CN101811304A - 四足步行机器人液压驱动系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种四足步行机器人液压驱动系统，包括伺服油缸总成，伺服油缸总成通过管路分别与液压动力装置和回油管路连接。本发明的有益效果是：①功率/质量比大，使机器人负重能力硬强；②添加燃料方便，续航能力长；③更快速的动态响应能力，有利于机器人的稳定；④更好的速度刚性，其动态特性受负载变化的影响更小；⑤关节驱动功率分配更方便，可以将系统驱动功率在极短时间内集中提供给指定关节，满足特殊动作驱动的要求；⑥液压油缸布置容易，使机器人腿部结构更加简单、紧凑。

Description

四足步行机器人液压驱动系统
 
技术领域
本发明涉及一种四足机器人驱动系统，更具体地说是一种四足步行机器人的液压驱动系统。
背景技术
目前，地面移动机器人常用的移动方式主要是轮式、履带式、蠕动式、爬行式和步行式。轮式移动机构具有摩擦阻力小、速度快等优点，但只适应于相对平坦的地面环境，越障能力差。履带式移动机构对地形环境的适应能力强，可翻越障碍、攀爬楼梯、跨越壕沟等，但传动效率低。蠕动、爬行和步行式均是模仿动物的仿生运动方式，对地形环境的适应能力极强，可以在绝大部分地面环境上行走，且以步行方式运动速度最快。步行四足机器人在复杂地形环境下的军事物质运输、反恐装备底盘、野外勘探和探险、星球探测以及农业生产等方面具有广阔的应用前景。
国外有大量公开的四足步行机器人基本上都是采用电池-电机驱动系统。中国专利文献ZL200820157956.2、CN101602382A、ZL03153505.4分别公开了一种四足步行机器人的移动机构，也均采用电池-电机驱动系统。目前已有的四足步行机器人几乎全部采用电池-电机驱动系统，具有如下缺点或不足：①功率/质量比小，负重能力差；②电池容量有限，续航能力差，且充电需较长时间；③动态响应慢，动态行走时机器人的稳定性差；电机的特性软，其动态特性受负载变化的影响大；⑤每个关节除配置电机外，还要安装减速箱，使机器人腿部结构非常复杂。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种功率/质量比大，机器人负重能力强，添加燃料方便，续航能力长，动态响应快速，机器人稳定性好，电机速度刚性好，动态特性受负载变化的影响小，关节驱动功率分配方便，布置方便，机器人腿部结构加简单、紧凑的四足步行机器人液压驱动系统。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种四足步行机器人液压驱动系统，包括伺服油缸总成，伺服油缸总成通过管路分别与液压动力装置和回油管路连接。
所述伺服油缸总成包括液压油缸，液压油缸的缸筒上焊接有阀板，阀板上安装有与液压油缸的两腔相连通的电液伺服阀，液压油缸的缸筒一侧安装线位移传感器，液压油缸的缸杆顶端与油缸耳环之间安装有力传感器。
所述液压动力装置包括发动机，发动机的输出轴分别连接定量液压泵和转速传感器，液压泵的吸油口与液压油箱之间安装有粗过滤器，在液压泵的出口处连接有单向阀，单向阀出口处并联有液压蓄能器、压力传感器、溢流阀和流量传感器，流量传感器与液压伺服油缸总成的电液伺服阀进油口相连，溢流阀的回油口与液压油箱连通。
所述回油管路包括与电液伺服阀回油口相连的精过滤器，精过滤器和风式冷却器连通，风式冷却器的出油口与液压油箱连通。
本发明假定四足步行机器人每条腿具有四个主动自由度，由四个完全相同的液压伺服油缸驱动。
液压伺服油缸总成的电液伺服阀直接固定在液压油缸上减少了电液伺服阀与液压油缸之间的连接管道，提高了阀控缸系统的固有频率，保证了四足步行机器人的动态响应能力。液压伺服油缸与电机-减速箱组合相比，具有更大的输出力/质量比，使机器人腿部结构更加紧凑。
为尽可能减小液压系统的质量，液压油箱容积小，液压油参与的循环的次数多，发热快，为控制液压油的温度，在液压油回油箱处安装了风式冷却器。溢流阀的溢流是发热的主要来源之一，为减少溢流发热，对发动机的转速进行了伺服控制。根据机器人各关节的运动参数，可以计算出所需液压油的流量，与流量传感器测量的流量值进行比较，通过差值控制汽油发动机的转速，使溢流阀的溢流减到最小。
本发明的有益效果是：①功率/质量比大，使机器人负重能力硬强；②添加燃料方便，续航能力长；③更快速的动态响应能力，有利于机器人的稳定；
Figure 176846DEST_PATH_IMAGE002
更好的速度刚性，其动态特性受负载变化的影响更小；⑤关节驱动功率分配更方便，可以将系统驱动功率在极短时间内集中提供给指定关节，满足特殊动作驱动的要求；⑥液压油缸布置容易，使机器人腿部结构更加简单、紧凑。
附图说明
图1是本发明的原理意图
图2是伺服油缸的构成示意图
图3是机器人腿的构成示意图
图4是机器人腿与躯干的连接示意图
图中：1.压力传感器，2.溢流阀，3.液压油箱，4.粗过滤器，5.定量液压泵，6.转速传感器，7.发动机，8.单向阀，9.流量传感器，10.液压蓄能器，11.伺服油缸总成，12.电液伺服阀，13.液压油缸，14.线位移传感器，15.力传感器，16.精过滤器，17.冷却器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1所示，四足步行机器人每条腿有四个主动自动度（参见图3和图4），由四个完全相同的液压伺服油缸总成11驱动。四足步行机器人液压驱动系统包括伺服油缸总成11，伺服油缸总成11通过管路分别与液压动力装置和回油管路连接。
液压动力装置包括采用大转速范围的汽油发动机7，发动机7输出轴连接大转速范围的定量液压泵5和转速传感器6。在液压泵5的吸油口与液压油箱3之间安装有粗过滤器4，在液压泵5的出口处连接有单向阀8，单向阀8出口处并联有液压蓄能器10、压力传感器1、溢流阀2和流量传感器9，溢流阀2的回油口与液压油箱3连通，流量传感器9后并连16个液压伺服油缸总成11。
回油管路包括与电液伺服阀12回油口相连的精过滤器16，精过滤器16和风式冷却器17连通，风式冷却器17的出油口与液压油箱3连通；从液压伺服油缸总成11返回的液压油经精过滤器16和风式冷却器17回油箱。
液压伺服油缸总成11由电液伺服阀12、液压油缸13、线位移传感器14和力传感器15组合构成。如图2所示，在液压油缸13的缸筒上焊接有阀板，阀板上安装有与液压油缸13的两腔相连通的电液伺服阀12，液压油缸13的缸筒一侧安装线位移传感器14，液压油缸的缸杆顶端与油缸耳环之间安装有力传感器15。电液伺服阀12直接固定在液压油缸13上，减少了电液伺服阀12与液压油缸13之间的连接管道，提高了阀控缸系统的固有频率，保证了四足步行机器人的动态响应能力。液压伺服油缸11与电机-减速箱组合相比，具有更大的输出力/质量比，使机器人腿部结构更加紧凑，安装液压伺服油缸11后的机器人腿部结构如图3所示，机器人腿与躯杆的连接如图4所示。
为尽可能减小液压系统的质量，保证机器人的负重能力，液压油箱3的容积设计得很小，液压油参与的循环的次数多，系统发热快。为控制液压油的温度，在液压油流回液压油箱3的接口处安装了风式冷却器17。液压油在溢流阀2处的溢流是发热的主要来源之一，为减少溢流发热，对汽油发动机7的转速进行了伺服控制。根据机器人各关节的运动参数，可以计算出各关节液压伺服油缸所需液压油的流量，计算出系统所需总流量与流量传感器9测量的流量值进行比较，通过差值控制汽油发动机7的转速，使溢流阀2的溢流减到最小。本发明为恒压系统，如果压力传感器1测量的系统压力低于规定压力，说明计算得出的系统所需总流量比实际流量小，应及时调整。
另外，本发明所述的机器人腿安装4个完全的液压伺服油缸，但并不局限于4个，也不要求所有液压伺服油缸完全相同，每条机器人腿安装2个、3个或5个液压伺服油缸（不一定完全相同）并没有改变液压驱动系统的工作原理，因此也在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种四足步行机器人液压驱动系统，其特征在于：包括伺服油缸总成，伺服油缸总成通过管路分别与液压动力装置和回油管路连接。
2.根据权利要求1所述的四足步行机器人液压驱动系统，其特征在于：所述伺服油缸总成包括液压油缸，液压油缸的缸筒上焊接有阀板，阀板上安装有与液压油缸的两腔相连通的电液伺服阀，液压油缸的一侧安装线位移传感器，液压油缸的缸杆顶端与油缸耳环之间安装有力传感器。
3.根据权利要求1所述的四足步行机器人液压驱动系统，其特征在于：所述液压动力装置包括发动机，发动机的输出轴分别连接定量液压泵和转速传感器，液压泵的吸油口与液压油箱之间安装有粗过滤器，在液压泵的出口处连接有单向阀，单向阀出口处并联有液压蓄能器、压力传感器、溢流阀和流量传感器，流量传感器与液压伺服油缸总成的电液伺服阀进油口相连，溢流阀的回油口与液压油箱连通。
4.根据权利要求1所述的四足步行机器人液压驱动系统，其特征在于：所述回油管路包括与电液伺服阀回油口相连的精过滤器，精过滤器和风式冷却器连通，风式冷却器的出油口与液压油箱连通。
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