机器人用液压作动器的制作方法

本发明具体涉及一种机器人用液压作动器。

背景技术：

摆动关节源于仿生，其为具有相对运动的杆件提供连接支撑并驱动两个连接的杆件做相对运动，类似于人类手臂、腿足等运动形式。摆动关节在机器人领域内被大量应用，如流水线上的机械臂、各种腿足类行走机器人(两足机器人、四足机器人等)，摆动关节作为上述机器人的最为基础的驱动单元，其性能直接决定着运动系统的运动性能，随着机器人面向更高速运动、更大承受负载、更高运动精度、更高抗干扰以及更高的续航能力等方向发展。更高速运动和更大承受负载对摆动关节提出的基本要求为高功率密度，即小体积小重量的摆动关节下能够实现更高功率的输出，直接表现为摆动关节可以输出更大的驱动力以及更大的运动速度；更高续航能力则意味着低耗能，低耗能意味着除去必要的做工能量外其余能量则尽量要更少地耗费，一方面式节能另外一方面是回收能量；更高抗干扰能力，表现为摆动关节可充分吸收来自外界的冲击并缓冲；更高运动精度则需要明确摆动缸基本运动状态以及其基本的动力学特性，即使用充分的集成传感器实时感知摆动关节的各种运动参数从而实现控制。

目前摆动关节驱动形式主要有电驱动和液压驱动两种，对于微型的关节还有各种新型驱动形式如压电材料驱动、形状记忆合金驱动等。其中电驱动突出一个比较明显的问题即其功率密度太低，且电机出力太小不能满足机器人高速高负载等方面的需求；液压驱动具有较高的功率密度特点，但传统的关节步足式机器人应用的液压驱动均为零散式液压元件而导致腿足关节有较多的安装部件且液压元件均为传统设计结构从而造成腿足关节重量较大，不利于机器人实现高速高负载高跳跃的目标并且传统的液压驱动的摆动关节没有实现冲击能量有效缓冲、冲击能量回收与存储、冲击能量可控释放和力迸发等对摆动关节有益的功能。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种机器人用液压作动器，解决目前摆动关节驱动不能够实现冲击缓冲、冲击能量吸收与存储、冲击能量可控再释放、力迸发的问题，并实现更高功率密度。

为了解决以上问题，本发明所采用的技术方案如下：一种机器人用液压作动器机构，包括叶片式摆动液压马达，旋转编码器，伺服阀、高速三位四通电磁换向阀、减压阀、单向阀、蓄能器和两个压力传感器，旋转编码器安装在叶片式摆动液压马达尾部，其特征在于：所述的叶片摆动液压马达包括输出轴和两个分别独立密闭的缸体，每个所述的缸体内部延径向上半部为容腔，下半部为与缸体一体结构的定子，所述的定子的两侧分别开有内油口，每个所述的内油口与其缸体上的一个油孔连通，输出轴与两个缸体的轴向中心的定子表面凹槽转动连接，输出轴的两端的外部通过轴承副与两个缸体的外部分别转动连接，两个缸体轴向紧密固定连接且互相密封，每个缸体内各有一叶片，所述的叶片的端面与缸体的内壁贴合接触，所述的叶片的径向表面能够与定子表面接触，所述的输出轴与两个叶片固定连接，两个所述的叶片延输出轴的径向相差180度，使得两个缸体的对角油腔同时为高压油腔或低压油腔，两个缸体分别为主缸和辅助缸，主缸的两个油孔分别通过两根管路与伺服阀的两个工作油口连接，每根管路上都安装有压力传感器，伺服阀的进油口通过管路与外部高压油口连接，伺服阀的回油口与外部低压油口连接；辅助缸的两个油孔分别与高速三位四通电磁换向阀的两个工作油口连接，高速三位四通电磁换向阀的进油口分别与蓄能器、单向阀的输出口连接，高速三位四通电磁换向阀的回油口与外部低压油口连接，单向阀的输入口与减压阀的输出口连接，减压阀的出入口分别与外部高压油口、伺服阀的高压油口连接；本机构各工况运行包括如下：

低负载工况：当机器人的摆动关节处于低负载状态下，高速三位四通电磁换向阀处于中位，此时高速三位四通电磁换向阀的两个工作油口和外部低压油口连通，此时辅助缸的叶片分隔开的两油腔皆与外部低压油口连通，辅助缸的叶片不受液压油作用而处于自由摆动状态，此时主缸则受到伺服阀的控制作用而作控制运动，辅助缸则跟随主缸运动，此时蓄能器与高速三位四通电磁换向阀连通的油口处于关闭状态，而其通过单向阀与减压阀连通的油口则为蓄能器补充油液以使其内部压力恢复到初始状态；

缓冲冲击工况：当机器人的摆动关节受到外界冲击时，此时高速三位四通电磁换向阀则切换到右位，辅助缸通过高速三位四通电磁换向阀与蓄能器连通，外部冲击力通过输出轴传递到辅助缸叶片，辅助缸叶片则推动一侧油腔内的液压油进入蓄能器中，辅助缸叶片另外一侧的油腔则与外部低压油口连通，外部低压油通过该低压油口流进另外一侧油腔内以补充叶片因摆动而产生的空间，蓄能器则接受来自辅助缸叶片推动的液压油，蓄能器将外部冲击缓冲，减轻了主缸的负载；存储冲击能工况：当机器人的摆动关节受到外界冲击结束后，高速三位四通电磁换向阀切换到中位，蓄能器与高速三位四通电磁换向阀连通的油路封闭，由于外部冲击将一部分液压油挤入了蓄能器中此时蓄能器中的液压油压力已经高于低负载工况时减压阀给蓄能器补充的压力，且有单向阀作用，蓄能器中的液压油不能再反向流回减压阀，从而实现了将缓冲冲击工况中的外部冲击能量存储起来；

力迸发工况：当机器人的摆动关节经历了如上3个工况后并处于大负载状态时，此时负载为单向负载，且外部冲击作用为该单向负载的反向，此时高速三位四通电磁换向阀切换到左位，那么蓄能器通过高速三位四通电磁换向阀左位机能与辅助缸另外一腔连通，恰与缓冲冲击工况相反，此时蓄能器存储的冲击能则被释放出来重新作用到辅助缸叶片上，为主缸施加驱动力，从而实现总体对外输出更大的作用力，实现力迸发的功能。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的输出轴与定子的圆弧形接触面延轴向分别开有多条卸荷槽，圆弧形接触面的最低端延轴向别开有一条藏油槽，在藏油槽内延径向开有多个藏油道。

2、所述的叶片的径向表面和端面表面都分别开有卸荷槽。

3、所述的叶片的径向表面和端面表面都分别开有藏油道。

4、所述的输出轴包括碳纤维轴心和铝合金轴壳，铝合金轴壳套在碳纤维轴心外部并与其固定连接。

5、缸体包括铝合金缸筒，所述的铝合金缸筒外面包裹有碳纤维层。

6、所述的叶片外层为铝合金，内部填充有碳纤维内衬。

本发明具有以下的优点及有益效果：本发明实现了冲击缓冲、冲击能量吸收与存储、冲击能量可控再释放、力迸发等传统摆动关节所不具备的功能，大大增加了系统的抗干扰能力，大大减小了摆动关节的能量消耗。通过多种低密度材料的复合设计实现了更低重量，使得整个关节的重量大大降低，从而使得摆动关节具有在同等功率输入和同等重量下更高速的运动能力、更大的出力能力、更高的负载能力和更高的节能能力。通过控制手段切换双层油缸，在低负载使用一层缸，大负载使用两层缸，大大减小了能量消耗并且增加了瞬时出力，使得摆动关节可以瞬时获得更大的运动速度。蓄能器实现了能量吸收与存储，结合高速开关阀实现能量可控释放，增加了能量回收机制，使得系统总体耗能进一步降低。本发明可用于各种带有摆动关节的机器人，如机械臂、行走关节式机器人等，可驱动关节做摆动运动的高度集成并且具有高功率密度特征、自主缓冲并吸收外界冲击干扰能、蓄能并可控释放能量、带有力迸发的新型液压作动器。新型机器人用液压作动器集成了油口压力传感器以及旋转编码器，可实时感知作动器输出力矩以及输出位移、速度等信息，为高精度的运动控制提供接口。

附图说明

图1为本发明的机器人用液压作动器机构总装立体图一；

图2为本发明的机器人用液压作动器机构总装立体图一；

图3为本发明的机器人用液压作动器机构总装立体图三；

图4为本发明的机器人用液压作动器机构的主视图；

图5为图4的b-b剖视图；

图6为叶片与输出轴的连接结构主视图；

图7为图6的a-a剖视图；

图8为图6的b-b剖视图；

图9为图6的右视图；

图10为图6的右仰视图；

图11为图6的立体图；

图12为铝合金缸筒结构示意图；

图13为图12的a-a剖视图；

图14为图6的立体图；

图15为工况油路原理图；

图16为低负载工况油路原理图；

图17缓冲冲击工况油路原理图；

图18存储冲击能工况油路原理图。

其中，1-碳纤维轴心，2-铝合金轴壳，3-轴承端盖，4-主缸，5-辅助缸，6-头碳纤维端盖，9-蓄能器，11-第一压力传感器，12-伺服阀，14-第二压力传感器，17-减压阀，19-高速三位四通电磁换向阀，21-单向阀，22-旋转编码器，23-尾碳纤维端盖，24-尾铝合金压盖，25-辅助铝合金缸筒，27-中隔板，29-主铝合金缸筒，30-头铝合金压盖，40-铝合金缸筒内密封o形圈，41-藏油道，42-主缸叶片碳纤维内衬，43-辅助缸碳纤维内衬，44-轴承端盖旋转密封圈，45-轴承端盖o形圈，46-滚针轴承，47-止口，48-铝合金缸筒外o形圈，49-卸荷槽，50-辅助缸铝合金叶片，52-主缸铝合金叶片，57-销钉，59-藏油槽，60-第一内油口，61-第二内油口，62-减重镂空孔。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细的说明。

实施例1

如图1-14所示，一种机器人用液压作动器机构，包括叶片式摆动液压马达，旋转编码器，伺服阀、高速三位四通电磁换向阀、减压阀、单向阀、蓄能器和两个压力传感器，旋转编码器安装在叶片式摆动液压马达尾部，所述的叶片摆动液压马达为圆柱状，包括输出轴、头碳纤维端盖6、尾碳纤维端盖23，两个轴承端盖5、两组滚针轴承46、头铝合金压盖30、尾铝合金压盖24，主铝合金缸筒29，辅助铝合金缸筒25，中隔板27，头铝合金压盖30的外端部与第一轴承端盖连接，头铝合金压盖30内部装有第一滚针轴承，头铝合金压盖30外侧连接有头碳纤维端盖6，头铝合金压盖30的内侧与主铝合金缸筒29固定连接，主铝合金缸筒29通过隔板27与辅助铝合金缸筒25固定连接，辅助铝合金缸筒25与尾铝合金压盖24的内侧固定连接，尾铝合金压盖24的外端部与第二轴承端盖连接，尾铝合金压盖24内部装有第二滚针轴承，输出轴位于主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25内部，输出轴的两端分别与两个滚针轴承滚动连接，输出轴包括碳纤维轴心和铝合金轴壳，铝合金轴壳固定安装在碳纤维轴心外部，主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25外面还包裹有碳纤维层，输出轴包括碳纤维轴心1和铝合金轴壳2，铝合金轴壳2固定安装在碳纤维轴心1外部。主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25的内部延径向上半部为容腔，下半部为与缸体一体结构的定子，定子上开有减重镂空孔62，所述的定子的两侧分别开有第一和第二内油口60.61，每个所述的内油口与其缸体上的一个油孔连通，输出轴与主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25的轴向中心的定子表面凹槽转动连接，主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25轴向紧密固定连接且通过隔板27互相密封，主铝合金缸筒29和辅助铝合金缸筒25内各有一叶片，叶片的端面与主铝合金缸筒29或辅助铝合金缸筒25的内壁贴合接触，叶片的径向表面能够与定子表面接触，输出轴与两个叶片固定连接，两个所述的叶片延输出轴的径向相差180度，使得两个缸体的对角油腔同时为高压油腔或低压油腔，主铝合金缸筒29的两个油孔分别通过两根管路与伺服阀的两个工作油口连接，每根管路上都安装有压力传感器，伺服阀的进油口通过管路与外部高压油口连接，伺服阀的回油口与外部低压油口连接；辅助铝合金缸筒25的两个油孔分别与高速三位四通电磁换向阀的两个工作油口连接，高速三位四通电磁换向阀的进油口分别与蓄能器、单向阀的输出口连接，高速三位四通电磁换向阀的回油口与外部低压油口连接，单向阀的输入口与减压阀的输出口连接，减压阀的出入口分别与外部高压油口、伺服阀的高压油口连接；

叶片式摆动液压马达的侧面固定安装有伺服阀12、高速三位四通电磁换向阀19以及减压阀17，减压阀17的入油口安装单向阀21，以防止油液倒流。蓄能器9可用扎带捆绑在摆动缸外壳上，也可在头尾加工安装架通过螺纹形式与头碳纤维端盖6、尾碳纤维端盖23固定在一起。辅助缸铝合金叶片层50内部的辅助缸碳纤维内衬43采用胶粘接在一起构成一体，头部利用销钉紧固，主缸铝合金叶片层52内部的主缸叶片碳纤维内衬42采用胶粘接在一起构成一体，头部利用销钉紧固。头碳纤维端盖6和尾碳纤维端盖23的端面埋有金属螺纹孔，两个轴承端盖分别通过螺栓安装在头碳纤维端盖6、尾碳纤维端盖23上，其轴附近安装有轴承端盖旋转密封圈44，外圈安装有轴承端盖o形圈45，保证轴向和径向双重密封效果。两个滚针轴承分别安装在第一轴承端盖和头铝合金压盖30、第二轴承端盖和尾铝合金压盖24组成的轴承安装空间内。头铝合金压盖30、尾铝合金压盖24、及主铝合金缸筒29、辅助铝合金缸筒25、辅助缸铝合金叶片层50、主缸铝合金叶片层52及中隔板27组成两个封闭的油腔，使用旋转密封圈实现两层摆动缸油腔密封。两层摆动缸基本结构一致，但叶片方向相反，即两层摆动缸的叶片同在一条直线上但角度相差180度，使得两层摆动缸对角油腔同时为高压油腔或低压油腔，这样可使得输出轴受液压油侧向力平衡。

主铝合金缸筒29、辅助铝合金缸筒25工设计有一道止口47，方便安装，一道外圈静态密封铝合金缸筒外o形圈48，一道内圈静态密封铝合金缸筒内密封o形圈40，并且在与铝合金轴壳2接触部分开有卸荷槽、藏油槽，铝合金轴壳2在旋转的时候，由高压油腔油液被挤压进入主铝合金缸筒29、辅助铝合金缸筒25和铝合金轴壳2接触部分，卸荷槽则令挤进的高压液压油压力阶梯损耗从而到藏油槽时将高压油的压力损耗到极小，铝合金轴壳2上附着的油液则进入藏油槽内保证一定的润滑性能，也保证了高压油不会通过此处进入低压油腔。同此，主、辅助缸铝合金叶片层的径向和端面分别开有径向卸荷槽、端面卸荷槽，端面藏油道、径向藏油道，其原理与上述铝合金轴壳2封油原理类似。开设卸荷槽，减小了叶片的变形，增强了叶片的径向和端面密封效果，使得其摆动缸容积效率大大提高，系统更加节能。本实施例在相对运动层依靠铝合金喷涂高硬度高耐磨的碳化钨材料接触实现耐磨性能，在较重的部件上开设减重镂空，进一步降低重量。

本机构的具体工作过程为：本机构工作在典型的循环式四个基本工况下，分别为低负载工况，缓冲冲击工况，存储冲击能工况，力迸发工况，下面结合具体工况说明本装置的具体工作原理。

如图15-18所示，本机构各工况运行包括如下：

一、低负载工况：当机器人的摆动关节处于低负载状态下，高速三位四通电磁换向阀处于中位，此时高速三位四通电磁换向阀的两个工作油口和外部低压油口连通，此时辅助缸的叶片分隔开的两油腔皆与外部低压油口连通，辅助缸的叶片不受液压油作用而处于自由摆动状态，此时主缸则受到伺服阀的控制作用而作控制运动，辅助缸则跟随主缸运动，此时蓄能器与高速三位四通电磁换向阀连通的油口处于关闭状态，而其通过单向阀与减压阀连通的油口则为蓄能器补充油液以使其内部压力恢复到初始状态；

二、缓冲冲击工况：当机器人的摆动关节受到外界冲击时，此时高速三位四通电磁换向阀则切换到右位，辅助缸通过高速三位四通电磁换向阀与蓄能器连通，外部冲击力通过输出轴传递到辅助缸叶片，辅助缸叶片则推动一侧油腔内的液压油进入蓄能器中，辅助缸叶片另外一侧的油腔则与外部低压油口连通，外部低压油通过该低压油口流进另外一侧油腔内以补充叶片因摆动而产生的空间，蓄能器则接受来自辅助缸叶片推动的液压油，蓄能器将外部冲击缓冲，减轻了主缸的负载；

三、存储冲击能工况：当机器人的摆动关节受到外界冲击结束后，高速三位四通电磁换向阀切换到中位，蓄能器与高速三位四通电磁换向阀连通的油路封闭，由于外部冲击将一部分液压油挤入了蓄能器中此时蓄能器中的液压油压力已经高于低负载工况时减压阀给蓄能器补充的压力，且有单向阀作用，蓄能器中的液压油不能再反向流回减压阀，从而实现了将缓冲冲击工况中的外部冲击能量存储起来；

四、力迸发工况：当机器人的摆动关节经历了如上3个工况后并处于大负载状态时，此时负载为单向负载，且外部冲击作用为该单向负载的反向，此时高速三位四通电磁换向阀切换到左位，那么蓄能器通过高速三位四通电磁换向阀左位机能与辅助缸另外一腔连通，恰与缓冲冲击工况相反，此时蓄能器存储的冲击能则被释放出来重新作用到辅助缸叶片上，为主缸施加驱动力，从而实现总体对外输出更大的作用力，实现力迸发的功能。

综述上面四个工况可见本装置实现了冲击缓冲、冲击能量吸收与存储、冲击能量可控再释放、力迸发功能，为传统液压摆动关节所不具备的。