CN101244730A - 跳跃机器人动力系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跳跃机器人动力系统，将无刷直流电机与齿轮泵相连，齿轮泵的进油口与油箱相连，齿轮泵的出油口与二位四通电磁换向阀的A口相连，二位四通电磁换向阀的B口接入油箱，二位四通电磁换向阀的P口与液压缸的上腔口连接，电磁换向阀的T口与液压缸的下腔口连接；其中，液压缸的上腔内安装有弹簧，弹簧一端抵靠在液压缸上内壁，另一端抵靠在液压缸活塞上壁上。本发明减少了系统电机功率；减少了系统的元件数量；同时无刷直流电机的质量只有同功率有刷电机的三分之一，本发明蓄积和储存了跳跃能量，减少了系统的总质量和体积，适于在跳跃机器人上使用。

Description

跳跃机器人动力系统
技术领域
本发明涉及一种机器人动力系统，具体的说是一种跳跃机器人动力系统。
背景技术
目前，对于跳跃型机器人的研究在国际上尚处于研究性阶段，国内也仅有个别院校开展了相关研究。在1984年美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的M.H.Raibert教授在腿型跳跃机器人领域做出了开创性的贡献。他设计了世界上第一个以跳跃方式运动的单腿机器人，解决了单足跳跃机器人的起跳姿态控制和落地时足部定位算法问题，并在简单模型下进行了一系列仿真分析及实验，得出了单足弹跳机构稳定性连续运动的条件。
目前，麻省理工学院多足机器人实验室的Raibert教授等人研制了多种步行或爬行机器人，其中在麻省理工大学Garth.J.Zeglin发表于1991年5月的毕业论文中所述的一种名为“Uniroo”的机器人可跳跃前进，采用了液压动力系统驱动。跳跃时，动力系统将压力油打入驱动液压缸控制系统弹跳，并且在每次弹跳落地的时段拉伸动力系统中的机器人踝关节液压缸下拉弹簧，补充能量损耗。
但是，该机器人的动力系统仅考虑了落地阶段补充能量损耗，不能在工作中蓄积和储存跳跃能量，增大了系统功率。
发明内容
为了克服现有技术不能在工作中蓄积和储存跳跃能量，增大了系统功率的不足，本发明提供了一种跳跃机器人动力系统，能蓄积和储存跳跃能量，结构简单，适用于机器人连续变速跳跃的动力系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括无刷直流电机、齿轮泵、油箱、二位四通电磁换向阀和液压缸，无刷直流电机1与齿轮泵2相连，齿轮泵2的进油口与油箱3相连，齿轮泵2的出油口与二位四通电磁换向阀5的A口相连，二位四通电磁换向阀5的B口接入油箱3，二位四通电磁换向阀5的P口与液压缸6的上腔口11连接，电磁换向阀5的T口与液压缸6的下腔口10连接。其中，液压缸6的上腔内安装有弹簧7，弹簧7一端抵靠在液压缸上内壁8，另一端抵靠在液压缸活塞上壁14上，用以蓄积和储存机器人的跳跃能量。所述二位四通电磁换向阀可通过电磁切换使得A口与P口连通、B口与T口连通，或使得A口与T口连通、B口与P口连通。
在齿轮泵2的出油口油路中连接有压力传感器4，用于测量系统压力，并当压力异常时发出警告信号。
机器人跳跃前，电磁换向阀切换到下位，二位四通电磁换向阀的A口与T口连通，无刷直流电机启动，油箱内的液压油进入液压缸的下腔，压缩液压缸内置弹簧；
当弹簧被完全压缩时，电磁换向阀切换到上位，二位四通电磁换向阀的A口与P口连通，电机高速运转，油箱内的液压油进入液压缸的上腔，液压缸受弹簧和电机驱动的液压油的双重作用高速拉伸，机器人起跳。
机器人腾空时，电磁换向阀切换到下位，二位四通电磁换向阀的A口与T口连通，电机低速运转，压缩液压缸内置弹簧，达到蓄能作用；其中液压缸内置弹簧的压缩长度根据机器人的特性确定，用以提高机器人的储能作用。
机器人落地时，由于受到落地冲击，液压缸快速收缩，内置弹簧被完全压缩，达到储能作用；
落地结束时，电磁换向阀切换到上位，电机高速运转，弹簧同时释放能量，机器人再次跳起。
本发明的有益效果是：本发明的动力系统由于采用了储能液压缸和蓄能工作方式，减少了系统电机功率；由于采用控制无刷直流电机改变系统液压流速，减少了系统的元件数量；同时无刷直流电机的质量只有同功率有刷电机的三分之一，由于以上几点，本发明蓄积和储存了跳跃能量，减少了系统的总质量和体积，适于在跳跃机器人上使用。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明所述动力系统的结构示意图。
图2是本发明所述储能液压缸的结构示意图。
图3是本发明所述机器人跳跃过程中液压缸运动情况示意图，
其中，图a机器人起跳前液压缸工作状态，图b机器人起跳时液压缸工作状态，图c机器人腾空时液压缸工作状态，图d机器人落地时液压缸工作状态，图e机器人再次起跳时液压缸工作状态。
图4是本发明所述机器人跳跃过程中动力系统工作状态示意图。
具体实施方式
装置实施例：参照图1和图2，本发明的装置包括无刷直流电机、齿轮泵、油箱、压力传感器、二位四通电磁换向阀和液压缸，无刷直流电机1与齿轮泵2相连，齿轮泵2的进油口与油箱3相连，齿轮泵2的出油口与二位四通电磁换向阀5的A口相连，二位四通电磁换向阀5的B口接入油箱3，二位四通电磁换向阀5的P口与液压缸6的上腔口11连接，电磁换向阀5的T口与液压缸6的下腔口10连接。其中，液压缸6的上腔内安装有弹簧7，弹簧7一端抵靠在液压缸上内壁8，另一端抵靠在液压缸活塞上壁14上，用以蓄积和储存机器人的跳跃能量。所述二位四通电磁换向阀可通过电磁切换使得A口与P口连通、B口与T口连通，或使得A口与T口连通、B口与P口连通。压力传感器4接在齿轮泵2的出油口油路中。
结合图3与图4，跳跃机器人动力系统的工作方式如下：
如图3(a)所示，机器人第一次跳跃前，液压缸处于全伸展状态，此时对换向阀的电磁铁SDT通电，换向阀被切换到下位，同时启动无刷直流电机，将压力油打入液压缸下腔，液压缸收缩，液压缸内置弹簧被压缩；
如图3(b)所示，当弹簧被完全压缩时，换向阀电磁铁SDT断电，换向阀被切换到上位，液压缸内置弹簧反弹，同时电机高速运转，将压力油打入液压缸上腔，两者的共同作用为机器人提供了跳跃所需的速度和力，机器人起跳。
如图3(c)所示，机器人腾空时，电磁铁SDT通电，换向阀切换到下位，电机低速运转，压力油打入到液压缸下腔，弹簧收缩，达到蓄能作用，其中液压缸内置弹簧压缩长度
Figure S2008100177928D00031
其中k为弹簧劲度系数，l为弹簧总伸长量，m为机器人总质量，h为弹跳高度，ζ为弹跳势能吸收效率，用以提高机器人的储能作用；
如图3(d)所示，机器人落地时，由于受到落地冲击，液压缸快速收缩，内置弹簧被完全压缩，将落地的冲击动能储存在液压缸内置弹簧内。
如图3(e)所示，落地结束时，电磁铁SDT断电，换向阀切换到上位，电机高速运转，弹簧同时释放能量，机器人再次起跳。
其中在如图3(c)和3(e)所示的机器人起跳阶段，电机转速需要满足 n = V m × S V × η ( V m > V T ) , 其中n为电机转速，Vm为使机器人起跳的液压缸拉伸速度，VT为液压缸内置弹簧反弹速度，S为液压缸横截面积，V为齿轮泵排量，η为系统效率。

Claims (2)

1、跳跃机器人动力系统，包括无刷直流电机、齿轮泵、油箱、二位四通电磁换向阀和液压缸，其特征在于：无刷直流电机与齿轮泵相连，齿轮泵的进油口与油箱相连，齿轮泵的出油口与二位四通电磁换向阀的A口相连，二位四通电磁换向阀的B口接入油箱，二位四通电磁换向阀的P口与液压缸的上腔口连接，电磁换向阀的T口与液压缸的下腔口连接；其中，液压缸的上腔内安装有弹簧，弹簧一端抵靠在液压缸上内壁，另一端抵靠在液压缸活塞上壁上；所述二位四通电磁换向阀可通过电磁切换使得A口与P口连通、B口与T口连通，或使得A口与T口连通、B口与P口连通。
2、根据利用权利要求1所述的跳跃机器人动力系统，其特征在于：所述的齿轮泵的出油口油路中连接有压力传感器。
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