液压致动器、机械臂、机械手和操作方法与流程

常规自动化在机械装置中的更高灵活性例如在“工业4.0”的背景下被作为目标。所谓的“软体机器人”最近已经变得重要。在此，机器人在制造中旨在与人直接协作。具有可变刚性且小的质量的致动器是其先决条件。依据应用能够预张紧并因此增加刚性的人体肌肉是这种致动器的角色模型。从de102014214977已知通过高的力密度来液压地复制人类肌肉的功能。为此目的，流体从驱动波纹管传输到输出波纹管。贮存器在此使流体平衡均衡。

然而，用于主动地控制机械臂或机械手的已知解决方案要求大的安装空间并且是成本密集的。

因此，本发明的目的是提供与现有技术相比改进的致动器。此外本发明的目的是提供用于操作这种致动器的方法。此外，将具体说明改进的机械臂和改进的机械手。特别地，根据本发明的致动器和根据本发明的方法旨在允许主动启动机械臂和机械手，并且同时旨在能通过减小的安装空间且以成本有效的方式来实施。

通过具有权利要求1所述的特征的液压致动器、通过具有权利要求8所述的特征的机械臂和机械手、以及通过具有权利要求9所述的特征的方法来实现该目的。从相关的从属权利要求、从下文的描述以及从附图获得本发明的优选的改进。

根据本发明的液压致动器包括：液压驱动缸，特别是具有驱动活塞的液压驱动缸；液压地连接到驱动缸的第一液压输出缸；以及限压阀，该限压阀依据力在所述驱动缸和/或所述驱动活塞上的作用时间来在压力方面限制输出缸，其中，所述限压阀被安置成用于限制与第二输出缸有关的压力和/或用于将压力释放到第二输出缸中，并且其中，所述第二输出缸液压地连接到所述驱动缸。

借助于根据本发明的液压致动器，能够借助于力在驱动活塞上的作用时间来控制限压阀。在压力方面限制第一输出缸的限压阀借助于所述压力限制来设置所述液压致动器的刚性。因此，能够借助于力在驱动活塞上的作用时间来设置液压致动器的刚性，并且能够因此复制人类肌肉。

第二输出缸有利地形成另一致动器，与第一输出缸相互作用的该另一致动器能够覆盖一自由度的互相相反的方向。以这种方式，不必为两个互相相反的方向分别提供一个致动器，如在现有技术中已知的那样。因此，能够通过较小的安装空间并且通过较低的成本来实施旨在覆盖两个互相相反的方向的这种致动器。

在根据本发明的液压致动器的情况下，限压阀依据操作状态被安置成用于限制至少暂时地与第二输出缸有关的压力，或用于将压力释放到第二输出缸中，也就是说，限压阀为了限制压力被安置在至少一个操作状态中，并且为了释放压力被安置在至少一个另外的操作状态中。

在根据本发明的液压致动器的情况下，第一输出缸通过第一预张紧的截止阀优选地连接到驱动缸，并且第二输出缸通过第二预张紧的截止阀优选地连接到驱动缸，其中，与驱动缸有关的所述第一截止阀和所述第二截止阀具有相反的阻挡方向。“与驱动缸有关的互相相反的阻挡方向”在此意味着第一截止阀具有朝着所述驱动缸指向的阻挡方向，而第二截止阀具有远离所述驱动缸指向的阻挡方向，或反之亦然。

在根据本发明的液压致动器的情况下，第一输出缸和第二输出缸优选地借助于在每种情况下一个多通阀共同地液压地连接到液压致动器的其余部分。以这种方式，借助于切换多通阀，第一致动器的角色和在开始所提及的已知解决方案的贮存器的角色能够交换；也就是说，第二输出缸在多通阀的第一位置中承担贮存器的角色，而第一输出缸在多通阀的第二位置中承担贮存器的角色。

根据本发明的液压致动器优选地包括驱动致动器，该驱动致动器在运动方面关联到驱动缸或驱动活塞。所述驱动致动器理想地是压电致动器或电动力式致动器或电磁致动器。有利地，该液压致动器是能电控的。根据本发明的液压致动器特别优选地是压电致动器或电动力式致动器或电磁致动器。能够以特别简单的方式电控制这种致动器。

在所述液压致动器的一个优选的改进中，驱动缸通过截止阀并通过第一节流阀被液压地连接到位于预张紧液压缸中、特别是具有预张紧活塞的预张紧液压缸中的预张紧体积，其中，所述预张紧液压缸或所述预紧张活塞表示限压阀。以这种方式，能够借助于力在驱动活塞上的作用时间以简单的方式通过截止阀和节流阀液压地设置预张紧体积，所述预张紧体积借助于预张紧活塞来致动限压阀。

在所述液压致动器的情况下，有利地，预张紧体积通过第二节流阀液压地连接到第二输出缸。以这种方式，在对应的作用时间的情况下，预张紧体积能够由第二输出缸供给或能够被排出到第二输出缸中。

根据本发明，在液压致动器的情况下，限压阀被安置成用于限制与第二输出缸有关的压力或用于将压力释放到第二输出缸中。以这种方式，在液压致动器的低刚性的情况下，第一输出缸能够将压力释放到第二输出缸中，或依据限压阀的位置，能够保持高的刚性。

在根据本发明的液压致动器的情况下，理想地在第一输出缸中引导第一输出活塞，和/或在第二输出缸中引导第二输出活塞。以这种方式，第一输出活塞和第二输出活塞用作根据本发明的液压致动器的主动元件。替代地或同样优选地，第一输出缸和/或第二输出缸各自通过波纹管形成，使得第一输出缸和/或第二输出缸的至少一部分形成根据本发明的液压致动器的主动元件。

在根据本发明的液压致动器的优选的改进中，第一输出缸通过预张紧的截止阀连接到驱动缸。以这种方式，在驱动缸与第一输出缸之间存在足够的压力差的情况下，能够传输驱动缸或驱动活塞的驱动作用。然而，依据压力条件，还能够往回设置驱动作用，而这不对第一输出缸产生任何直接后果，使得例如由于驱动缸或驱动活塞的周期性运动，实现借助于第一输出缸的大的线性行程。

根据本发明的机械臂或机械手具有至少一个如上文所描述的根据本发明的液压致动器。

根据本发明的方法是用于操作如上文所描述的液压致动器或机械臂或机械手的方法。在该方法的情况下，在具有偏转的液压致动器的操作或非操作阶段的持续时间内，所述驱动致动器以偏转频率在偏转持续时间内偏转，其中所述偏转持续时间确定所述液压致动器的运动刚性，并且所述偏转频率确定所述液压致动器的所得到的偏转速率。

特别地，在根据本发明的方法的情况下，所述驱动致动器是能电控的，特别是压电致动器或电动力式致动器或电磁致动器。

在本发明的一个另外的改进中，所述液压驱动缸和/或所述第一液压输出缸和/或所述第二液压输出缸和/或所述预张紧液压缸各自通过一个波纹管形成。

将借助于附图中所图示的示例性实施例在下文更详细地解释本发明，在附图中：

图1以液压方框图示意性地示出了已知的液压致动器。

图2以图解图示示意性地示出了根据图1的液压致动器的三种操作模式（a）、（b）和（c）；以及

图3以图解图示示意性地示出了根据本发明的液压致动器，该液压致动器具有第一输出缸和第二输出缸。

图1中所示出的已知的液压致动器5包括压电致动器10，压电致动器10在运动方面关联到液压驱动缸20的驱动活塞15。

驱动缸20包括液压驱动体积25，液压驱动体积25以本身已知的方式填充有液压油。所述驱动体积25通过在足够高的打开压力下打开的截止阀30液压地连接到液压输出缸35。截止阀30对应地被预张紧。输出缸35在驱动侧处具有输出体积40，输出体积40使位于输出侧处的输出活塞45移动。

此外，驱动体积通过截止阀50以能够供给的方式连接到贮存器55。

此外，驱动体积25通过截止阀60以及沿流动方向被安置在截止阀60后面的节流阀65能够供给液压预张紧缸90的预张紧体积70，所述节流阀65借助于预张紧活塞75控制限压阀80。预张紧体积70通过第二节流阀85连接到贮存器55。限压阀80限制到贮存器55中的驱动体积的压力或释放与贮存器55有关的驱动体积的压力。

图1中所图示的液压致动器5如下文所描述的那样操作：各个操作模式的特征在于压电致动器10的致动，如能根据图2从致动行程/时间图解（a）、（b）和（c）推断，下文更详细地描述了所述图解。

在第一操作模式中，液压致动器通过低的系统刚性操作并且以不等于零的致动速率v1致动。

为此目的，压电致动器10被致动，如根据图2（a）借助于曲线c1示意性地示出的：压电致动器10迅速地偏转（也就是说，致动路径san随时间t以陡峭梯度hs上升）。因此，驱动缸20的驱动体积25中的压力增大，使得将驱动体积25连接到输出体积40的截止阀30和将驱动体积40连接到预张紧体积70的截止阀60都打开。因为压电致动器10的偏转以及因此驱动体积25中的压力增大该第一操作模式中仅非常短，由于将驱动体积25连接到预张紧体积70的截止阀60，所以几乎没有液压油能够借助于串联安装的节流阀65沿预张紧体积70的方向流动，其中，液压油的这种最小流动通过将预张紧体积70连接到贮存器的节流阀85再次流出到贮存器55中。因此在预张紧体积70中几乎不建立压力。因此液压油几乎只流到输出体积40中，使得通过液压致动器5的所得到的致动路径sab来调动输出活塞45。

随后，压电后致动器10的偏转再次突然减小（图2（a）中曲线c1的陡峭的负梯度ha），由此，将驱动体积25连接到输出体积40的截止阀30和将驱动体积40连接到预张紧体积70的截止阀60都关闭。借助于驱动体积25中的减少的液压油形成负压力，由此，将驱动体积25连接到贮存器55的截止阀50打开并且缺少的液压油能够从贮存器55流到驱动体积25中。

如果重复第一操作模式中的该循环，也就是说重复压电致动器10的迅速偏转和重置，则执行输出活塞45的连续偏转。如果反作用力作用在输出活塞45上，则输出体积40中的压力根据所述反作用力和输出缸35的液压横截面而增大。由于借助于预张紧体积25中缺少的压力，限压阀80中的阈值非常低，所以在小的反作用力作用在输出活塞45上的情况下，液压油已经通过限压阀80从输出体积40流回到贮存器55中。

在第二操作模式中，液压致动器5通过高的系统刚性操作并且以不等于零的致动速率v1被致动。

为此目的，压电致动器10被致动，如根据图2（b）借助于曲线c2示意性地示出的。压电致动器10迅速地偏转，如上文已经描述的（也就是说，致动路径san再次随时间t以陡峭梯度hs上升）。

因此，驱动体积25中的压力增大，并且将驱动体积25连接到输出体积40的截止阀30以及将驱动体积40连接到预张紧体积70的截止阀60都打开。由于液压油流到驱动体积40中，所以驱动体积25中的压力下降，如在之前所描述的操作模式中一样。

与之前的操作模式相反，此处压电致动器10的偏转在特定时间内保持恒定（参见根据图2（b）的曲线c2的部分p）。由于将驱动体积25连接到输出体积40的截止阀30具有限定的打开压力，所以当驱动体积25与输出体积40之间的压力差小于截止阀30的打开压力时，所述截止阀30关闭。由于压电致动器10仍然偏转，所以其余的压力作用在将驱动体积25连接到预张紧体积的截止阀60上。由于将驱动体积25连接到预张紧体积70的截止阀60没有被预张紧，因此液压油能够通过所述截止阀60和安置在所述截止阀60下游的节流阀65流动，直到预张紧体积70与驱动体积25之间的压力差更大。尽管液压油的一小部分确实通过将预张紧体积70连接到贮存器55的节流阀85再次流回到贮存器55中，但是预张紧体积70中的压力增大。由此，限压阀80中的打开阈值增大。

在特定时间之后，压电致动器10被再次突然重置到其原始致动路径san（图2（b）中曲线c2的陡峭的负梯度ha）。由此，液压油从贮存器55被吸出到驱动体积25中，如在之前所描述的第一操作模式的情况下一样。如果没有安装将预张紧体积60连接到贮存器55的节流阀85，那么将不仅从贮存器55而且还从预张紧体积70吸出液压油。

随后重复所描述的循环，也就是重复压电致动器10的偏转和重置。如果在这种情况下反作用力作用在输出活塞45上，则输出体积40中的压力因此再次增大。然而，限压阀80中的阈值借助于预张紧体积70中增大的压力比在之前所描述的操作模式中更高，因此，在输出活塞15上能够建立更大的力并且从输出体积40流出的液压油减少。因此，增强了根据本发明的液压致动器5的系统刚性。因此，通过液压致动器10的致动分布来设置所述刚性的水平。

在第三操作模式中，液压致动器5在高的系统刚性下操作并且不被致动（也就是说，以致动速率v0=0被致动）。

为此目的，压电致动器10被致动，如根据图2（c）借助于曲线c3示意性地示出的。

由于压电致动器10的缓慢偏转（相对小的梯度ns），所以驱动体积25中的压力几乎不增大，因此，只有将驱动体积25连接到预张紧体积70的截止阀60打开，而将驱动体积25连接到输出体积的截止阀30不打开。因此，液压油不被泵送到输出体积40中，而只被泵送到预张紧体积70中，因此，在输出活塞45不偏转的情况下，限压阀80的阈值增大并且因此液压致动器5的系统刚性增大。

在特定时间之后，压电致动器10被再次突然重置到其原始致动路径san（图2（c）中曲线c3的陡峭的负梯度ha）。

在其他方面对应于图1和图2中所图示的示例性实施例的另外的示例性实施例（没有以专门的方式图示）中，存在电动力式致动器或电磁致动器以代替压电致动器10。

应当理解的是，在另外的示例性实施例（没有以专门的方式图示）中，还可为驱动缸和/或输出缸和/或预张紧缸提供呈波纹管方式的不具有在其中引导的活塞的液压缸来代替具有在其中引导的活塞的液压缸。

相比而言，图3中所图示的根据本发明的致动器具有第二输出缸200来代替贮存器55。以类似于上文所描述的第一输出缸35的方式，在第二输出缸200中存在驱动第二输出活塞210的第二输出体积205。

第二输出缸200一方面因此承担上文所描述的已知解决方案的贮存器的功能。然而，第二输出缸200中的第二输出活塞210额外地承担了另外的致动器部件的功能，在图3中所示出的示例性实施例中，所述另外的致动器部件通过致动路径sab2实现沿与如上文所描述的第一输出缸35的第一输出活塞45的输出方向相反的输出方向的输出。因此，图3中所图示的液压致动器被构造成以便沿互相相反的方向致动。

根据本发明，在根据图3的液压致动器的情况下，第一输出缸35和第二输出缸200借助于多通阀100共同地液压地连接到液压致动器的其余部分。以这样的方式，借助于切换多通阀100能够交换第一输出缸35的角色和第二输出缸200的角色，第二输出缸200在第一位置中承担在开始所提及的已知解决方案的贮存器55的功能；也就是说，在多通阀的第一位置中，第二输出缸200承担贮存器55的角色，可是在所述多通阀的第二位置中，第一输出缸35承担贮存器55的角色。

在图3中所图示的根据本发明的液压致动器在其他方面对应于图1中所图示的已知的液压致动器。

根据本发明的机械臂和机械手（没有以专门的方式图示）各自具有一个或多个如上文所描述的液压致动器，并且各自包括一个控制设备，该控制设备依据所要求的偏转速率和期望的系统刚性来致动每个致动器的压电致动器10。