CN110202608B - 一种机器人关节用电静压作动器 - Google Patents

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Abstract

一种机器人关节用高紧凑电静压作动器，包括集成壳体、膝关节部位连接块、髋关节部位连接块、电机泵组件、作动筒组件、液压附件；膝关节部位连接块及髋关节部位连接块分别安装在集成壳体的两端，膝关节部位连接块设置有膝关节部位连接口，髋关节部位连接块上设置有髋关节部位连接口；电机泵组件、作动筒组件安装在集成壳体内，液压附件安装在髋关节部位连接块中；电机泵组件为作动筒组件的运动提供动力，作动筒组件通过活塞杆伸缩、连杆的带动使得膝关节部件运动。本发明同时采用集成液压、机电优势，将伺服电机、液压泵同轴串联，作动器与电机泵平行并联布局，与关节部位支撑结构一体化，直接作为股关节部位使用，整个结构高度集成紧凑。

Description

一种机器人关节用电静压作动器
技术领域
本发明涉及一种电静压作动器，属于机械领域。
背景技术
随着外骨骼助力机器人在物流、医疗、军事等领域的推广应用，结构精巧、控制稳定、可靠性高、维护方便的执行机构是未来的发展趋势。
现有外骨骼机器人关节执行机构主要为气动、液压、机电等方案，作动筒仅作为关节运动的执行机构，需要辅助一定的能源装置。气动或液压能源装置与执行作动筒多采用分体式安装结构，中间需要气管或油管连接，机电电机动力源虽可以与执行机构集成在一起，但一般不作为承力部件。现有执行机构一般不作为关节部位的一部分，增加了机器人设备的安装空间及整体重量。
同时，气动执行机构因气体密度变动大造成传动平稳性差、精度较低；传统液压执行机构存在伺服阀喷挡板堵塞风险，且工作效率低，发热严重；机电执行机构因刚性传动，抗负载冲击能力差，且存在传动部位易卡死的故障风险。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种机器人关节用高紧凑电静压作动器，与关节部位支撑结构一体化，直接作为股关节部位使用。同时采用集成液压、机电优势，将伺服电机、液压泵同轴串联，作动筒与电机泵平行并联布局，整个结构高度集成紧凑，进一步减小了安装空间及整体重量。
本发明所采用的技术方案是：一种机器人关节用高紧凑电静压作动器，包括集成壳体、膝关节部位连接块、髋关节部位连接块、电机泵组件、作动筒组件、液压附件；膝关节部位连接块及髋关节部位连接块分别安装在集成壳体的两端，膝关节部位连接块上设置有膝关节部位连接口，髋关节部位连接块上设置有髋关节部位连接口；电机泵组件、作动筒组件安装在集成壳体内，液压附件安装在髋关节部位连接块中；电机泵组件为作动筒组件的运动提供动力，作动筒组件通过活塞杆伸缩、连杆的带动使得膝关节部件运动。
集成壳体内部包括电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔；电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔均沿集成壳体的纵向且相互平行；电机泵组件安装腔内设置环形的轴承安装座；作动筒组件安装腔内设置环形挡块，将作动筒组件安装腔分为左右两腔。
电机泵组件包括：耐压插座、液压泵转接套、液压泵泵芯、第一轴承、电机泵轴、电机绕组、第二轴承、旋转变压器、端盖；
电机绕组的定子部分镶嵌固定在电机泵组件安装腔内；电机绕组的转子部分安装在电机泵轴中部，第一轴承、第二轴承分别安装在电机泵轴两端；电机绕组的转子、电机泵轴和第一轴承、第二轴承的组合体安装在电机泵组件安装腔内，第一轴承固定在电机泵组件安装腔内的轴承安装孔处，第二轴承固定在膝关节部位连接块内的轴承安装孔上；液压泵泵芯通过花键固定安装在电机泵轴的轴端且靠近第一轴承；液压泵转接套一端插入电机泵组件安装腔的端口内，压紧液压泵泵芯，液压泵转接套另一端嵌套在髋关节部位连接块上；旋转变压器位于在膝关节部位连接块内部，安装在电机泵轴的轴端且靠近第二轴承；端盖安装在膝关节部位连接块上的旋转变压器安装腔的端口；耐压插座安装在膝关节部位连接块上，电机绕组的定子部分、旋转变压器的导线分别与耐压插座连接。
液压泵转接套外壁与电机泵组件安装腔内壁之间通过密封圈密封；液压泵转接套外壁与髋关节部位连接块之间通过密封圈密封。
作动筒组件包括：支耳、活塞杆、导向端盖；活塞杆为空心结构，安装在集成壳体的作动筒组件安装腔内，与电机泵轴平行；导向端盖套在活塞杆上，安装在作动筒组件安装腔端口，并通过螺钉固定在集成壳体上；支耳通过螺纹安装在活塞杆端部，支耳上设置连杆连接口。
活塞杆与作动筒组件安装腔中环形挡块贴合并通过密封圈密封；活塞外壁的中部设置环形凸起结构，环形凸起结构与作动筒组件安装腔的左腔内壁配合，并通过密封圈密封。
导向端盖为回转体，纵截面为T形，中心开有通孔，导向端盖外壁与作动筒组件安装腔内壁之间通过密封圈密封；导向端盖内壁与活塞杆外壁之间通过密封圈密封。
液压附件包括：增压油箱、压力传感器、加注活门；增压油箱、压力传感器、加注活门分别安装在髋关节部位连接块上，压力传感器测量作动筒活塞杆中部的环形凸起结构两侧的腔体的压力；增压油箱为液压泵泵芯提供背压，补充系统内泄，并防止气体进入所述电静压作动器内。
膝关节部位连接块插入电机泵组件安装腔端口的部分与电机泵组件安装腔内壁之间安装密封圈。
端盖与膝关节部位连接块内壁之间安装密封圈。耐压插座接线柱侧外壁与膝关节部位连接块的耐压插座安装孔内壁之间安装密封圈。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的电静压作动器与关节部位支撑结构一体化设计，单独作为股关节部位，是整体设计理念的提升，作动器既作为关节部位结构又作动执行机构，是较为新颖且先进的设计方案；同时，电机泵组件与作动筒组件共壳一体化设计，结构高度集成一体化，外形极其紧凑，大大减少了作动器重量，减少了安装空间；
(2)本发明采用电机泵整体浸油工作，消除了传统液压结构的旋转密封，取消了能源部件与执行部件间的管道连接，提高了密封可靠性；同时，采用泵控方案，消除了传统阀控方案伺服阀易污染堵塞的风险；
(3)本发明集成了传统液压作动器与机电作动器的优势，保留了液压输出力大、缓振优异的特点；负载流量按需分配，系统发热小，同样保留了机电作动器效率高、维护便利性的优点，是外骨骼机器人作动器的优选方案。
附图说明
图1是本发明的机器人关节用高紧凑电静压作动器整体安装使用示意图；
图2是本发明的机器人关节用高紧凑电静压作动器液压原理图；
图3是本发明的机器人关节用高紧凑电静压作动器外形示意图；
图4是本发明的机器人关节用高紧凑电静压作动器剖视图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行进一步说明。
如图3、4所示，一种机器人关节用高紧凑电静压作动器23，包括集成壳体1、膝关节部位连接块2、髋关节部位连接块3、电机泵组件、作动筒组件、液压附件；
如图1所示，膝关节部位连接块2及髋关节部位连接块3分别通过螺钉安装在集成壳体1的两端，膝关节部位连接块2上设置有膝关节部位连接口 21，与机器人的膝关节部位19相连，髋关节部位连接块3上设置有髋关节部位连接口22，与机器人的髋关节部位20相连；电机泵组件、作动筒组件安装在集成壳体1内，液压附件安装在髋关节部位连接块3中；电机泵组件为作动筒组件的运动提供动力，作动筒组件通过活塞杆6伸缩、连杆24的带动使得膝关节部件19运动；
电机泵组件包括：耐压插座4、液压泵转接套11、液压泵泵芯12、第一轴承13、电机泵轴14、电机绕组15、第二轴承16、旋转变压器17、端盖18；
集成壳体1内部包括电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔；电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔均沿集成壳体1的纵向且相互平行；电机泵组件安装腔内设置环形的轴承安装座；作动筒组件安装腔内设置环形挡块，将作动筒组件安装腔分为左右两腔。
电机绕组15的定子部分镶嵌固定在电机泵组件安装腔内；电机绕组15 的转子部分安装在电机泵轴14上，第一轴承13、第二轴承16分别安装在电机泵轴14两端；电机绕组15的转子、电机泵轴14和第一轴承13、第二轴承16的组合体安装在电机泵组件安装腔内，第一轴承13固定在电机泵组件安装腔内的轴承安装孔上，第二轴承16固定在膝关节部位连接块2内的轴承安装孔上；液压泵泵芯12通过花键固定安装在电机泵轴14的轴端且靠近第一轴承13；液压泵转接套11一端插入电机泵组件安装腔的端口内，压紧液压泵泵芯12，液压泵转接套11另一端嵌套在髋关节部位连接块3上；旋转变压器17安装在膝关节部位连接块2内部，安装在电机泵轴14的轴端且靠近第二轴承16；端盖18安装在膝关节部位连接块2上的旋转变压器17 安装腔的端口；耐压插座4安装在膝关节部位连接块2上，电机绕组15的定子部分、旋转变压器17的导线分别与耐压插座4连接；
作动筒组件包括：支耳5、活塞杆6、导向端盖7；活塞杆6为空心结构，安装在集成壳体1的作动筒组件安装腔内，与电机泵轴14平行；导向端盖7套在活塞杆6上，安装在作动筒组件安装腔端口，并通过螺钉固定在集成壳体1上；支耳5通过螺纹安装在活塞杆6端部，支耳5上设置连杆连接口25；活塞杆6与作动筒组件安装腔中环形挡块贴合并通过密封圈密封；活塞6外壁的中部设置环形凸起结构，环形凸起结构与作动筒组件安装腔的左腔内壁配合，并通过密封圈密封。导向端盖7为回转体，纵截面为T形，中心开有通孔，导向端盖7外壁与作动筒组件安装腔内壁之间通过密封圈密封；导向端盖7内壁与活塞杆6外壁之间通过密封圈密封。
液压附件包括：增压油箱8、压力传感器9、加注活门10；增压油箱8、压力传感器9、加注活门10分别安装在髋关节部位连接块3上。压力传感器9测量作动筒活塞杆6中部的环形凸起结构两侧的腔体的压力；增压油箱 8为液压泵泵芯12提供背压，补充系统内泄，并防止气体进入所述电静压作动器内。
各连接处均有密封部件防止液压介质外流。膝关节部位连接块2与集成壳体1连接时通过O型密封圈实现密封；髋关节部位连接块3与集成壳体1 连接时分别通过液压泵转接套11上放置的O型密封圈实现密封；耐压插座 4与膝关节部位连接块2连接时通过O型密封圈实现密封；端盖18与膝关节部位连接块2连接时通过O型密封圈实现密封；活塞杆6与集成壳体1、端盖7分别通过复合密封圈实现密封；端盖7与集成壳体1通过O型密封圈实现密封；
电静压作动器(Electro-hydrostatic Actuator，EHA，“电静压”为其英文直译)采用“伺服电机+双向定量泵+液压作动器”的技术途径，伺服电机+双向定量泵组成电静压的核心控制元件，简称“电机泵”，工作时，电机泵提供作动器的负载流量，通过调节转向、转速来改变系统流量的流向和大小，实现对作动器活塞杆伸缩和速度的控制。其工作原理可见附图2。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (10)

1.一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于，包括集成壳体(1)、膝关节部位连接块(2)、髋关节部位连接块(3)、电机泵组件、作动筒组件、液压附件；膝关节部位连接块(2)及髋关节部位连接块(3)分别安装在集成壳体(1)的两端，膝关节部位连接块(2)上设置有膝关节部位连接口(21)，髋关节部位连接块(3)上设置有髋关节部位连接口(22)；电机泵组件、作动筒组件安装在集成壳体(1)内，液压附件安装在髋关节部位连接块(3)中；电机泵组件为作动筒组件的运动提供动力，作动筒组件通过活塞杆(6)伸缩、连杆(24)的带动使得膝关节部件(19)运动。
2.根据权利要求1所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：集成壳体(1)内部包括电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔；电机泵组件安装腔、作动筒组件安装腔均沿集成壳体(1)的纵向且相互平行；电机泵组件安装腔内设置环形的轴承安装座；作动筒组件安装腔内设置环形挡块，将作动筒组件安装腔分为左右两腔。
3.根据权利要求2所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：电机泵组件包括：耐压插座(4)、液压泵转接套(11)、液压泵泵芯(12)、第一轴承(13)、电机泵轴(14)、电机绕组(15)、第二轴承(16)、旋转变压器(17)、端盖(18)；
电机绕组(15)的定子部分镶嵌固定在电机泵组件安装腔内；电机绕组(15)的转子部分安装在电机泵轴(14)中部，第一轴承(13)、第二轴承(16)分别安装在电机泵轴(14)两端；电机绕组(15)的转子、电机泵轴(14)和第一轴承(13)、第二轴承(16)的组合体安装在电机泵组件安装腔内，第一轴承(13)固定在电机泵组件安装腔内的轴承安装孔处，第二轴承(16)固定在膝关节部位连接块(2)内的轴承安装孔上；液压泵泵芯(12)通过花键固定安装在电机泵轴(14)的轴端且靠近第一轴承(13)；液压泵转接套(11)一端插入电机泵组件安装腔的端口内，压紧液压泵泵芯(12)，液压泵转接套(11)另一端嵌套在髋关节部位连接块(3)上；旋转变压器(17)位于在膝关节部位连接块(2)内部，安装在电机泵轴(14)的轴端且靠近第二轴承(16)；端盖(18)安装在膝关节部位连接块(2)上的旋转变压器(17)安装腔的端口；耐压插座(4)安装在膝关节部位连接块(2)上，电机绕组(15)的定子部分、旋转变压器(17)的导线分别与耐压插座(4)连接。
4.根据权利要求3所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：液压泵转接套(11)外壁与电机泵组件安装腔内壁之间通过密封圈密封；液压泵转接套(11)外壁与髋关节部位连接块(3)之间通过密封圈密封。
5.根据权利要求3所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：作动筒组件包括：支耳(5)、活塞杆(6)、导向端盖(7)；活塞杆(6)为空心结构，安装在集成壳体(1)的作动筒组件安装腔内，与电机泵轴(14)平行；导向端盖(7)套在活塞杆(6)上，安装在作动筒组件安装腔端口，并通过螺钉固定在集成壳体(1)上；支耳(5)通过螺纹安装在活塞杆(6)端部，支耳(5)上设置连杆连接口(25)。
6.根据权利要求5所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：活塞杆(6)与作动筒组件安装腔中环形挡块贴合并通过密封圈密封；活塞(6)外壁的中部设置环形凸起结构，环形凸起结构与作动筒组件安装腔的左腔内壁配合，并通过密封圈密封。
7.根据权利要求5所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：导向端盖(7)为回转体，纵截面为T形，中心开有通孔，导向端盖(7)外壁与作动筒组件安装腔内壁之间通过密封圈密封；导向端盖(7)内壁与活塞杆(6)外壁之间通过密封圈密封。
8.根据权利要求6所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：液压附件包括：增压油箱(8)、压力传感器(9)、加注活门(10)；增压油箱(8)、压力传感器(9)、加注活门(10)分别安装在髋关节部位连接块(3)上，压力传感器(9)测量作动筒活塞杆(6)中部的环形凸起结构两侧的腔体的压力；增压油箱(8)为液压泵泵芯(12)提供背压，并防止气体进入所述电静压作动器内。
9.根据权利要求2所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：膝关节部位连接块(2)插入电机泵组件安装腔端口的部分与电机泵组件安装腔内壁之间安装密封圈。
10.根据权利要求3所述的一种机器人关节用电静压作动器，其特征在于：端盖(18)与膝关节部位连接块(2)内壁之间安装密封圈；耐压插座(4)接线柱侧外壁与膝关节部位连接块(2)的耐压插座(4)安装孔内壁之间安装密封圈。
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