CN102829009A - 一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，包括电机、水液压泵、水箱、过滤器、溢流阀、单向阀、常开式比例节流控制阀、节流阀和水压人工肌肉驱动器；所述的节流阀分别与常开式比例节流控制阀和水压人工肌肉驱动器连接，所述的节流阀与常开式比例节流控制阀组成B型半桥。本发明通过比例节流控制阀与调定的节流阀组成的桥路，由比例节流控制阀调节驱动水压人工肌肉驱动器的压力，实现水压人工肌肉驱动器输出力和位移的控制，适用于水压人工肌肉驱动的机械关节控制。本发明采用比例节流控制阀与调定的节流阀组成的液压半桥控制水压人工肌肉的驱动压力，降低了水液压元件性能要求，不需要安装比例减压阀，压力调节稳定、范围宽且线性度好。

Description

一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统

技术领域

本发明涉及机器人、特种作业机械手和自动化生产线等领域应用的流体驱动人工肌肉，特别是一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统。

背景技术

在机器人关节驱动与控制中，流体驱动的人工肌肉是一种新型的驱动器，可以分为气动人工肌肉和水压人工肌肉。气动人工肌肉已经在机器人和自动化生产线等领域中应用，具有结构简单、动作平滑、输出力/重量比大等优点。水压人工肌肉不但具有结构简单，有利于实现小型化和轻型化的优势，相比气动人工肌肉输出力更大、响应速度更快、工作噪声更低。人工肌肉无相对摩擦运动部件，对于水下作业工况，不会产生液压缸伸出杆受环境污染或其他影响的问题，成本低廉且可维护性好，因而水压人工肌肉特别适用于水下作业机械手的关节驱动与控制。但是由于水压人工肌肉与气动人工肌肉传动介质不同，水不像空气那样容易压缩，使水压人工肌肉在驱动与控制上与气动人工肌肉存在差异。气动人工肌肉的动态过程分为“等容充气”、“充气收缩”、“排气伸长”和“等容排气”4个过程；而水压人工肌肉的动态过程则由于水的不可压缩性而减少为“充水收缩”和“排水伸长”两个过程。这一方面说明水压人工肌肉的动态响应更快，控制刚度更大，另一方面也表明水压人工肌肉的压力流量耦合特性强，为其驱动和控制带来更大难度。气动人工肌肉一般通过减压阀或其他节流控制回路改变充排气速率，来调节肌肉压力。现有的水液压比例减压阀尚不能适应水压人工肌肉流量小而变化快的特点，水压人工肌肉也很难直接通过节流控制调节压力。正是因为水压人工肌肉对压力调节过程要求比气动人工肌肉更高，按现有气动人工肌肉驱动和控制系统原理无法满足水压人工肌肉工作要求，目前也没有适应水压人工肌肉工作要求的驱动与控制系统，所以需要研制新型的液压驱动与控制系统来实现驱动器输出力和位移的控制。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能够驱动水压人工肌肉工作，并连续、平稳控制水压人工肌肉输出力和位移的液压驱动与控制系统。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，包括电机、水液压泵、水箱、过滤器、溢流阀、单向阀、常开式比例节流控制阀、节流阀和水压人工肌肉驱动器；所述的电机与水液压泵连接，所述的水液压泵的入口通过过滤器与水箱连接，水液压泵的出口分别连接溢流阀和单向阀的入口，所述的单向阀的出口与节流阀连接，所述的节流阀分别与常开式比例节流控制阀和水压人工肌肉驱动器连接，所述的溢流阀的出口和常开式比例节流控制阀分别连接水箱；所述的节流阀与常开式比例节流控制阀组成B型半桥，所述的B型半桥是固定液阻在前、可变液阻在后的液压半桥。

本发明工作时，调定的节流阀作为固定液阻，调节常开式比例节流控制阀由全开到全闭，可以控制两阀之间连接的水压人工肌肉驱动器的压力由低到高，最高压力由溢流阀限定，最低压力为回流到水箱的背压。所述调定的节流阀指的是该节流阀经过初始化调节后不再改变其液阻；所述背压是液压传动中用来指负载后到水箱或油箱的一段的管路、阀件等造成的压力损失。

本发明的另一个技术方案如下：一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，包括电机、水液压泵、水箱、过滤器、溢流阀、单向阀、常闭式比例节流控制阀、节流阀和水压人工肌肉驱动器；所述的电机与水液压泵连接，所述的水液压泵的入口通过过滤器与水箱连接，水液压泵的出口分别连接溢流阀和单向阀的入口，所述的单向阀的出口与常闭式比例节流控制阀连接，所述的常闭式比例节流控制阀分别与节流阀和水压人工肌肉驱动器连接，所述的溢流阀的出口和节流阀分别连接水箱；所述的节流阀与常闭式比例节流控制阀组成C型半桥，所述的C型半桥是可变液阻在前固定液阻在后的液压半桥。

本发明工作时，调定的节流阀作为固定液阻，调节常闭式比例节流控制阀由全闭到全开，可以控制两阀之间连接的水压人工肌肉驱动器的压力由低到高，在调定的节流阀液阻满足流经溢流阀的流量大于溢流阀最小工作流量的条件下，最高压力由溢流阀限定，最低压力接近于零。

本发明所述的水箱用水下环境代替。

本发明工作时，过滤器与进水口连接，溢流阀的出口和节流阀均接通出水口。水液压泵经过滤器、进水口从水下环境中获取水介质，流经溢流阀和节流阀的水再排放到水下环境中，省去了水箱，实现了压力自动补偿，也通过节流阀实现了水压人工肌肉驱动器的自动压力平衡。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过比例节流控制阀与调定的节流阀组成的桥路，由比例节流控制阀调节驱动水压人工肌肉驱动器的压力，实现水压人工肌肉驱动器输出力和位移的控制，适用于水压人工肌肉驱动的机械关节控制。

2、本发明采用比例节流控制阀与调定的节流阀组成的液压半桥控制水压人工肌肉的驱动压力，降低了水液压元件性能要求，不需要安装比例减压阀，压力调节稳定、范围宽且线性度好。

3、本发明利用液压半桥调节水压人工肌肉压力，水压人工肌肉的进排水都由节流阀和比例节流控制阀之间的连接点提供，无需单独设置进水和排水回路，结构简单紧凑。

4、本发明的液压半桥和水压人工肌肉驱动器工作流量小，可选用小流量阀件和泵源，系统成本低，抗污染能力强，可维护性好。

5、本发明采用C型半桥的液压控制系统，调定的节流阀可作为连接水下环境的压力平衡液阻，能够有效补偿和平衡水深压力变化。

附图说明

本发明共有附图3张，其中：

图1是水压人工肌肉液压驱动与控制系统的第一个实施例（采用B型半桥）；

图2是水压人工肌肉液压驱动与控制系统的第二个实施例（采用C型半桥）；

图3是水压人工肌肉液压驱动与控制系统的第三个实施例（省去水箱）。

图中：1.水箱，2.过滤器，3.电机，4.水液压泵，5.溢流阀，6.单向阀，7.常开式比例节流控制阀，8.节流阀，9.水压人工肌肉驱动器，10.常闭式比例节流控制阀，11.进水口，12.出水口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。

实施例1

一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，包括电机3、水液压泵4、水箱1、过滤器2、溢流阀5、单向阀6、常开式比例节流控制阀7、节流阀8和水压人工肌肉驱动器9；所述的电机3与水液压泵4连接，所述的水液压泵4的入口通过过滤器2与水箱1连接，水液压泵4的出口分别连接溢流阀5和单向阀6的入口，所述的单向阀6的出口与节流阀8连接，所述的节流阀8分别与常开式比例节流控制阀7和水压人工肌肉驱动器9连接，所述的溢流阀5的出口和常开式比例节流控制阀7分别连接水箱1；所述的节流阀8与常开式比例节流控制阀7组成B型半桥，所述的B型半桥是固定液阻在前、可变液阻在后的液压半桥。

本发明工作时，调定的节流阀8作为固定液阻，调节常开式比例节流控制阀7由全开到全闭，可以控制两阀之间连接的水压人工肌肉驱动器9的压力由低到高，最高压力由溢流阀5限定，最低压力为回流到水箱1的背压。所述调定的节流阀8指的是该节流阀8经过初始化调节后不再改变其液阻；所述背压是液压传动中用来指负载后到水箱1或油箱的一段的管路、阀件等造成的压力损失。

实施例2

一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，包括电机3、水液压泵4、水箱1、过滤器2、溢流阀5、单向阀6、常闭式比例节流控制阀10、节流阀8和水压人工肌肉驱动器9；所述的电机3与水液压泵4连接，所述的水液压泵4的入口通过过滤器2与水箱1连接，水液压泵4的出口分别连接溢流阀5和单向阀6的入口，所述的单向阀6的出口与常闭式比例节流控制阀10连接，所述的常闭式比例节流控制阀10分别与节流阀8和水压人工肌肉驱动器9连接，所述的溢流阀5的出口和节流阀8分别连接水箱1；所述的节流阀8与常闭式比例节流控制阀10组成C型半桥，所述的C型半桥是可变液阻在前固定液阻在后的液压半桥。

本发明工作时，调定的节流阀8作为固定液阻，调节常闭式比例节流控制阀10由全闭到全开，可以控制两阀之间连接的水压人工肌肉驱动器9的压力由低到高，在调定的节流阀8液阻满足流经溢流阀5的流量大于溢流阀5最小工作流量的条件下，最高压力由溢流阀5限定，最低压力接近于零。

实施例3

本发明的水箱1用水下环境代替。

本发明工作时，过滤器2与进水口11连接，溢流阀5的出口和节流阀8均接通出水口12。水液压泵4经过滤器2、进水口11从水下环境中获取水介质，流经溢流阀5和节流阀8的水再排放到水下环境中，省去了水箱1，实现了压力自动补偿，也通过节流阀8实现了水压人工肌肉驱动器9的自动压力平衡。因此适合应用于水下或海底作业机械。

总之，本发明的水压人工肌肉液压驱动与控制系统具有结构简单、压力调节稳定、工作范围宽且线性度好的优点，适合于系列化和模块化生产。本发明的液压半桥和水压人工肌肉驱动器工作流量小，可选用小流量阀件和泵源，成本低，抗污染能力强，可维护性好。采用C型半桥的液压控制系统，调定的节流阀可作为连接水下环境的压力平衡液阻，能够有效补偿和平衡水深压力变化。通过将泵、阀、过滤器、管路等更换为海水液压元件和防锈材料，适合海洋深水作业机械手等装备应用。

Claims (3)

1.一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，其特征在于：包括电机（3）、水液压泵（4）、水箱（1）、过滤器（2）、溢流阀（5）、单向阀（6）、常开式比例节流控制阀（7）、节流阀（8）和水压人工肌肉驱动器（9）；所述的电机（3）与水液压泵（4）连接，所述的水液压泵（4）的入口通过过滤器（2）与水箱（1）连接，水液压泵（4）的出口分别连接溢流阀（5）和单向阀（6）的入口，所述的单向阀（6）的出口与节流阀（8）连接，所述的节流阀（8）分别与常开式比例节流控制阀（7）和水压人工肌肉驱动器（9）连接，所述的溢流阀（5）的出口和常开式比例节流控制阀（7）分别连接水箱（1）；所述的节流阀（8）与常开式比例节流控制阀（7）组成B型半桥，所述的B型半桥是固定液阻在前、可变液阻在后的液压半桥。

2.一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，其特征在于：包括电机（3）、水液压泵（4）、水箱（1）、过滤器（2）、溢流阀（5）、单向阀（6）、常闭式比例节流控制阀（10）、节流阀（8）和水压人工肌肉驱动器（9）；所述的电机（3）与水液压泵（4）连接，所述的水液压泵（4）的入口通过过滤器（2）与水箱（1）连接，水液压泵（4）的出口分别连接溢流阀（5）和单向阀（6）的入口，所述的单向阀（6）的出口与常闭式比例节流控制阀（10）连接，所述的常闭式比例节流控制阀（10）分别与节流阀（8）和水压人工肌肉驱动器（9）连接，所述的溢流阀（5）的出口和节流阀（8）分别连接水箱（1）；所述的节流阀（8）与常闭式比例节流控制阀（10）组成C型半桥，所述的C型半桥是可变液阻在前固定液阻在后的液压半桥。

3.根据权利要求1或2所述的一种水压人工肌肉液压驱动与控制系统，其特征在于：所述的水箱（1）用水下环境代替。

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