CN102011849B

CN102011849B - 一种静液连续可变传动方法及装置

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Publication number: CN102011849B
Application number: CN 201010560136
Authority: CN
Inventors: 王亮; 张哲�; 王霁野
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102011849A

Abstract

本发明公开了一种静液连续可变传动方法及装置，属于流体传动与控制技术领域。本发明的装置包括两个以上变量单元，变量单元包含一个变量元件和一个整流装置，变量单元通过油液管路串联连接，形成密闭环路。闭式回路中由于油液的连续性，变量元件的转速关系由彼此之间的排量关系确定。变量元件作为被动机器人的关节，对各变量元件排量的精确控制可获得各关节传动比的关系，从而为被动机器人的末端运动提供不完全虚拟约束。本发明采用静液传动，无机械间隙问题，实际工况下油液可以起到缓冲作用。采用改变变量元件的排量关系实现连续可变传动，装置结构简单且控制方法易于实现。

Description

一种静液连续可变传动方法及装置

技术领域

本发明涉及一种静液连续可变传动(Continuously Variable Transmissions，简称CVT)方法及装置，属于流体传动与控制技术领域。

背景技术

在多轴的传动工作中，传动轴之间的传动比决定了传动轴复合所产生的运动，例如关节式机器人轴与轴之间的传动比决定了末端运动轨迹。

末端线速度v＝Jn＝J[n₁，n₂，…，n_m]^T(J是雅可比矩阵，n是各传动轴的转速)

机器人通常是按照轴之间的传动关系独立地驱动和控制各个轴的运动，即通过控制末端的运动速度和驱动力来控制末端的运动轨迹，属于完全主动控制。这样只有在工况可描述的情况下，机器人的末端运动才能被准确而有效地控制。有时机器人末端轨迹需要柔性可调，甚至只提供运动轨迹约束，而驱动由操纵者完成。

针对上述问题国外学者提出了构建这样一种被动机器人平台，它是对于确定的因素(末端运动轨迹)进行编程控制，而对于不确定的因素(末端运动的速度和加速度)人为决策，将这两者结合起来的操纵平台。它兼有人的特性和机器的特性，动作效果既具有人模糊决策的能力，又具有机器的精确性。

这样的平台需要将末端运动轨迹和末端运动速度分离，独立控制。其中关键的技术是如何获得这样一种末端运动的不完全约束，它独立于末端速度，且可以连续变化，以形成末端运动虚拟的轨迹约束面，即不主动控制各传动轴运动，而是使各传动轴的运动存在可连续调节的比例关系。

发明内容

本发明的目的是为了解决机器人末端轨迹不完全约束的技术问题，提出一种静液连续可变传动方法及装置。使得通过液压管路串联的多个容积式变排量机/液能量转换元件(以下简称“变量元件”由于液压泵和液压马达是可逆的，因此变量元件可以是变量液压泵也可以是变量液压马达)的转轴之间的传动比，能够通过调节变量元件的排量而进行控制，从而在被动机器人末端轨迹形成虚拟约束。

本发明的一种静液连续可变传动装置，包括两个或两个以上变量元件、两个或两个以上整流装置和油液管路，变量元件和整流装置数量相等，变量元件的进油口、出油口通过油液管路连接整流装置的第一油口、第二油口，多个整流装置的第一通道和第二通道串联连接，形成密闭环路。

一种静液连续可变传动方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在变量元件(双向变量液压泵或双向变量液压马达)上并联安装整流装置，构成变量单元；

步骤二：将两个或两个以上变量单元通过液压管路串联连接，构成闭式回路；

步骤三：通过调节变量元件的排量改变变量元件两两之间的传动比；

根据流量连续性原理串联闭式油路中变量元件的流量是相同的，变量元件两两之间的排量比就是其转轴传动比的倒数，因而通过连续调节变量元件的排量就可以得到变量元件转轴之间连续可变的传动比；

若有m个变量元件串联，并由变量元件转轴构成m自由度串联机器人的关节，设机器人关节转速向量为n＝[n₁，…，n_m]^T，n₁…n_m分别表示m个关节的转速，则末端轨迹的虚拟约束面可用末端速度矢量的方向表示，末端速度矢量方程为：

v＝Jn＝QJ[1/q₁，1/q₂，…，1/q_m]^T＝n₁J[1，q₁/q₂，…，q₁/q_m]^T

其中：v是末端速度矢量，J是雅可比矩阵，n是关节转速向量，Q是回路油液流量，q_i是第i个变量元件的排量，i∈[1，m]，通过排量的连续调节从而得到关节间连续可变的传动关系，在末端形成轨迹约束。

本发明的优点在于：

(1)创新结构

采用静液传动，无机械间隙问题，实际工况下油液可以起到缓冲作用。采用改变关节变量元件的排量关系实现连续可变传动，装置结构简单且控制方法易于实现。

(2)操纵性能好

采用单向阀联锁整流装置实现油路整流切换，油路的切换取决于关节的工作状态，阀芯复位弹簧产生的开启压力可以产生末端操作器一定的触觉效果，改善操纵者的操作感觉。

附图说明

图1是本发明的原理示意图(以三个变量元件为例)；

图2是本发明整流装置的结构示意图；

图3是本发明整流装置阀套的结构示意图；

图4是本发明整流装置阀芯的结构示意图；

图5是本发明整流装置油路切换说明图。

图中：

1-第一变量元件 2-第二变量元件 3-第三变量元件 4-第一整流装置

5-第二整流装置 6-第三整流装置 7-油液管路 8-内孔

9-阀套 10-阀芯 11-盖板 12-螺栓

13-弹簧 14-第一单向阀口 15-第二单向阀口 16-第三单向阀口

17-第四单向阀口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的一种静液连续可变传动方法，由油液管路7串联多个变量单元，通过调节变量元件的排量改变变量元件转速比例关系，从而，以变量元件主轴为传动轴构成机构的各轴转速获得可调节的比例关系，具体包括以下几个步骤：

步骤一：在变量元件上并联安装整流装置，使闭式油路的干路油液流向一致；

由于串联变量元件的转轴转向依工作情况可以是任意的，因此通过每个变量元件的油液流向是可以任意的，但是闭式油路干路中油液的流向必须是一致的，因此对于每个变量元件都需要安装整流装置。

步骤二：将两个以上变量单元(包括一个变量元件和一个整流装置)通过液压管路串联连接，构成闭式回路；

根据流量的连续性原理，串联闭式油路中变量元件的流量是相同的，因此变量元件两两之间的排量比就是其转轴传动比的倒数。

若有m个变量元件串联而构成m自由度串联机器人，设机器人转速向量为n＝[n₁，…，n_m]^T，n₁…n_m分别表示m自由度串联机器人各轴的转速，则末端速度矢量方程描述：

v＝Jn＝QJ[1/q₁，1/q₂，…，1/q_m]^T＝n₁J[1，q₁/q₂，…，q₁/q_m]^T(v是末端轨迹向量，J是雅可比矩阵，n是各传动轴的转速，Q是回路油液流量，q_i是第i个变量元件的排量，i∈[1，m])

可见，各关节的传动比关系决定了末端的运动轨迹。通过排量的伺服控制来调节变量元件之间转速的比例关系，可控制被动机器人各传动轴的传动比，在末端形成轨迹约束，为被动机器人末端操作器提供不完全约束。

本发明基于静液传动的连续可变传动装置，包括两个或两个以上变量元件、两个或两个以上整流装置、油液管路7，所述的变量元件和整流装置数量相等，变量元件的进油口、出油口通过油液管路7连接整流装置的第一油口B、第二油口C，多个整流装置的第一通道A和第二通道D串联连接，形成密闭环路。下面以三个变量元件、三个整流装置为例，如图1所示，包括第一变量元件1、第二变量元件2、第三变量元件3、第一整流装置4、第二整流装置5、第三整流装置6和连接彼此的油液管路7。

第一变量元件1、第二变量元件2、第三变量元件3均相同。一个变量元件与一个整流装置构成一个变量单元，三个变量单元串联连接，构成油液闭式回路。变量元件可以是双向液压变量泵或者双向液压变量马达，其转轴作为被动机器人的传动轴，其转速关系决定了被动机器人末端运动轨迹。

第一整流装置4、第二整流装置5和第三整流装置6均相同，如图2所示，第一整流装置4包括阀套9、阀芯10和盖板11。第一整流装置4是油液流动方向的控制元件。如图3所示，阀套9轴向设有圆柱截面内孔8，内孔8设四个沉割槽，分别为G、F、E、H，径向设有第一通道A和第二通道D，第一通道A连通内孔8，第二通道D连通沉割槽H，前后两个盖板11上分别设有第一油口B和第二油口C，油口分别连通内孔8的两端。如图4所示，圆柱截面阀芯10为两台肩结构并设有阀芯油路a、b、c，油路a的两个口分别位于沉割槽G和H内，连通沉割槽G、H，油路b的油口位于沉割槽F内，连通轴向第一油口B和沉割槽F，油路c的油口位于沉割槽E内，连通轴向第二油口C和沉割槽E。阀芯10和阀套9的内孔8间隙密封配合，并可做相对轴向运动，盖板11利用螺栓12固定在阀套9两端。两组弹簧13位于阀芯10两端，起阀芯10的复位作用。阀芯10与阀套9的内孔8的轴向位置关系决定了油路的通断情况。

第一变量元件1的进油口和出油口通过油液管路7连接第一整流装置4的第一油口B和第二油口C，同理，第二变量元件2的进油口和出油口通过油液管路7连接第二整流装置5的第一油口B和第二油口C，第三变量元件3的进油口和出油口通过油液管路7连接第三整流装置6的第一油口B和第二油口C。第一整流装置4的第一通道A通过油液管路7连接第三整流装置6的第二通道D，第二整流装置5的第一通道A通过油液管路7连接第一整流装置4的第二通道D，第三整流装置6的第一通道A通过油液管路7连接第二整流装置5的第二通道D。

通过油液管路7的连接，使得油液从第一整流装置4进入第一变量元件1中循环后，由第一整流装置4调整油液流向回到回路，再通过第二整流装置5进入第二变量元件2循环后由第二整流装置5调整油液流向回到回路，再通过第三整流装置6进入第三变量元件3循环后，由第三整流装置6调整油液流向回到回路，再通过第一整流装置4进入第一变量元件1，如此，变量元件首尾连接，构成带有整流装置的闭式回路，整流装置使得由管路7连接的干路中油液流向一致。

一种静液连续可变传动装置的工作过程为：

第一整流装置4、第二整流装置5和第三整流装置6结构相同，第一变量元件1、第二变量元件2、第三变量元件3结构相同，以第一整流装置4、第一变量元件1为例，用图5说明工作过程。沉割槽G左端节流面与阀芯10形成第二单向阀口15，沉割槽H右端节流面与阀芯10形成第一单向阀口14，沉割槽F右端节流面与阀芯10形成第三单向阀口16，沉割槽E左端节流面与阀芯10形成第四单向阀口17。第一单向阀口14与第三单向阀口16同步(同开同闭)，为第一组阀口；第二单向阀口15与第四单向阀口17同步，为第二组阀口。第一组阀口与第二组阀口互反(此开彼闭)，即当第一组阀口打开时，第二组阀口关闭；第一组阀口关闭时，第二组阀口打开。第一变量元件1进油口和出油口分别接在第一整流装置4的第一油口B和第二油口C，当变量元件1转轴受到外力矩驱动，在进油口和出油口产生压力差，第一整流装置4的阀芯10受到油液驱动力产生位移。当阀芯10右移时，第二组阀口打开，第一组阀口关闭，干路油液经第一通道A通过第四单向阀口17进入第一整流装置4第二进油口C，从第一整流装置4第一油口B通过第二单向阀口15并经第二通道D回到干路；当阀芯10左移时，第一组阀口打开，第二组阀口关闭，干路油液经第一通道A通过阀口16进入第一整流装置4第一油口B，从第一整流装置4第二油口C并经第二通道D回到干路。

由变量元件和整流装置构成的变量单元，由于整流装置的作用，干路油液的流向始终是第一变量单元→第二变量单元→第三变量单元→第一变量单元，这样串联的闭式回路，第一变量元件1、第二变量元件2、第三变量元件3的工作状态将不受油液流向的约束。

实施例：

本发明的一种静液连续可变传动方法，以三个变量单元为例，包括以下几个步骤：

步骤一：在变量元件上并联安装整流装置构成变量单元；

利用单向阀内油液通过方向不可逆的原理，整流装置可以在变量元件转向变化时仍然保持干路油液流向的一致性，避免变量元件转向冲突；

单向阀联锁的整流装置的油路切换关系如图5所示；图中虚线框表示第一单向阀口14和第三单向阀口16为一组，第二单向阀口15和第四单向阀口17为一组，“+”表示阀口同步，“-”表示阀口互反。其中，第一单向阀口14与第三单向阀口16同步，组成第一组阀口，第二组阀口阀口15与第四单向阀口17同步，为第二组阀口。第一组阀口与第二组阀口互反，即当第一组阀口打开时，第二组阀口关闭；第一组阀口关闭时，第二组阀口打开。

油路连接示意图如图1所示，第一变量元件1、第二变量元件2、第三变量元件3作为串联机器人的传动轴，油路闭式连接。闭式回路中，油液连续性使得变量元件之间有明确的耦合关系。变量元件由于被动性具有轴端驱动的泵特性，由于级联耦合关系又具有油口压力驱动的马达特性。变量元件之间的转速比可通过调节三个变量元件的排量q₁，q₂，q₃而变化。通过调节变量元件的排量关系，进而调节机器人关节的传动比，就可以获得被动机器人末端操作器期望的虚拟约束面；

整体连接结构示意图如图1所示，变量元件的进/出油口分别接在第一油口B和第二油口C，当变量元件转轴受到外力扭矩驱动，在第一油口B和第二油口C之间产生压力差，整流装置阀芯10受到油液驱动力产生轴向位移。当阀芯10右移时，第二组阀口打开，第一组阀口关闭，第一通道A与第二油口C连通，第二通道D与第一油口B连通，干路油液从整流装置第一通道A通过第四单向阀口17进入阀芯油路c，通过油路c到达变量装置第二油口C，进入变量元件，同时由变量元件排出的油夜从变量装置第一油口B通过第二单向阀口15到达阀芯油路a，通过油路a，由整流装置第二通道D回到干路；当阀芯10左移时，第一组阀口打开，第二组阀口关闭，第一通道A与第二油口B连通，第二通道D与第一油口C连通，干路油液从整流装置第一通道A通过第三单向阀口16进入阀芯油路b，通过油路b到达变量装置第一油口B，进入变量元件，同时由变量元件排出的油夜从变量装置第二油口C通过第一单向阀口14从整流装置第二通道D回到干路。

在第一变量元件1内循环后，第一变量装置1中的油液通过第一整流装置4回到干路，从第二整流装置5进入第二变量元件2，在第二变量元件2内循环后通过第二整流装置5回到干路，从第三整流装置6进入第三变量元件3，在第三变量元件3内循环后通过第三整流装置6回到干路，再从第一整流装置4回到第一变量元件1。如此，构成油液闭式回路。

当变量元件输出轴用作串联机器人关节时，根据流量的连续性原理，串联闭式油路中变量元件的流量是相同的Q＝n₁q₁＝n₂q₂＝n₃q₃，(Q是回路油液流量，n_i是第i个变量元件的转速，q_i是第i个变量元件的排量)，因此变量元件两两之间的排量比就是其转轴传动比的倒数。通过排量协同调节即可获得机器人末端运动的期望轨迹：

v＝Jn＝QJ[1/q₁，1/q₂，1/q₃]^T＝n₁J[1，q₁/q₂，q₁/q₃]^T(v是末端轨迹向量，J是雅可比矩阵，n是各传动轴的转速向量，Q是回路油液流量，q_i是第i个变量元件的排量，i∈[1，3])。

Claims

1.一种静液连续可变传动方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：在变量元件上并联安装整流装置，构成变量单元；

若有m个变量元件串联，并由变量元件转轴构成m自由度串联机器人的关节，设机器人关节转速向量为n＝[n₁,…,n_m]^T，n₁表示第1个关节的转速，n_m表示第m个关节的转速，则末端轨迹的虚拟约束面能够用末端速度矢量的方向表示，末端速度矢量方程为：

v=Jn＝QJ[1/q₁,1/q₂,…,1/q_m]^T＝n₁J[1,q₁/q₂,…,q₁/q_m]^T

其中：v是末端速度矢量，J是雅可比矩阵，n是关节转速向量，Q是回路油液流量，q_i是第i个变量元件的排量，i∈[1,m]，通过排量的连续调节从而得到关节间连续可变的传动关系，在末端形成轨迹约束。

2.一种静液连续可变传动装置，其特征在于，包括两个或两个以上变量元件，每个变量元件并联安装有整流装置，变量元件的进油口、出油口分别连通整流装置的第一油口、第二油口，多个整流装置的第一通道和第二通道首尾相连接，形成闭式环路，所述的变量元件是双向变量液压泵或者双向变量液压马达。

3.根据权利要求2所述的一种静液连续可变传动装置，其特征在于，所述的整流装置包括阀套、阀芯和盖板，阀套轴向设有内孔，内孔设有沉割槽，径向设有第一通道和第二通道，第一通道连通内孔，第二通道连通沉割槽，前后两个盖板上分别设有第一油口和第二油口，油口连通内孔，阀芯设有油路，阀芯在阀套内孔中轴向运动，阀芯与阀套内孔的轴向位置关系决定油路通断，盖板固定在阀套两端，阀芯两端设置复位弹簧。

4.根据权利要求2所述的一种静液连续可变传动装置，其特征在于，所述的整流装置的内孔设四个沉割槽，分别为沉割槽G、沉割槽F、沉割槽E、沉割槽H，第二通道连通沉割槽H，阀芯为两台肩结构并设有阀芯油路a、阀芯油路b、阀芯油路c，油路a的两个口分别位于沉割槽G和沉割槽H内，从而连通沉割槽G、沉割槽H，油路b的油口位于沉割槽F内，连通第一油口B和沉割槽F，油路c的油口位于沉割槽E内，从而连通第二油口C和沉割槽E。