CN103807249A - 机器人仿生液压系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人仿生液压系统，该系统包括液压供油循环系统、数个仿生执行单元及CPU中央控制器，数个仿生执行单元连接于液压供油循环系统上，CPU中央控制器连接并控制液压供油循环系统；仿生执行单元由微型电液泵、液压肌肉、三位四通换向阀、骨骼蓄能器构成。本发明根据机器人的实际需求，接入仿生执行单元，每个仿生执行单元对应驱动机器人肢体的一个运动关节控制和完成机器人的各种肢体动作，如行走、奔跑、跳跃或跌落，使机器人的肢体运动能模拟人体或动物肌体运动且具有生物力学特性。

Description

机器人仿生液压系统

技术领域

本发明涉及仿生液压技术领域，用于模拟人体或动物肌肉的具有生物力学特性、以液压为驱动源的机器人，尤其是一种机器人仿生液压系统。

背景技术

目前世界上越来越多的仿生多足行走机器人设计中使用到了液压系统，这是因为液压传动本身的技术优势：通过非刚性连接远距离传送驱动力，力大且耐用。但是，目前使用液压系统驱动的仿生多足行走机器人无论其稳态控制、步态控制、机身仿生结构设计及智能控制系统有多先进，但其用来进行肢体动作驱动的液压系统的设计仍然是基于传统液压驱动系统的构造形态：中央液压泵站+多级液压伺服阀和比例阀+中央大油箱（可呼吸式）+ 庞杂的高压管路+活塞式（或柱塞式）液压缸。虽然就目前来看液压驱动本身的优势仍然有效，但传统液压系统的构造形态已经面临满足仿生机器人的进一步提升而有着显而易见的瓶颈：1）中央液压站：脆弱且能耗大，但进行冗余或者防护处理的代价大，一旦中央液压站受损则整体瘫痪；2）使用伺服阀和比例阀成本高，且运行条件高（油液洁净度要求高或极高）会导致高失效率和高维护要求，而且伺服阀的设计原理决定了来自中央液压泵的相当多的液压能量将被旁路或溢流，以实现精准流量或压力控制去完成机器人肢体动作，这些能量实际上是被浪费掉的；3）高压油管遍布，多且长，管阻导致的沿程损失大，其结果是实现快速动作的瓶颈明显，且能耗浪费高；而且由于是高压油管，其弯曲半径和布局方式要求都会很大程度的给机器人设计带来额外的难度；其在实际工况中爆裂的几率也越大；4）使用活塞式或柱塞式液压缸做动作执行器，其局限性不仅在于获得高速移动性能所付出的代价高，更多表现在其柔性差，这对实现仿生机器人的高速奔跑和跳跃动作很不利。

虽然目前有一些在世界上顶尖的仿生多足行走机器人在台架试验上表现出色，但如果不采用新的思路从根本上消除传统液压系统及元件的这些障碍，那么为了实现这些优异的功能和性能，所付出的能量消耗、制造成本和使用成本代价导致这些机器人在野外生存能力和活动能力是达不到人们所期望的目标的。本发明的目的即是对传统液压系统在基础形态构造层面进行仿生改造使之适应仿生机器人的实际运行需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种机器人仿生液压系统，本发明采用仿生执行单元驱动多足仿生机器人的运动关节，用于控制和完成机器人的各种肢体动作，使机器人的肢体运动能模拟人体或动物肌体的运动，具有生物力学特性。本发明在基础形态构造层面进行仿生改造使之适应仿生机器人的实际运行需要。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种机器人仿生液压系统，特点是该系统包括液压供油循环系统、数个仿生执行单元及CPU中央控制器，所述数个仿生执行单元连接于液压供油循环系统上，CPU中央控制器连接并控制液压供油循环系统；其中：

所述液压供油循环系统包括输油泵、油路、过滤器、温度调节器、静电净油器及数个仿生执行单元接入点，所述油路从输油泵的输出端依次连接过滤器、仿生执行单元接入点、温度调节器、静电净油器及输油泵的输入端，构成液压回路；

所述仿生执行单元由微型电液泵、液压肌肉、三位四通换向阀、骨骼蓄能器构成，其中，液压肌肉对称设置，其上设有高压油口；骨骼蓄能器上设有接口阀及压力传感器，接口阀上设有第一电磁开关及第二电磁开关；微型电液泵设有第一输出端、第二输出端及输入端；三位四通换向阀设有第一接口、第二接口、第三接口及第四接口；所述微型电液泵的第一输出端及骨骼蓄能器上的第二电磁开关与三位四通换向阀的第一接口连接， 微型电液泵的第二输出端与骨骼蓄能器上的第一电磁开关连接，对称设置的液压肌肉经高压油口分别与三位四通换向阀的第三接口及第四接口连接。

所述数个仿生执行单元通过微型电液泵的输入端及三位四通换向阀的第二接口依次与液压系统的仿生执行单元接入点连接。

所述CPU中央处理器分别与输油泵、温度调节器、静电净油器、仿生执行单元内的微型电液泵、三位四通换向阀及骨骼蓄能器的接口阀电连接。

所述液压肌肉包括弹性胶囊、高压油口及安装耳环，高压油口设于安装耳环上，并与弹性胶囊的内部连通，所述弹性胶囊为多层结构的弹性密闭体。

所述骨骼蓄能器由袋状容器及气囊组成，气囊为数个，设于袋状容器内，气囊上设有充气阀，充气阀伸出袋状容器。

所述输油泵及微型电液泵上分别设有速度传感器，速度传感器与CPU中央处理器电连接。

所述仿生执行单元的骨骼蓄能器上设有压力传感器，压力传感器与CPU中央处理器电连接。

所述温度调节器及静电净油器上分别设有温度传感器，温度传感器与CPU中央处理器电连接。

本发明在基础形态构造层面进行仿生改造使之适应仿生机器人的实际运行需要。采用仿生执行单元驱动多足仿生机器人的运动关节，用于控制和完成机器人的各种肢体动作，使机器人的肢体运动能模拟人体或动物肌体的运动，具有生物力学特性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明仿生执行单元的结构示意图；

图3为本发明仿生执行单元的液压原理图；

图4为仿生执行单元骨骼蓄能器的结构示意图；

图5、图6为仿生执行单元用于运动关节的使用状态图；

图7为本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

参阅图1，本发明包括液压供油循环系统1、数个仿生执行单元2及CPU中央控制器9，所述数个仿生执行单元2连接于液压供油循环系统1上，CPU中央控制器9连接并控制液压供油循环系统1；其中：

所述液压供油循环系统1包括输油泵11、油路12、过滤器16、温度调节器17、静电净油器18及数个仿生执行单元接入点21，所述油路12从输油泵11的输出端依次连接过滤器16、仿生执行单元接入点21、温度调节器17、静电净油器18及输油泵11的输入端，构成液压回路。输油泵11及微型电液泵3上分别设有速度传感器91，速度传感器91与CPU中央处理器9电连接。温度调节器17及静电净油器18上分别设有温度传感器93，温度传感器93与CPU中央处理器9电连接。

参阅图2-3，本发明的仿生执行单元2由微型电液泵3、液压肌肉4、三位四通换向阀41、骨骼蓄能器5构成，其中，液压肌肉4对称设置，其上设有高压油口42；骨骼蓄能器5上设有接口阀51及压力传感器92，接口阀51上设有第一电磁开关511及第二电磁开关512；微型电液泵3设有第一输出端31、第二输出端32及输入端33；三位四通换向阀41设有第一接口411、第二接口412、第三接口413及第四接口414；所述微型电液泵3的第一输出端31及骨骼蓄能器5上的第二电磁开关512与三位四通换向阀41的第一接口411连接， 微型电液泵3的第二输出端32与骨骼蓄能器5上的第一电磁开关511连接，对称设置的液压肌肉4经高压油口42分别与三位四通换向阀41的第三接口413及第四接口414连接。

仿生执行单元2的骨骼蓄能器5上设有压力传感器92，压力传感器92与CPU中央处理器9电连接。

参阅图1-3，所本发明的数个仿生执行单元2通过微型电液泵3的输入端33及三位四通换向阀41的第二接口412依次与液压系统1的仿生执行单元接入点21连接。

所述CPU中央处理器9分别与输油泵11、温度调节器17、静电净油器18、仿生执行单元2内的微型电液泵3、三位四通换向阀41及骨骼蓄能器5的接口阀51电连接。

参阅图2，本发明的液压肌肉4包括弹性胶囊、高压油口42及安装耳环43，高压油口42设于安装耳环43上，并与弹性胶囊的内部连通，弹性胶囊为多层结构的弹性密闭体。

参阅图4，本发明的骨骼蓄能器5由袋状容器54及气囊53组成，气囊53为数个，设于袋状容器54内，气囊53上设有充气阀55，充气阀55伸出袋状容器54。

实施例

本发明是以液压为驱动源的机器人的驱动系统，用于控制和完成机器人的各种肢体动作，诸如行走、奔跑、跳跃或跌落等，使机器人的肢体运动能模拟人体或动物肌体运动且具有生物力学特性。

本发明技术方案的构成包括液压供油循环系统1、数个仿生执行单元2及CPU中央控制器9。

本发明液压供油循环系统1包括输油泵11、油路12、过滤器16、温度调节器17、静电净油器18及仿生执行单元接入点21，所述油路12从输油泵11的输出端依次连接过滤器16、仿生执行单元接入点21、温度调节器17、静电净油器18到输油泵11的输入端构成液压系统的回路，通过输油泵11在整个液压系统1的回路中建立起一个有压循环系统，其压力值为0.2～0.4MPa，在液压供油循环系统1设置数个仿生执行单元接入点21。

本发明通过CPU中央控制器9设定智能控制程序，以设定机器人的基础步态，控制机器人肢体的每一个运动关节，并通过各个部位的执行情况及传感器监测到的反馈信号指令程序的继续执行、停止或切换，使机器人完成各种设定的肢体动作。

其中，CPU中央控制器9通过输油泵11上的速度传感器91控制液压供油循环系统1的工作压力，通过微型电液泵3的速度传感器91控制仿生执行单元2的工作压力；CPU中央控制器9通过温度调节器17及静电净油器18上的温度传感器93控制液压系统1的工作温度；CPU中央控制器9通过骨骼蓄能器5上的压力传感器92控制骨骼蓄能器5的工作压力。

根据机器人的实际需求，在仿生执行单元接入点21接入仿生执行单元2，每个仿生执行单元2对应驱动机器人肢体的一个运动关节；

本发明仿生执行单元2为数个，根据机器人的实际需要求，在仿生执行单元接入点21依次接入仿生执行单元2，仿生执行单元2通过微型电液泵3的输入端33及三位四通换向阀41的第二接口412依次与液压供油循环系统1的仿生执行单元接入点21连接；每个仿生执行单元2对应驱动机器人一个运动关节所连接的两运动臂7；两件液压肌肉4分设于运动关节内外两侧的两运动臂7上，通过安装耳环43分别与两运动臂7连接；将多个仿生执行单元2分别对应设置在机器人的各个运动关节上，通过CPU中央处理器9给多个驱动单元发出控制指令，即可完成机器人的各种肢体运动。

下面以一个仿生执行单元2对应驱动机器人的一个运动关节的两运动臂7为例，对本发明仿生执行单元2的工作过程作如下说明：

a)、液压肌肉的工作过程 

参阅图2、图3及图5，当机器人的肢体执行行走运动时，在CPU中央处理器9的指令下，通过速度传感器91驱动微型电液泵3工作，微型电液泵3通过第一输出端31经三位四通换向阀41的第一接口411及第四接口414向设于运动关节内侧的一个液压肌肉4加压，使之产生收缩的动作，同时，运动关节外侧的一个液压肌肉4受到挤压，在挤压力的作用下，压力油经三位四通换向阀41的第三接口413及第二接口412通过仿生执行单元接入点21回流到液压供油循环系统1，此时，机器人运动关节的两运动臂7收拢，到达设定位置后，CPU中央处理器9控制三位四通换向阀41换向，此时，液压肌肉4的动作反向，即运动关节外侧的一个液压肌肉4加压，机器人运动关节两运动臂7张开，机器人执行并完成行走运动。

微型电液泵3中的电机将使用一个伺服电机或变频电机，可以通过CPU中央处理9来控制器转速，从而来控制泵的输出流量大小，继而实现液压肌肉4收缩的速度的大小，结合三位四通换向阀41换向频率的变化（通过CPU中央处理9来控制），最终能够实现行走速度的快慢变化。

b)、骨骼蓄能器的工作过程

参阅图2-5，当机器人的肢体执行具有冲击性的运动时，例如，跳跃或跌落时，仅以跳跃为例，此时，机器人在离开地面的瞬间运动关节的两运动臂7需迅速张开，以借助地面的反作用力使机器人完成跳跃的动作。

在CPU中央处理器9的指令下，通过骨骼蓄能器5的第二电磁开关512将接口阀51打开，骨骼蓄能器5内储存的压力油瞬间经三位四通换向阀41的第二接口412及第三接口413补充到运动关节外侧的一个液压肌肉4，促使正在张开的机器人两运动臂7瞬间迅速张开，以借助地面的反作用力使机器人完成跳跃的动作。

骨骼蓄能器5的能量释放后在CPU中央处理器9的指令下，骨骼蓄能器5的第一电磁开关511将接口阀51打开，通过速度传感器91驱动微型电液泵3工作，微型电液泵3通过第二输出端32向骨骼蓄能器5的袋状容器54内加压，并压缩袋状容器54内的气囊53，待再次向液压肌肉4释放能量。

Claims (6)

1.一种机器人仿生液压系统，其特征在于该系统包括液压供油循环系统（1）、数个仿生执行单元（2）及CPU中央控制器（9），所述数个仿生执行单元（2）连接于液压供油循环系统（1）上，CPU中央控制器（9）连接并控制液压供油循环系统（1）；其中：

所述液压供油循环系统（1）包括输油泵（11）、油路（12）、过滤器（16）、温度调节器（17）、静电净油器（18）及数个仿生执行单元接入点（21），所述油路（12）从输油泵（11）的输出端依次连接过滤器（16）、仿生执行单元接入点（21）、温度调节器（17）、静电净油器（18）及输油泵（11）的输入端，构成液压回路；

所述仿生执行单元（2）由微型电液泵（3）、液压肌肉（4）、三位四通换向阀（41）、骨骼蓄能器（5）构成，其中，液压肌肉（4）对称设置，其上设有高压油口（42）；骨骼蓄能器（5）上设有接口阀（51）及压力传感器（92），接口阀（51）上设有第一电磁开关（511）及第二电磁开关（512）；微型电液泵（3）设有第一输出端（31）、第二输出端（32）及输入端（33）；三位四通换向阀（41）设有第一接口（411）、第二接口（412）、第三接口（413）及第四接口（414）；所述微型电液泵（3）的第一输出端（31）及骨骼蓄能器（5）上的第二电磁开关（512）与三位四通换向阀（41）的第一接口（411）连接， 微型电液泵（3）的第二输出端（32）与骨骼蓄能器（5）上的第一电磁开关（511）连接，对称设置的液压肌肉（4）经高压油口（42）分别与三位四通换向阀（41）的第三接口（413）及第四接口（414）连接。

2.根据权利要求1所述的机器人仿生液压系统，其特征在于液压肌肉（4）包括弹性胶囊、高压油口（42）及安装耳环（43），高压油口（42）设于安装耳环（43）上，并与弹性胶囊的内部连通，所述弹性胶囊为多层结构的弹性密闭体。

3.根据权利要求1所述的机器人仿生液压系统，其特征在于所述骨骼蓄能器（5）由袋状容器（54）及气囊（53）组成，气囊（53）为数个，设于袋状容器（54）内，气囊（53）上设有充气阀（55），充气阀（55）伸出袋状容器（54）。

4.根据权利要求1所述的机器人仿生液压系统，其特征在于输油泵（11）及微型电液泵（3）上分别设有流量传感器（91），流量传感器（91）与CPU中央处理器（9）电连接。

5.根据权利要求1或3所述的机器人仿生液压系统，其特征在于仿生执行单元（2）的骨骼蓄能器（5）上设有压力传感器（92），压力传感器（92）与CPU中央处理器（9）电连接。

6.根据权利要求1所述的机器人仿生液压系统，其特征在于温度调节器（17）及静电净油器（18）上分别设有温度传感器（93），温度传感器（93）与CPU中央处理器（9）电连接。

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