一种串联式液压伺服被动柔顺关节

1.本发明专利涉及一种串联式液压伺服被动柔顺关节，属于伺服阀的技术领域。


背景技术：

2.随着液压技术的发展，液压机械臂类机器人在工业生产中得到广泛应用，得益于液压传动具有负载大、结构紧凑、传动平稳等突出优点，液压机械臂相比于电机驱动机械臂能够胜任一些需要较大力矩输出的场合，但目前该类机器人的人机物理接触安全性较差，不具有在意外碰撞瞬间对碰撞进行处理的能力，人机物理接触安全性将是该类机器人被广泛应用的必要条件。人机物理接触安全性的研究旨在通过不同的方案策略来保证机器人和人类的安全，因此设计和研究具有柔顺性的液压机械臂类机器人已逐渐成为当下研究的热点。
3.目前能够实现柔顺性的关节较为丰富，大致可分为使用弹性元件的被动柔顺关节、气动主动柔顺关节、磁场力柔顺关节和智能材料柔顺关节等，这些柔顺关节大都以满足控制和安全需求而研究和设计出来，却少有针对液压柔顺关节的研究。为了得到性能更为优良的液压柔顺关节，必须从理论基础的构建开始，进而完善柔顺关节理论框架，对液压关节的柔顺性有所定义和约束。
4.串联式液压缸是一种全新结构的变容式机构，通过将原本独立的两个液压关节串联整合成为体积较小输出力矩较大的液压柔顺关节，可以使液压机械臂类机器人的驱动与控制系统体积减小和重量减轻，使机械臂具有柔顺性，从而实现人机物理接触安全性。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是设计一种串联式液压伺服被动柔顺关节，采取将液压伺服驱动关节与被动柔顺关节串联成为整体的方法，配合力矩传递机构，以提高关节的功率质量比、提高关节的响应速度和使关节具有被动柔顺性。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种串联式液压伺服被动柔顺关节，包括缸体，所述缸体两端封装有左端盖、右端盖，所述右端盖外部连接有力矩传递机构，其特征在于：还包括位于缸体内部且串联在一起的位于左侧的液压伺服驱动关节和位于右侧的被动柔顺关节：
8.所述液压伺服驱动关节包括阀芯a、阀体a、阀套a、叶片a，所述阀芯a安装在所述缸体中，其左端通过轴承安装在所述左端盖中，所述阀套a套装在所述阀芯a外部，所述阀体a左端开有圆柱形空腔，所述阀套a套装在所述阀体a的圆柱形空腔中，所述叶片a安装在所述阀体a外部；
9.所述被动柔顺关节包括阀芯b、阀体b、阀套b、叶片b，所述阀芯b安装在所述缸体中，其右端通从所述右端盖中穿出与所述力矩传递机构相连，所述阀套b套装在所述阀芯b外部，所述阀体b左端开有圆柱形空腔，所述阀套b套装在所述阀体b的圆柱形空腔中，所述叶片b安装在所述阀体b外部；
10.其中，所述阀体a右端与所述阀芯b左端为连接为一体形成阀控体；
11.所述力矩传递机构包括托盘、支撑轮、力矩传递盘、支撑套、定位套，所述托盘中央开有轴孔，所述阀体b右端穿过所述轴孔，所述轴孔上开有键槽与所述阀体b配合，所述定位套同心地套装在所述阀体b右端，所述托盘内侧开有轴承定位槽，所述托盘外圈设有四个与支撑轮配合的托盘卡槽，且与托盘边缘相连两端部分设有托盘边缘斜坡供支撑轮滑动；所述支撑轮包括支撑构件、滚轮和弹簧，其中滚轮安装在支撑构件底部与托盘卡槽配合，弹簧套设在支撑构件顶部滑杆上通过挤压变形使力矩传递机构具有弹性；所述阀芯b右端穿过所述阀体b通过键与力矩传递盘连接，所述力矩传递盘通过螺栓连接在定位套上；所述定位套与支撑套相夹配合，起到定位轴承的作用，其中支撑套通过外螺纹与阀体b右端的内螺纹配合连接；
12.所述阀芯b的回转角度为δθ，其大小为：
[0013][0014]
式(1)中：t为碰撞力折算到支撑轮上的外力；r为力矩传递盘的半径；k为弹簧的刚度；γ为托盘边缘斜坡的斜坡角度。
[0015]
进一步地，所述阀控体自左到右依次包括空心圆柱体、圆柱体凸台、轴肩、输出轴；在靠近圆柱体凸台处的输出轴上设有两个阀体密封槽，输出轴的端面分别开有低压油出口和高压油入口，低压油出口和高压油入口，所述缸体上对应所述低压油出口和高压油入口设置有与它们分别连通的低压油通道和高压径向油孔；所述阀控体中所述阀芯b上自左到右依次设有第一到第五环状凸台，其中第一至第四环状凸台的右侧边开有两个尺寸相同的对称矩形槽，相邻两个凸台上的矩形槽呈垂直分布。
[0016]
进一步地，所述左端盖上下两侧设置有左端盖低压出油口和左端盖高压进油口，且左端盖低压出油口和左端盖高压进油口左端盖圆心连线的夹角为150
°
。
[0017]
进一步地，所述托盘的轮廓分为两种刚度区域和三个刚度转换点，其中刚度区域分为正常工作模式下的高刚度区域即托盘卡槽位置以及碰撞模式下的低刚度区域即托盘边缘斜坡位置，三个刚度转换点分别是在不工作时的支撑轮底部水平位置、达到触发被动柔顺性临界值时卡槽轮廓与斜坡相接的位置以及到达斜坡最高点时支撑轮与托盘边缘斜坡尽头的垂直壁接触时的位置。
[0018]
进一步地，所述缸体内部为圆柱体空腔，分为左腔和右腔，由一个环状凸台分开，左腔容纳液压伺服驱动关节，右腔容纳被动柔顺关节，缸体在两腔对应位置上各开有矩形槽，每个矩形槽两侧各开有一对螺纹孔用于安装固定挡块；
[0019]
所述左腔和右腔上分别设置有缸体第一径向高压油道和缸体第二径向高压油道通入以及缸体第一径向低压油道、缸体第二径向低压油道、缸体第三径向低压油道和缸体第四径向低压油道；
[0020]
当串联式液压伺服被动柔顺关节工作时缸体两腔由阀体b分隔而各自封闭；两腔的工作高压油分别通过缸体第一径向高压油道和缸体第二径向高压油道通入，两腔排出的低压油则通过缸体第一径向低压油道、缸体第二径向低压油道、缸体第三径向低压油道和缸体第四径向低压油道排出。
[0021]
进一步地，所述缸体的左端面上开有一圈环形密封槽，防止缸体左端盖高压油进
油口和左端盖低压油出油口发生泄漏；
[0022]
所述阀体a和阀体b上开有高压环形油槽和低压环形油槽，所述高压环形油槽和低压环形油槽两侧开有环形密封槽，防止油槽中的油液发生泄漏。
[0023]
进一步地，所述叶片a固定在阀体a的外壁上，所述叶片b固定在阀体b的外壁上，所述在叶片a、叶片b与阀体a阀体b的接触面为下弧面，所述下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与叶片的长度相等，条状密封槽嵌有叶片密封条；所述缸体上开有两个矩形槽，所述矩形槽中安装有固定挡块a和固定挡块b，所述固定挡块a内端面为下弧面且与阀体a贴合，所述固定挡块b内端面为下弧面且与阀体b贴合，两个所述固定挡块的下弧面中线位置开有条形密封槽，条形密封槽的长度与固定挡块的长度相等，防止工作腔之间发生泄漏而对工作压力产生影响。
[0024]
本发明的优点是：
[0025]
1、串联式液压伺服被动柔顺关节能够充分发挥液压的弹性特性作用，实现关节小型化，降低有效惯量，且控制与驱动整合在一体，节省了从控制阀到驱动缸体这段路径的流动时间，提高了反应速度；
[0026]
2、相比现有液压转角自伺服驱动技术，本串联式液压伺服被动柔顺关节中阀控体由关节第一级阀体与第二级阀芯为一个整体；让液压伺服驱动关节作为串联式液压伺服被动柔顺关节的第一级阀，充当第二级液压被动柔顺关节的驱动，大大增加了液压关节的液压伺服随动特性；
[0027]
3、本串联式液压伺服被动柔顺关节中第二级的液压被动柔顺关节阀体输出轴连接了力矩传递机构，阀芯则连接了力矩传递机构中位于顶端的力矩传递盘，使得力矩传递盘在回转时能够带动阀芯回转，实现被动柔顺。
[0028]
4、本串联式液压伺服被动柔顺关节的串联式体现在液压伺服驱动关节与被动柔顺关节串联为整体，两个关节均利用了阀芯与阀套配合驱动阀体的伺服原理，因此区别于单个关节，本关节在结构和控制上具有两级伺服特性。
附图说明
[0029]
图1是本发明一种串联式液压伺服被动柔顺关节的结构示意图；
[0030]
图2是图1的a
‑
a剖面示意图；
[0031]
图3是图1中左端盖3的结构示意图；
[0032]
图4是图3的b
‑
b剖面示意图；
[0033]
图5是阀控体8的结构示意图；
[0034]
图6是图5的c
‑
c剖面示意图；
[0035]
图7是图1中阀套b20的结构示意图；
[0036]
图8是图7的d
‑
d剖面示意图；
[0037]
图9是图1中阀芯b18的结构示意图；
[0038]
图10是图9的e
‑
e剖面示意图；
[0039]
图11是图1中缸体4的结构示意图；
[0040]
图12是图11的f
‑
f剖面示意图；
[0041]
图13是图1中阀体b10的结构示意图；
[0042]
图14是图13的g
‑
g剖面示意图；
[0043]
图15是图1中右端盖11的结构示意图；
[0044]
图16是图15的h
‑
h剖面示意图；
[0045]
图17是图1中托盘12的结构示意图；
[0046]
图18是图17的i
‑
i剖面示意图；
[0047]
图19是图1的j
‑
j剖面示意图；
[0048]
图20是图1的k
‑
k结构示意图。
[0049]
其中，1
‑
舵机罩，2
‑
舵机，3
‑
左端盖，4
‑
缸体，5
‑
阀芯a，6
‑
叶片a，7
‑
阀套a，8
‑
阀控体，9
‑
叶片b，10
‑
阀体b，11
‑
右端盖，12
‑
托盘，13
‑
支撑轮，14
‑
弹簧，15
‑
力矩传递盘，16
‑
支撑套，17
‑
定位套，18
‑
阀芯b，19
‑
固定挡块b，20
‑
阀套b，21
‑
阀体a，22
‑
固定挡块a，23
‑
左端盖低压出油口，24
‑
左端盖高压进油口，25
‑
阀体a第一径向低压油道，26
‑
阀体a第一矩形阀口，27
‑
阀体a第二矩形阀口，28
‑
阀体a第二径向低压油道，29
‑
阀体a折线油道，30
‑
阀体a高压环形油槽，31
‑
阀体a低压环形油槽，32
‑
阀体a高压径向油道，33
‑
阀体a圆柱形腔体，34
‑
阀套左t口，35
‑
阀套左a口，36
‑
阀套右a口，37
‑
阀套左p口，38
‑
阀套右p口，39
‑
阀套左b口，40
‑
阀套右b口，41
‑
阀套右t口，42
‑
阀芯第一环状凸台，43
‑
阀芯第二环状凸台，44
‑
阀芯第三环状凸台，45
‑
阀芯第四环状凸台，46
‑
阀芯第五环状凸台，47
‑
缸体第一径向低压油道，48
‑
缸体轴向低压油道，49
‑
缸体第二径向低压油道，50
‑
缸体第三径向低压油道，51
‑
缸体第四径向低压油道，52
‑
缸体第二径向高压油道，53
‑
缸体第一径向高压油道，54
‑
缸体轴向高压油道，55
‑
阀体b第一径向低压油道，56
‑
阀体b第一矩形阀口，57
‑
阀体b第二矩形阀口，58
‑
阀体b第二径向低压油道，59
‑
阀体b圆柱形腔体，60
‑
阀体b折线油道，61
‑
阀体b低压环形油槽，62
‑
阀体b输出轴内螺纹孔，63
‑
阀体b输出轴圆柱体空腔，64
‑
阀体b径向高压油道，65
‑
阀体b高压环形油槽，66
‑
右端盖圆柱形输出轴孔，67
‑
托盘卡槽，68
‑
托盘边缘斜坡，69
‑
托盘圆柱形输出轴孔。
具体实施方式
[0050]
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0051]
如图1
‑
图4所示，一种串联式液压伺服被动柔顺关节，其特征是：包括左半部分液压伺服驱动关节与右半部分被动柔顺关节串联成为整体，配合力矩传递机构组成。其中液压伺服驱动关节由液压伺服摆动缸改进而来，通过缸体4、阀控体8、阀套a7、阀芯a5、叶片a6、固定挡块a22、左端盖3、舵机2等构成；缸体4内部开有圆柱体空腔，阀控体8同中心地安装在缸体圆柱体空腔内且通过轴承支撑；阀控体(8)左半部分为液压伺服驱动关节的阀体a21，右半部分为被动柔顺关节的阀芯b18，阀控体左侧内部开有阀体a圆柱体空腔33，阀套a7同中心地安装在阀体a圆柱体空腔33内；阀套a7的左端面与阀控体8的左端面通过圆柱销固定在一起，阀芯a5左端同中心地安装在缸体4内，且由轴承支撑，阀芯a5右端穿过阀套a7同中心地安装在阀体a圆柱体空腔33内，舵机2通过舵机座固定在左端盖3上，舵机的输出轴与阀芯a5左端的内键槽通过联轴器联接；左端盖3安装在缸体4的左端，通过螺栓与缸体4连接。
[0052]
所述被动柔顺关节同样由液压伺服摆动缸改进而来，包括缸体4、阀体b10、阀套b20、阀控体8、叶片b、固定挡块b19、右端盖11等构成；阀体b20置于缸体圆柱体空腔内且通
过轴承支撑，阀体b20输出轴内开有供阀芯b18伸出的圆柱体空腔63，输出轴顶部开有与支撑套16连接的阀体b输出轴内螺纹孔62，阀体b20输出轴从右端盖圆柱形输出轴孔66穿出；阀体b20圆柱体外壁上方设有叶片b9，叶片b9与缸体4之间为动配合，缸体4上开有矩形槽，固定挡块a22和固定挡块b19插入槽中通过螺栓固定在缸体4上，两个固定挡块分别与两个阀体之间动配合。
[0053]
液压伺服驱动关节与被动柔顺关节组合成统一整体，液压伺服驱动关节起到驱动关节的作用，被动柔顺关节在力矩传递机构的加持下具有被动柔顺性。液压伺服驱动关节的阀体与被动柔顺关节的阀芯为一整体。左端盖3上下设有左端盖低压出油口23和左端盖高压进油口24，左端盖低压出油口23连接低压油出口t，左端盖高压进油口24连接高压油入口p，且进出油口与左端盖圆心连线的夹角为150
°
。托盘12的轮廓分为两种刚度区域和三个刚度转换点，其中刚度区域分为正常工作模式下的高刚度区域即卡槽67位置以及碰撞模式下的低刚度区域即斜坡68位置，三个刚度转换点分别是在不工作时的支撑轮13底部水平位置、达到触发被动柔顺性临界值时卡槽67轮廓与斜坡68相接的位置以及到达斜坡最高点时支撑轮13与垂直壁接触时的位置。
[0054]
如图1、图17
‑
图18所示，所述力矩传递机构包括托盘12、支撑轮13、弹簧14、力矩传递盘15、支撑套16、定位套17等结构；托盘12中央挖有托盘圆柱形输出轴孔69使得阀体b10的输出轴从中穿过，且孔上留有键槽与阀体b输出轴配合，托盘12内侧开有轴承定位槽，托盘外圈设有四个与支撑轮配合的托盘卡槽67，且与托盘12边缘相连两端部分设有托盘边缘斜坡68供支撑轮13滑动；支撑轮13主要包括支撑构件、滚轮和弹簧14等，其中滚轮安装在支撑构件底部与托盘卡槽配合，弹簧套设在支撑构件顶部滑杆上通过挤压变形使力矩传递机构具有弹性。所述支撑轮13上端与力矩传递盘15连接，下端与托盘卡槽67配合；力矩传递盘15为关节传递输出力矩的构件，同时接收外部干扰力矩，力矩传递盘15与阀芯b18通过键连接，另外通过螺栓连接在定位套17上；定位套17与支撑套16相夹配合，起到定位轴承的作用，其中支撑套16通过外螺纹连接与阀体b输出轴内螺纹62配合。力矩传递机构主要为柔顺机构，通过力矩传递盘15与阀芯b18串联，配合支撑轮13回转实现被动柔顺性。
[0055]
如图5、图6、图12、图13、图14所示，缸体4的下部分沿轴向开有缸体轴向高压油道54，沿轴向方向依次设有缸体第一径向高压油道53和缸体第二径向高压油道52。缸体第一径向高压油道53的出口与阀体a高压油环形槽30相通，缸体第二径向高压油道52与阀体b高压油环形槽65相通。所述缸体4的上部分沿轴向开有缸体轴向低压油道48，沿轴向方向依次设有缸体第一径向低压油道47、缸体第二径向低压油道49、缸体第三径向低压油道50和缸体第四径向低压油道51。缸体第一径向低压油道47的入口与阀体a第一径向低压油道25相通，缸体第二径向低压油道49的入口与阀体a低压环形槽31相通，缸体第三径向低压油道50的入口与阀体b第一径向低压油道55相通，缸体第四径向低压油道51的入口与阀体b低压环形油槽61相通。
[0056]
如图5、图6、图9、图10所示，所述阀控体8由阀体a21和阀芯b18组成，自左到右依次由空心圆柱体、圆柱体凸台、轴肩、输出轴。在靠近圆柱体凸台处的输出轴上设有两个阀体密封槽，输出轴的端面分别开有低压油出口和高压油如口，低压油出口和高压油入口与缸体4对应的内部低压油通道和高压径向油孔相通；阀芯b18左端与阀体a2110输出轴连为整体，阀芯b18右端设有与力矩传递盘联接的键槽；阀芯b18自左到右依次设有第一到第五环
状凸台42
‑
46，其中第一至第四环状凸台的右侧边开有两个尺寸相同的对称矩形槽，相邻两个凸台上的矩形槽呈垂直分布。
[0057]
所述叶片a6和叶片b9为条状，叶片a6安装在阀控体的阀体a21上，叶片b9安装在阀体b10上，两叶片的形状一致。叶片的长度为缸体4右侧圆柱形空腔的左端与阀体b10的圆柱体凸台左端之间的距离，叶片的上下弧面差为缸体圆柱形空腔的内径与阀体的空心圆柱体外径差的一半；叶片的下弧面中心处沿轴线方向设有条状密封槽，条状密封槽与叶片的长度相等，条状密封槽嵌有叶片密封条。
[0058]
所述固定挡块a22和固定挡块b19为条状，两固定挡块的形状一致。固定挡块的厚度与缸体4上矩形槽的宽度一致，固定挡块的长度与矩形槽的长度一致，固定挡块的内弧面与缸体4外表面贴合，固定挡块的下弧面与阀体圆柱体外壁贴合。固定挡块的下弧面中线位置开有条形密封槽，条形密封槽的长度与固定挡块的长度相等。
[0059]
所述串联式体现在液压伺服驱动关节与被动柔顺关节串联，两个关节均利用了阀芯与阀套配合驱动阀体的伺服原理，因此区别于单个关节，本关节在结构和控制上具有两级伺服特性。
[0060]
具体工作过程为：当串联式液压伺服被动柔顺关节正常工作时，高压油进口p通过左端盖高压进油口进入缸体轴向高压油道，然后进入阀体a和阀体b的高压环形油槽，再通过阀体内部的高压油道进入阀套p口。当液压伺服驱动关节的阀芯a相对于阀套a旋转时，高压油从阀套a的p口进入阀芯a的环状凸台上的矩形槽，然后进入阀套a的a口，最后通过阀体a的矩形阀口进入液压伺服驱动关节的工作腔，推动叶片a转动，使阀体a随阀芯a运动，此时关节另一侧工作腔的低压油则通过阀体a的另一个矩形阀口进入阀套a的b口，再进入阀芯a其它环状凸台上的矩形槽，然后进入阀套a的t口，最后经由阀体a的低压油道进入缸体的低压油道从左端盖低压出油口流出。
[0061]
在阀体a旋转的同时，带动阀芯b相对于阀套b旋转起来，高压油从阀套b的p口进入阀芯b的环状凸台上的矩形槽，然后进入阀套b的a口，最后通过阀体b的矩形阀口进入液压被动柔顺关节的工作腔，推动叶片b转动，使阀体b随阀芯b运动，此时关节另一侧工作腔的低压油则通过阀体b的另一个矩形阀口进入阀套b的b口，再进入阀芯b其它环状凸台上的矩形槽，然后进入阀套b的t口，最后经由阀体b的低压油道进入缸体的低压油道从左端盖低压出油口流出。
[0062]
当串联式液压伺服被动柔顺关节在正常工作过程中输出端受到碰撞，且传到力矩传递机构上的碰撞力超过安全值时，力矩传递机构从高刚度模式转换为低刚度模式，此时支撑轮与连接托盘分离，由于支撑轮固定在力矩传递盘上，力矩传递盘带动阀芯b回转，阀芯b相对阀体b旋转，阀体b输出轴在自伺服机理的作用下也被动跟随阀芯b运动，因此串联式液压伺服被动柔顺关节向降低碰撞伤害的方向退让，具有被动柔顺性。