将机械能转换为液压能的转换器和采用该转换器的机器人的制作方法

专利名称：将机械能转换为液压能的转换器和采用该转换器的机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于将机械能转换为液压能的转换器以及采用所述转换器的机器 人。本发明可以特别用于制造拟人机器人，其中自主性可被改进。
背景技术：
这样的机器人配备有致动机构，其允许机器人的不同部分被移动。这些机构将 提供机械能的动力源例如电、液压或气动马达等连接至载荷。换言之，致动机构在马达 和载荷之间传递机械动力。
致动机构的一项重要参数是其传动比，其被选择为使得载荷的名义工作点适合 于马达的名义工作点。在一种已知的致动机构中，其中传动比是恒定的，例如由一组齿 轮形成，传动比的选择局限于离散的值，并且改变传动比要求采用复杂的装置例如齿轮 箱，以便改动传动比。现在，在机器人应用中，载荷的工作点通常是高可变性的。如果 减速比是恒定的，则意味着马达必须为载荷最常被使用的条件而设定尺寸。
现在有允许传动比连续可变的装置，但它们都是复杂的并且通常性能较差。例 如，带式减速器是已知的，其传动比基于马达的速度而借助于惯性质量而发生变化。
上面描述的致动装置庞大、重且复杂，这对于机器人应用是不利的。
另外，在上面描述的马达中，电马达仅在高速和低力矩时适用良好。在机器人 应用中，相反的状况是常见的低速和高力矩。在低速下使用电马达需要有高减速比， 但这实现起来较为复杂。
已知在机器人应用中，中央液压动力单元被使用，其连接着不同的关节，这些 关节由传输压力流体的管线驱动。当机器人包括大量的致动器，管线网络变得复杂。另 外，液压动力单元必须向所有关节提供关节在接受最高程度的指令时所需的最大压力。发明内容
本发明旨在克服上面描述的问题中的全部或一些，即提供一种致动机构，其将 由马达供应的机械能转换为被载荷例如缸形式的载荷使用的液压能，以允许机器人的可 移动部分被移动。可以理解，本发明并不局限于机器人领域。本发明适用于致动机构需 要被最优化的任何领域。更确切地讲，本发明提供了用于将机械能转换为液压能的转换 器，其可被分散化处理，换言之，与单一载荷相关。转换器则只供应载荷所需的液压动 力。
为此，本发明的对象是用于将机械能转换为液压能的转换器，其包括在机 械能作用下绕第一轴线相对于壳体旋转的轴，包括绕第二轴线形成的穿孔的套毂，在穿 孔中旋转的轴，这两条轴线相平行并且轴线之间的距离构成偏心距，至少两个活塞，每 个活塞能够在轴的径向容置部中运动，容置部引导活塞，活塞被承载于穿孔，其特征在 于，活塞的运动将液压流体进给到壳体的两个环形凹槽中，所述凹槽沿着围绕第一轴线 的圆弧布置，液压能由这两个凹槽之间存在的流体压力差产生，并且，套毂能够沿着垂直于前两条轴线的第三轴线平移，以便在两个极限值之间改变偏心距的值，这两个极限 值中的一个为正的、另一个为负的，从而产生凹槽中流体压力的颠倒，同时维持轴的相 同旋转方向。
所述凹槽中的一个形成转换器的进口，另一个形成转换器的排口。凹槽之间 流体压力颠倒具有在进口和排口之间切换凹槽的角色的作用，同时维持轴的相同旋转方 向。
本发明的对象还有机器人，其包括多个借助液压能移动的彼此独立的关节，其 特征在于，机器人还包括与独立的关节数量相同的根据本发明的转换器，每个转换器与 一个关节相关联。


通过阅读仅以示例的方式给出的一些备选实施方式的详细描述，本发明可被更 好地理解，并且其它优点将被清楚地展现出来，该描述是借助于附图给出的，在附图 中
图1示出了根据本发明的一个实施方式的转换器的剖视图2示出了实现为图1中的转换器泵送液压流体所需的各个元件；
图3示出了示于图2的各个元件的一种替代性实施方式；
图4示出了转换器的流体进口和排口孔口 ；
图5示出了用于改变转换器的偏心距的装置；
图6示出了转换器的阀的液压图7a和7b示出了用于改变偏心距的装置的两个位置；
图8示出了转换器的第一替代性实施方式的分配器的液压图9和10示出了图8中的分配器的一个实施方式；这两个图是沿着彼此垂直的 平面所作的剖视图Ila至Ilg示出了第一实施方式的分配器的可移动部分的不同位置；
图1 和1 示出了转换器的第二替代性实施方式的两个分配器的液压图13和14示出了图1 和12b中的分配器的一个实施方式；
图15a至1 示出了第二替代性实施方式的第一分配器的可移动部分的不同位 置；
图1 和1 示出了的第二替代性实施方式的第二分配器的可移动部分不同位置。
为了更清楚，在不同的图中以相同的附图标记表示相同的元件。
具体实施方式
示于图1的转换器接收机械能，该机械能是由马达11例如DC电马达驱动的轴 10的旋转运动的形式。马达11以恒定的旋转速度旋转，从而使得能够最优化其操作。 轴10通过联轴器12连接着马达11。还可以通过将马达11的定子绕组直接形成在轴10 上而取消联轴器12。轴10绕轴线13相对于壳体14旋转，所述壳体通过两个罩盖15和 16在轴10的端部进行封闭。在每个罩盖15和16中，滚动轴承17和18分别用于实现引导，限制轴10与由壳体14和罩盖15和16形成的组件之间的摩擦，和对转换器进行密封。
图2示出了转换器中的元件，它们用于实现泵送液压流体。为此，转换器包括 套毂20，所述套毂包括绕第二轴线22形成的穿孔21。轴10在穿孔21中旋转。两条轴 线13和22相互平行，并且轴线13和22之间的距离构成偏心距E。
转换器包括至少两个活塞，每个活塞能够在轴的径向容置部中移动。可以在其 活塞是平行六面体叶片的转换器上实施本发明。在所示的实施例中，容置部由缸和三个 活塞23、24和25形成，每个活塞分别在缸沈、27和28中移动。每个活塞的一端支靠 于穿孔21中。轴10包括平行于轴线13延伸的至少两个通道。两个通道四和30可见 于图2。缸沈敞开于通道四中，而缸27和观敞开于通道30中。每个通道中活塞的数 量可以增加，直至它们占据轴10的位于穿孔21内的整个容积。
各活塞绕轴线13有利地以五点排列模式(quincunx pattern)分布。换言之，在两个相邻通道之间，敞开于第一通道的缸沿着轴线13的纵向位置夹在第二通道的两个相邻 缸的纵向位置之间。这种配置使得能够最大化对于穿孔21的活塞数量。这种配置改进 了当轴10旋转时轴10的动平衡和其活塞的动平衡。这种配置还能降低轴10上的径向力 的振动，该径向力是轴10的旋转角度的函数。
活塞23、M和25的运动导致将液压流体进给到通道四和30中。更确切地讲， 在示于图2的轴10和套毂20的相对位置，活塞M和25的位置称作上止点，活塞23的 位置称作下止点。当轴10绕其轴线13旋转时，活塞23至25在它们的两个止点之间在 它们各自的缸中移动。这种运动将存在的流体进给到缸沈、27和28与通道四和30连 通的部分中。每个通道四和30在其端部之一通过帽31被封闭，如可见于图1，并且在 其另一端与进口和排口孔口连通，所述孔口将在后面描述。
图3示出了示于图2的各个元件的一种替代性实施方式，该实施方式中活塞23、 M和25被替换为球体32至35。球体的直径与相应缸的内径相匹配。在下面的描述中， 术语活塞将被用于无区别地指示于图2的圆柱形活塞或示于图3的球体。使用球体不能 实现缸中同样良好的流体密封，因为球体和缸之间的接触表面减小了。转换器的性能也 会因此而降低。虽然有这个缺点，但采用球体的替代性实施方式的制造成本低得多。
套毂20有利地形成滚动轴承36例如滚针轴承的内圈。套毂20可以因此而与轴 10—起旋转，并且减小活塞在穿孔21上的摩擦。
图4以沿着垂直于图1至3的平面所作的剖视图示出了转换器的流体进口和排 口孔口。更确切地讲，轴10包括十个纵向通道，其中包括通道四和30。壳体14包括 围绕轴线13的圆弧形状的两个环形凹槽40和41，并且每个凹槽与轴10的通道交替地连 通。例如，凹槽40允许流体流至与其面对的通道，类似地，凹槽41将流体排放至与其 面对的通道。每个凹槽40和41分别与连接窝42和43连通，所述连接窝使得能够直接 或通过将在后面描述的分配器供应与转换器相关的载荷。对于给定的偏心距E，转换器 以具有恒定输出的容积泵的方式操作，假定轴10的旋转速度是恒定的。由转换器产生的 液压能是由这两个凹槽40和41之间存在的流体压力差引起的。两个密封件44和45，如 可见于图1并且可以是例如唇式密封件，可以沿着轴10安置在凹槽40和41的每侧，以 便密封这两个凹槽40和41。
套毂20可以沿着垂直于轴线13和22的轴线46平移移动，以便在两个极限值之 间改变偏心距E的值，这两个极限值中的一个为正的、另一个为负的。为了平移移动套 毂20，滚动轴承36的外圈47与托架48形成一体，所述托架能够沿着轴线46移动以便 改变偏心距E的值。假定轴10的旋转速度是恒定的，则当偏心距E为零时，换言之当轴 线13和22重合时，活塞在它们各自的缸中静止，并且转换器不传输任何流体输出。当 偏心距E的值在第一方向上沿着轴线46增大时，转换器的输出增大。另一方面，当偏心 距E的值沿着与第一方向相反的第二方向增大时，转换器的输出变为负值。换言之，凹 槽40从进口切换成排口，对于凹槽41也是这样切换。在正值和负值之间改变偏心距E 使得能够颠倒转换器的进口和排口角色，而不必为此颠倒马达11的旋转方向。调节偏心 距E使得能够使用其控制非常简单的马达，以便旋转轴10。该马达可以以几乎恒定的速 度旋转，而不需任何精确速度控制，这简化了所述马达的控制。利用这种类型的马达， 仅仅通过改变偏心距E来调节转换器输出。通过改变偏心距E实现的进口/排口的颠倒 比通过颠倒马达旋转方向要快得多，这是因为托架48同传统马达和泵组件相比惯性质量 低得多。
当然，如有必要，也可以调节转换器的偏心距E并且还在其操作范围内调节马 达的速度。
图5是转换器的沿着平行于图1所在平面的平面所作的剖视图。为了沿着轴线 46平移移动托架48，转换器包括与壳体14形成一体的两个活塞50和51。活塞50和51 沿着轴线46引导和移动托架14。在活塞50和51与托架48之间，室52和53各自形成 在托架48的每侧。这两个室52和53之间的流体压力差值允许托架48被移动，以便改 变转换器的偏心距E。
为此，转换器包括阀55，用于利用液压流体的压力差控制托架48的运动。
阀55的一种液压图示于图6。阀55形成液压分配器，其被供应用于移动托架48 的流体。在图6中，该流体的高压力标记为P，低压力标记为T。分配器可占据三个位 置。在中心位置55a，这两个室52和53均不被供应流体。在位置55c，示于图6的右 侧，室53接收低压力T，室52接收高压力P。在位置55b，示于图6的左侧，室52接 收低压力T，室53接收高压力P。
阀55被有利地形成在托架48中。从阀55向室52和53进行供应的所有通道因 此而形成在托架48中，这就不会占用壳体14中的空间。转换器因此而更紧凑。
阀55包括形成在滑动件48中的穿孔56。穿孔沿着平行于轴线46的轴线57制 成。穿孔56的直径是恒定的。阀55包括杆58，其可以在穿孔56内滑动。杆58的外 表面是由沿着轴线57延伸的分别具有小直径d和大直径D的交错圆柱形形状形成的。一 系列五个圆柱形形状沿着轴线57分布。这些形状依次具有直径D、d、D、d和D。直 径D与穿孔56的内径相匹配。两个连通室59和60形成在穿孔56之间并且具有直径d 的形状。五个通道61至65形成在穿孔56中，以使得流体与室59和60相通。通道61 和65连接着低压流体T。通道62连接着室52。通道63连接着高压流体P，通道64连 接着室53。
图7a和7b示出了杆58在穿孔56内的两个位置。两个室52和53分别总是与 连通室59和60相通，并且杆58的运动使得能够将每个连通室59和60要么与存在于通7道63中的高压流体P连接、要么与存在于通道61和65中的低压流体T连接。
在图7a中，显示在55a的位置称作平衡位置，因为高压流体和低压流体都不与 室52和53连通。在这个位置，偏心距E保持恒定。更确切地讲，三个具有直径D的 圆柱形形状的堵塞了低压通道61和65和高压通道63。室52和53分别只与连通室59和 60相通，而既不通向高压流体也不通向低压流体。
在图7b中，杆58被移动至图中的左侧。这是位置55b。具有直径D的中央圆 柱形形状打开了通向通道63的入口，并且高压流体P与连通室60连通。类似地，具有 直径D的左侧圆柱形形状打开了通向通道61的入口。低压流体T与连通室59和室52连 通。托架48移至左侧。通过杆58向右侧移动以便到达位置55c，可实现托架48沿相反 方向的运动。
杆58的运动是例如利用绕组70实现的，该绕组被供应控制电流。基于控制电 流，与杆58形成一体的芯71在绕组70中移动。
与在托架48中形成阀55相关的另一优点是在控制方面，即产生托架48的偏心 距E的自动控制。
更确切地讲，使得杆58相对于壳体14移动经过期望的偏心距E的值可将特定的 通道61、63或65与相应连通室59和60连通。当托架48到达期望的偏心距E时，杆58 相对于托架48的相对位置引起杆58占据示于图7a的位置55a，而不需要任何新的控制作 用于绕组70。
转换器包括允许其偏心距E被确定出来的传感器72。为此，传感器72测量杆 58相对于壳体14的位置。当杆58处在示于图7a的其平衡位置时，由传感器72获得的 测量结果是托架48的位置。当杆58处在其一个极限位置时，如示于图7b，由传感器 72获得的测量结果是托架48的位置加上杆58相对于托架48的运动。杆58相对于托架 48的运动是相对迅速的。事实上，在控制作用于绕组70后，阀55快速占据其中心位置 55a。作为一级近似，可以因此认为传感器72测量出的是转换器的偏心距E。该偏心距 E与转换器的输出成正比，并且因此而与由转换器传输的流体所移动的载荷的运动速度成 正比。
另外，得知载荷的加速度变化，这被称作“急动”，在转换器被应用于制造拟 人机器人以便模拟人体作业时非常重要。事实上，已观测到人类趋向于在他们的运动中 最小化任何急动。得知载荷加速度，就能在转换器的控制策略中控制急动并因此而模仿 人类行为。
转换器有利地包括从阀55的控制来确定转换器的输出加速度的装置。更确切地 讲，杆58的位置的变化与施加于绕组70的控制信号成正比。控制信号因此而与载荷的 加速度成正比。通过随时间改变控制信号，转换器的输出加速度或急动因此而被获得。
例如，LVDT (线性可变差动变压器)型传感器可被使用。
用于移动托架48的流体可以来自转换器之外的源。通过利用外部源，其中高压 力P和低压力T具有恒定的压力，这一方案使得能够简化向阀55的供应。尽管如此，这 一方案的缺点是要求额外的管线来向阀阳供应流体。为了解决这一问题，凹槽40和41 中的常态压力被用于移动托架48。这改进了转换器相对于其周围环境的独立性。
为此，转换器包括分配器75，用于将阀55的高压进口 P与流体压力最大的那个凹槽40或41连通，以及将阀55的低压进口 T与流体压力最小的那个凹槽40或41连通。
为了有助于理解分配器75的操作，可以利用分配器75的液压功能元件实现电模 拟。在这种模拟中，由凹槽40和41传输的压力被比作交流电压，因为偏心距E既可以 是正的，也可以是负的。分配器75则类似于整压器(voltagerectifier)起作用，以允许阀 55在整压器的正和负电终端之间被供应。
图8示出了由存在于凹槽40的流体和由存在于凹槽41的流体供应的分配器75 的液压图。分配器75可占据三个位置。在中心位置75a，偏心距E为零，并且凹槽40 中的流体压力等于凹槽41中的流体压力。在这个位置，分配器75将凹槽40连接至阀55 的进口 P，和将凹槽41连接着至阀55的进口 T。由转换器供应的载荷76被显示为双作 用缸的形式，其包括两个室77和78。在中心位置75a，载荷76的室都不被供应。当偏 心距E被改变以使得凹槽41中的压力大于凹槽40中的压力时，分配器75移动到标记在 75b的第二位置，其中凹槽40连接着阀55的低压进口 T，而凹槽41连接着其高压进口 P。这两个凹槽40和41之间的压力差是通过转换器的泵送装置79产生的，该泵送装置 通常包括前面所述的活塞23至25。此外，在位置75b，载荷76的室77连接着凹槽41， 而室78连接着标记为R的流体的贮存器80。另一方面，当偏心距E被改变以使得凹槽 40中的压力大于凹槽41中的压力时，分配器75移动到标记在7 的第三位置，其中凹槽 41连接着阀55的低压进口 T，而凹槽40连接着其高压进口 P。此外，在位置75c，载荷 76的室78连接着凹槽40，而室77连接着在图8中标记为R的流体的贮存器80。分配 器75不使用任何外部能量源来实现其运动。事实上，是利用存在于凹槽40和41中的流 体压力来允许分配器从一个位置移动至另一位置。
转换器有利地包括在室52和53之间的流体压力被平衡时使得转换器的偏心距E 非零的装置。这些装置包括，例如，弹簧，其安置在一个室52或53中，并且趋向于在托 架48和相关活塞50或51之间施加力。当转换器被启动时，该弹簧起作用。事实上， 中心位置75a是获得零偏心距E时的平衡位置。超过这个位置后，在没有上面描述的装 置时，杆58的运动不会引起托架48的运动。通过使得托架48的平衡位置偏移，可以在 启动阶段避免这一危险。
在使用液压流体的机构中，一般的尝试是使得泄露尽可能最小化，从而防止流 体从机构逃逸，并且改进其性能。在本发明中，转换器的不同液压功能元件例如泵送装 置79、阀55和分配器75等出现的泄露是可被接收的。通过接收转换器内出现的泄漏， 载荷76上可能出现的任何冲击，或更一般地讲，不可预见的力，可被缓冲。这种缓冲使 得能够在转换器被采用在拟人机器人中的情况下模仿人类行为。为此，可以提供某种措 施来使得转换器内部的泄露被调节到令人满意。
转换器有利地包括用于回收任何可能发生的内部流体泄露的装置，泄露通常是 在泵送过程中。这些泄露被收集在内部液压空间82内，在图8中标记为PE。内部液压 空间82位于壳体14内，通常在托架48的每侧。
为此，分配器75包括下述装置当分配器离开其中心位置75a时，只要为载荷 76进行供应的通道保持被分配器75封闭，该装置就会将压力最小的凹槽，这里为凹槽 41，连接到收集转换器的内部泄露的内部液压空间82。
继续进行前面介绍的电模拟，代表分配器的整压器可被表示为二极管电桥，其中各阈值电压是不同的朝向负电压增大的阈值电压代表降低的压力，朝向正电压减小 的阈值电压代表过度压力。只要交变的电压小于阈值电压，泄露就被回收。在图8中的 液压图中，用于回收泄露的装置不能被看到，因为内部液压空间82仅在中心位置75a连 接着所述凹槽中的一个。
图9和10示出了分配器的一个实施方式，其既能够对阀55进行供应，又能够回 收泄露。分配器75包括可移动部分，称作节流阀85，其可以在壳体14内绕轴线13自 由旋转。节流阀85具有平坦盘的形状。节流阀85被引导着在壳体14的环形空腔86和 节流阀85的互补环形形状之间旋转。环形空腔86由壳体14的两个垂直于轴线13的表 面87和88限定。表面88属于罩盖16。凹槽40与表面87上的孔口 90a、90b、90c和 90d连通，凹槽41与表面87的孔口 91a、91b、91c和91d连通。形成阀55的低压进口 T的通道61和65与表面88的孔口 92连通，而形成阀55的高压进口 P的通道63与表面 88的孔口 93连通。流体贮存器80与表面88的孔口 94连通。设置在表面88上的两个 孔口 95和96构成转换器的出口，其允许载荷76被供应。此外，为了回收泄露，表面87 包括孔口 97，其可见于图Ila至llg，与内部液压空间82连通。
壳体14包括抵接部100，其限制节流阀85的旋转。节流阀85包括环形凹槽 101，其端部102和103可抵靠于抵接部100。哪一个端部102或103抵靠于抵接部100 取决于流存在于凹槽40和41之间的体压力差。举例而言，围绕中心位置75a，节流阀 85可以覆盖绕轴线13+或-22.5°的角度区域。
节流阀85包括与从凹槽40和41排出的流体连通的多个环形沉孔。在节流阀85 的大直径上，沉孔105总是面对着孔口 90d布置。在节流阀85的大直径上，沉孔106总 是面对着孔口 91d布置。在节流阀85的小直径上，两个沉孔107和108总是面对着孔口 90b和90c布置。在节流阀85的小直径上，两个沉孔109和110总是面对着孔口 91b和 91c布置。“总是...布置”被理解为是指在节流阀85绕轴线13的旋转运动的所有位置 上相关的沉孔和孔口彼此面对。换言之，沉孔105、107和108包含处在凹槽40中的压 力的流体，沉孔106、109和110包含处在凹槽41中的压力的流体。
在图9中，节流阀85被显示于中心位置75a。在其绕轴线13的旋转中，节流阀 85允许或截断流体在表面87中的孔口和表面88中的孔口之间的通过。节流阀85可占据 的不同位置，以及孔口之间的连通，被显示于图Ila至llg。
图Ila示出了节流阀85处在中心位置75a。在这个位置，允许载荷76被供应的 孔口 95和96分别被节流阀85的一方面安置在沉孔107和108之间、另一方面安置在沉 孔109和110之间的实心部113和114关闭。孔口 92和93分别部分地与沉孔108和109 连通，以使得阀阳被供应。连接着贮存器80的孔口 94与沉孔106连通，而允许泄露被 回收的孔口 97被完全关闭。端部102相对于抵接部100处在22.5°的角位置。
图lib示出了节流阀85处在这样的位置，其中，凹槽41中的流体压力略高于存 在于凹槽40中的流体压力。与图Ila —样，允许载荷76被供应的孔口 95和96被节流 阀85的实心部113和114关闭。孔口 92分别和93部分地与沉孔108和109连通，以使 得阀阳被供应。连接着贮存器80的孔口 94与沉孔106连通。允许泄露被回收的孔口 97通过横穿沉孔105底部的孔口 120部分地与沉孔105连通。结果，包含在液压空间82 内部的流体与处在降低了的压力下的凹槽40连通。内部液压空间82的容纳物通过转换器泵送而被抽入贮存器80。节流阀85示于图lib的位置为位置75a和75c-b之间的中间 位置。端部102处在相对于抵接部100的沈.32°角位置。
图Ilc示出了节流阀85处在这样的位置，其中，其被从图Ila中的位置朝向位 置75b移动，以使得孔口 97和120完全彼此面对，并且对泄露的回收处在其最大能力。 节流阀85示于图Ilc的位置为图lib中的位置和位置75b之间的中间位置。端部102处 在相对于抵接部100的四.32°角位置。
图Ild示出了节流阀85处在这样的位置，其中，其在图lib中的位置和位置75b 之间被移动，以使得孔口 97和120不再彼此面对。泄露不再被吸取。在这个位置，允 许载荷76被供应的孔口 95和96仍被节流阀85的实心部113和114关闭。只要转换器 不向载荷76进行供应，就试图吸取泄露。端部102处在相对于抵接部100的33.32°角位置。
图lie示出了节流阀85大致位于位置75b。在这个位置，允许载荷76被供应的 孔口 95和96分别进入到与沉孔107和110连通，而且孔口 94进入到与沉孔105连通， 从而在由转换器传输的最高压力和贮存器80之间向载荷进行供应。端部102处在相对于 抵接部100的37.32°角位置。
在位置75b，未示出，端部103进入到与抵接部100接触，并且允许载荷76被供 应的孔口 95和96分别完全与沉孔107和110连通。孔口 94也完全与沉孔105连通。
图Ilf示出了节流阀85处在示于图Ila的中心位置75a和位置7 之间的中间 位置。在这个位置，允许载荷76被供应的孔口 95和96分别进入到与沉孔108和109连 通，并且孔口 94保持与沉孔106连通，从而由转换器传输的高压力和贮存器80之间向载 荷76进行供应。端部102处在相对于抵接部100的20.5°角位置。在这个位置，孔口 92和93没有被完全关闭，从而允许阀55被供应。
在示于图Ilg的位置75c，端部102进入到与抵接部100接触，并且允许载荷76 被供应的孔口 95和96分别完全与沉孔108和109连通。孔口 94也完全与沉孔106连 通。对阀55进行供应的孔口 92和93分别与沉孔110和107连通。
转换器有利地包括用于在压力贮存器119中存储液压能的装置。存储可以发生 在载荷76必须保持静止时。在作为拟人机器人的应用中，利用载荷例如缸来移动例如 踝，要随从于这样的操作周期，其中停顿时段与工作时段交替进行。可以模拟机器人的 行走，并因此而预先限定踝的工作时段和停顿时段之间的周期比。液压能的存储在停顿 时段发生，并且可以基于缸的工作时段和停顿时段之间的周期比来设置加压贮存器119 的尺寸。
加压贮存器119有利地由机器人的多个转换器共享。工作时段不相重合的转换 器可被选择，例如，彼此周期相反的转换器。例如，可以是这样的情况，即机器人的两 个踝。因此，当一个转换器在贮存器119中储存能量时，与同一贮存器119相关联的另 一转换器使用该能量。共用的贮存器119的尺寸可以因此而可以减小。
一种可实现用于存储液压能的装置的例子的替代性实施方式借助于图1 和12b 中的液压图示出，图13和14示出了具体实施方式
，图15a至15g示出了第一分配器120 的节流阀的不同位置，图1 和16b示出了第二分配器121的节流阀的不同位置。
分配器120，类似于分配器75，是由凹槽40和41供应的，并且向载荷76的室1177和78进行供应，以及通过其高压进口 P和低压进口 T向阀55进行供应。分配器120 可占据三个位置120a、120b和120c。位置120a与位置75a相同。
在位置120b，凹槽41中的压力大于凹槽40中的压力。与位置75b—样，阀55 的高压进口 P和低压进口 T分别由凹槽41和40供应。类似地，与位置75b—样，室77 由凹槽41供应。然而，不同于分配器75，在位置120b，室78连接着贮存器80，而不需 要与泵送装置79之间有任何联系，并且凹槽40将流体抽入加压贮存器119。单向阀122 确保加压贮存器119的压力永不低于贮存器80的压力，贮存器的压力例如维持在大气压 力。
在位置120c，凹槽40的压力大于凹槽41的压力。与位置7 —样，阀55的高 压进口 P和低压进口 T分别由凹槽40和41供应。另一方面，载荷76和贮存器80和119 不直接连接至分配器120，而是通过分配器121连接至分配器，其液压图示于图12b。
分配器121可占据两个位置，即121a，称作停止位置，和121b，称作启用位 置。分配器121由外部致动器122例如电致动器控制。在在致动器122没有任何控制的 情况下，分配器121利用弹簧123返回其停止位置。
在位置121a，载荷76的两个室77和78被隔离，而泵送装置79将流体抽入贮存 器80，以便增加加压贮存器119的压力。
当希望沿着由箭头IM表示的方向移动载荷时，致动器122被启动。当致动器 122被启动后，分配器121占据位置121b，室77连接到贮存器80，而泵送装置79从加压 贮存器119抽吸流体以便对室78进行供应。这两个室77和78之间的压力差因此而等于 这两个贮存器80和119之间的压力差和通过泵送装置79获得的压力差之和。因此，当 载荷76处在停止状态时，通过增加加压贮存器119的压力，能量可以被储存。当载荷76 在位置120b或在位置120c被移动时所储存的能量被回收利用，这两个位置都与位置121b 相关。当所有储存的能量已被耗用后，贮存器119的压力变得等于贮存器80的压力，并 且转换器的操作回复到采用分配器75的替代性实施方式的操作。
为了形成存储装置，分配器120包括节流阀130，其可在壳体14内绕轴线13自 由旋转。节流阀130，类似于节流阀85，被引导着在壳体14的环形空腔131中旋转。环 形空腔131由壳体14的垂直于轴线13的两个表面132和133限定。节流阀130被以不 同位置示于图15a至15g中。
类似于分配器75，分配器120允许阀55的高压进口 P被带到与流体压力最大的 那个凹槽40或41连通，而阀55的低压进口 T被带到与流体压力最小的那个凹槽40或41 连通。为此，分配器包括孔口 135和136，对于孔口 135，其连接着通道63，以形成阀 阳的高压进口 P，而对于孔口 136，其连接着通道61和65，以形成阀55的低压进口 T。 作为节流阀130旋转的结果，孔口 135和136要么与通过孔口 90a连接着凹槽40的沉孔 137和138连通，要么与通过孔口 91a连接着凹槽41的沉孔139和140连通。
分配器120还使得能够在分配器121处在其位置121b时将载荷76的室77和78 带到通过分配器121与凹槽40和41连通。为了简化分配器120的描述，下面假定分配 器121位于其位置121b，换言之，没有存储任何能量。
分配器120包括孔口 141，其要么与沉孔138连通以使得孔口 141与凹槽40连 通(参看图15g)，要么与沉孔145连通以使得孔口 141通过壳体14的孔口 146与贮存器80连通(参看图15e)。分配器120还包括孔口 142，其要么与沉孔140连通以使得孔口 142与凹槽41连通(参看图15e)，要么与沉孔143连通以使得孔口 142通过壳体14的孔 口 144与贮存器80连通(参看图15g)。
通过使得壳体14的孔口 150达到要么与节流阀130的连接着凹槽40的沉孔151 连通(参看图15e)，要么与节流阀130的连接着凹槽41的沉孔152连通(参看图15g)， 可实现从加压贮存器119泵送流体。
类似于分配器75，分配器120允许内部液压空间82包含的泄露通过抽吸到贮存 器80中而被回收。回收是在图15a中所示的中心位置和图1 中所示的极限位置之间进 行的。在示于图15b、1 和15d的节流阀130的各个位置上揭示了回收。在这些位置， 载荷76被隔离，并且孔口 141和142既没有通过沉孔138和140与凹槽40和41连通， 也没有通过沉孔143或145与贮存器80连通。
示于图15b、15c和15d的节流阀130的位置对应于图12a中的中心位置120a。 泵送装置79抽出包含在内部液压空间82中的流体以将其传输到贮存器80中。内部液压 空间82连接着凹槽40，凹槽40中的压力低于凹槽41中的压力。通过使壳体14的一个 表面上的连接着内部液压空间82的孔口 157与节流阀130的连接着凹槽40的沉孔158连 通，这一关系被实现。此外，贮存器80连接着凹槽41。通过使壳体14的一个表面上 的连接着凹槽41的孔口 159与节流阀130的沉孔160连通，这一关系被实现。图15b表 示在节流阀130旋转移动离开中心位置120a时开始回收泄露。图1 表示最大泄露抽吸 能力。在图1 中，孔口 157完全与沉孔158相对，孔口 159完全与沉孔160相对。图 15d示出了在载荷76被供应之前泄露抽吸的结束。
分配器121可以利用在壳体14的环形空腔171内绕轴线13旋转的节流阀170形 成。图1 和16b示出了节流阀170的两个位置，分别对应于图12b中的液压图中限定 的位置121a和121b。节流阀170包括多个细长槽，其允许设置在封闭环形空腔171的垂 直于轴线13的相对表面上的孔口被带到彼此连通。安置在壳体14和节流阀170之间的 弹簧123趋向于将节流阀170返回其在图1 中的位置。
在位置121a(图16a)。细长槽175将贮存器80与分配器120的出口 Sl连通。 在位置121b (图16b)，节流阀170的实心部176阻止这种连通。
在位置121a，细长槽177将载荷76的室77与分配器120的出口 S2连通。在位 置121b，节流阀170的实心部178阻止这种连通。
在位置121a，细长槽179将载荷76的室78与分配器120的出口 S3连通。在位 置121b，节流阀170的实心部180阻止这种连通。
在位置121a，细长槽181将加压贮存器119与分配器120的出口 S4连通。在位 置121b，节流阀170的实心部182阻止这种连通。
在位置121b，细长槽183将加压贮存器119与分配器120的出S3连通。在位 置121a，节流阀170的实心部184阻止这种连通。
在位置121b，细长槽185将贮存器80与分配器120的出S4连通。在位置121a， 节流阀170的实心部186阻止这种连通。
只在分配器120的位置120c，分配器121被致动器122控制。可以利用压力P 和T使得节流阀170绕轴线13转动并且克服弹簧123的力。为此，分配器121包括形成在壳体14中的室190，以允许流体进入该室以推动节流阀170的指杆191。分配器121 还包括阀，其可以布置在壳体14的空间192内。该阀允许流体进入室190。
权利要求
1.一种用于将机械能转换为液压能的转换器，包括轴(10)，其在机械能作用下绕 第一轴线(13)相对于壳体(14)旋转；套毂00)，其包括绕第二轴线02)形成的穿孔 (21),所述轴(10)在所述穿孔中旋转，这两条轴线(13，22)相互平行，并且轴线 之间的距离构成偏心距(E)；至少两个活塞03，24，25)，每个活塞能够在轴(10)的 径向容置部06，27，28)中移动，所述容置部引导活塞03，24，25)，所述活塞06， 27，28)被承载于所述穿孔中，其特征在于，活塞06，27，28，32，33，34，35) 的运动将液压流体进给到壳体(14)的两个环形凹槽00，41)中，这两个凹槽00，41) 沿着围绕第一轴线(1 的圆弧布置，液压能由这两个凹槽G0，41)之间存在的流体压力 差产生， 并且，套毂OO)能够沿着垂直于前两条轴线(13，22)的第三轴线06)平移， 以便在两个极限值之间改变偏心距(E)的值，这两个极限值中的一个为正的、另一个为 负的，从而实现凹槽G0，41)中流体压力的颠倒，同时维持轴(10)的相同旋转方向。
2.如权利要求1所述的能量转换器，其特征在于，所述活塞采用球体(32至35)的形 式，球体的直径与相应缸的内径相匹配。
3.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，包括绕第一轴线(13)以五 点排列模式分布的多个活塞(26，27，28，32，33，34，35)。
4.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，套毂OO)形成滚动轴承 (36)的内圈，该滚动轴承(36)的外圈07)与托架08)形成一体，所述托架能够沿着第 三轴线G6)移动以便改变偏心距(E)的值。
5.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，包括阀(5 ，其利用存在 于所述两个凹槽G0，41)之间的流体压力差控制托架G8)的运动。
6.如权利要求5所述的能量转换器，其特征在于，包括两个室(52，53)，每个室各 自位于托架G8)的相应一侧，每个所述室(52，53)包含流体，两个室(52，53)之间的 流体压力差值允许托架G8)被移动以便改变转换器的偏心距(E)，并且，转换器包括在 所述室(52，53)之间的流体压力平衡时使得转换器的偏心距(E)非零的装置。
7.如权利要求5或6所述的能量转换器，其特征在于，所述阀(5 形成在所述托架 (48)中。
8.如权利要求5至7中任一项所述的能量转换器，其特征在于，转换器包括用于从对 阀(5 的控制来确定转换器的输出的加速度的装置。
9.如权利要求5至8中任一项所述的能量转换器，其特征在于，转换器包括分配器 (75，120)，用以将阀(55)的高压进口(P)与流体压力最大的那个凹槽00，41)连通， 和将阀(55)的低压进口(T)与流体压力最小的那个凹槽00，41)连通。
10.如权利要求5至9中任一项所述的能量转换器，其特征在于，所述分配器(75， 120)包括下述装置当分配器离开中心位置(75a，120a)时，只要对载荷(76)进行供应 的通道保持被分配器(7 关闭，该装置就使得压力最小的那个凹槽00，41)连接到用于 收集转换器的内部泄露的内部液压空间(82)。
11.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，包括在压力贮存器(119) 中储存液压能的装置(121)。
12.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，通过活塞06，27，28， 32，33，34，35)的运动将液压流体进给到形成在轴(10)中的通道09，30)中，并且，所述通道09，30)交替地与壳体(14)的每个凹槽00，41)连通。
13.如前面权利要求之一所述的能量转换器，其特征在于，所述容置部是缸06， 27，沘)。
14.一种机器人，包括借助液压能移动的多个彼此独立的关节，其特征在于，还包括 与独立的关节数量相同的如前面权利要求之一所述的转换器，每个转换器与其中一个关 节相关联。
15.如权利要求12所述的机器人，采用如权利要求11所述的转换器，其特征在于， 所述加压贮存器(119)被多个转换器共享。
全文摘要
本发明涉及用于将机械能转换为液压能的转换器以及采用所述转换器的机器人。本发明可以特别适用于制造拟人机器人，其中自主性可被改进。转换器包括在机械能作用下绕第一轴线(13)相对于壳体(14)旋转的轴(10)，具有绕第二轴线形成的穿孔的套毂(20)，在穿孔中旋转的轴(10)，这两条轴线(13)相平行且轴线间的距离构成偏心距(E)，能够在轴(10)的径向容置部中移动的至少两个活塞，活塞被承载于穿孔。根据本发明，活塞的运动将液压流体进给到壳体(14)的两个围沿着绕第一轴线(13)的圆弧布置的环形凹槽中，液压能由这两个凹槽(40，41)之间存在的流体压力差产生，套毂(20)能够沿着垂直于前两条轴线(13)的第三轴线平移，以便在两个极限值之间改变偏心距(E)的值，这两个极限值中的一个为正、另一个为负，从而产生凹槽(40，41)中流体压力的颠倒，从而使这些凹槽的进口和排口角色互换，同时维持轴(10)的相同旋转方向。
文档编号F04B1/047GK102027234SQ200980116693
公开日2011年4月20日 申请日期2009年3月25日 优先权日2008年3月26日
发明者F·本韦兹杜, F·纳莫恩, S·阿尔法亚特 申请人:岜公司