系统的压力通过溢流阀进行控制，压力过高时，多余流量经过溢流阀溢流。恒流源模式的优点在于系统响应时间短，能够快速地响应机器人伺服运动机构的流量需求变化。适用于机器人当外界环境突然变化而需要快速调节姿态的情况。在恒压源模式下，如图4所示，根据目标压力E⑶对系统流量实施动态调节，通过对流量的调节达到控制系统压力的目的。在具体的调节过程中，首先ECU根据目标压力和实际压力的值，确定增加或减小流量。流量的变化通过对发动机转速和变量泵排量的闭环控制实现，流量的的调节过程与恒流源模式下的调节方法一致。恒压源模式的好处在于，节约能耗，没有溢流损失，广泛的适用于机器人的各种行走和工作状态。本实用新型的液压动力系统具有以下优点优点1 效率高、能够有效的降低机器人的燃油消耗，增加添加一次燃油的续航里程。优点2 智能化控制，适应性强。可以根据机器人的工作状态灵活的调整动力系统的工作模式。优点3 响应快，有利于缩短机器人的响应时间，提高对突发情况的适应性。优点4 高功率密度，体积小、重量轻。需要说明的是，本实用新型适用于任何机器人的动力系统，尤其适用于步行机器人的动力系统。本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。本实用新型不局限于权利要求和上述实施例所述及的内容，只要是根据本实用新型的构思所创作出来的任何实用新型，都应归属于本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.机器人液压动力系统，其特征在于，包括控制单元ECU ，依次相连的启动电机 (1)、发动机⑵和变量泵(6)，所述变量泵的进油口通过粗滤(19)与油箱(17)相连，所述变量泵的出油口处设有第一压力传感器(10)，所述变量泵的出油口处串联设有流量传感器 (13)、在负载的供油端并联设有第二压力传感器(14)，所述第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器将采集到的信号传输到控制单元ECU，所述控制单元ECU对动力系统的工作状态进行监测，同时对发动机转速和变量泵排量进行闭环控制，实现流量的精确供给。
2.根据权利要求1所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述变量泵的出油口通过单向止回阀(11)与蓄能器(12)并联。
3.根据权利要求2所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述变量泵的出油口还通过所述单向止回阀(11)与溢流阀(18)并联。
4.根据权利要求1所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述变量泵的出油口处设有电控卸荷阀(9)。
5.根据权利要求1所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述变量泵为柱塞式变量泵。
6.根据权利要求5所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述控制单元ECU(5)采集变量泵的斜盘倾角传感器(8)的信号，通过对变量泵比例阀(7)的控制实现对变量泵 排量的闭环控制。
7.根据权利要求1所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述控制单元ECU(5)采集发动机的转速传感器的信号，通过对发动机电子节气门( 的控制实现对发动机转速的闭环控制。
8.根据权利要求1所述的机器人液压动力系统，其特征在于，所述控制单元ECU通过 can总线与机器人的其它系统通信。
专利摘要机器人液压动力系统，包括控制单元ECU，依次相连的启动电机、发动机和变量泵，所述变量泵的进油口通过粗滤与油箱相连，所述变量泵的出油口处设有第一压力传感器，所述变量泵的出油口处串联设有流量传感器、在负载的进油端并联有第二压力传感器，所述第一压力传感器、第二压力传感器和流量传感器将采集到的信号传输到控制单元ECU，所述控制单元ECU对动力系统的工作状态进行监测，同时对发动机转速和变量泵排量进行闭环控制，实现流量的精确供给和系统压力的精确控制。进一步地，所述变量泵的出油口处设有电控卸荷阀，所述变量泵的出油口通过单向止回阀与溢流阀和蓄能器并联。本实用新型能够有效利用能量，并能精确控制供油量。
文档编号F15B21/08GK202170902SQ201120262590
公开日2012年3月21日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者刘维平, 刘西侠, 金毅 申请人:中国人民解放军装甲兵工程学院