CN111810491B - 一种四足机器人液压系统能耗分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，且公开了一种四足机器人液压系统能耗分析方法，包括供电系统、检测系统、液压系统和输入输出机构，所述供电系统与输入输出机构、检测系统、液压系统电连接，通过供电网络提供运行所需要的电量，所述检测系统安装在液压系统上。该四足机器人液压系统能耗分析方法，通过检测系统与输入输出机构的配合安装，使得检测系统采集来的各个驱动单元数据，通过仿真系统模型模拟液压装置的运行过程，从而分析液压系统各驱动单元的能耗对液压系统的影响，了解液压系统的运行效率，将数据分析传网，为大数据分析提供数据支持，并通过显示面板将数据实时显示，当能耗发生变化到一定程度，能够报警提醒维修。

Description

一种四足机器人液压系统能耗分析方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体为一种四足机器人液压系统能耗分析方法。

背景技术

四足机器人相较于轮式、蠕动式等机器人具有机体结构稳定、运动灵活、受地形限制少等优势，在航空航天、抢险救灾等领域具有广泛的应用前景，BigDog、AlphaDog、Chetah等四足机器人已经实现了在野外环境中的自主路径侦测和行走、失稳调节等复杂功能，随着军事、航天等领域研究范围的不断扩大，四足机器人的巨大应用潜力也逐渐受到关注，同时，控制理论、人工智能、加工工艺等技术的不断发展使得四足机器人的性能有了很大提升，但是，目前针对四足机器人的研究主要集中于提高其结构稳定性和控制精度等方面，对液压系统的节能研究几乎空白。

对于液压系统的节能研究，首先需要了解液压系统各个部件在工作过程中的能耗，利用大数据分析研究，透彻了解各部位的能耗，为了更清晰了解液压系统中的能耗准确参数，需要设计一种液压系统能耗分析方法。

发明内容

本发明提供了一种四足机器人液压系统能耗分析方法，具备数据采集更精确、能耗分析更充分的优点，解决了液压系统节能研究较差的问题。

本发明提供如下技术方案：一种四足机器人液压系统能耗分析方法，包括供电系统、检测系统、液压系统和输入输出机构，所述供电系统与输入输出机构、检测系统、液压系统电连接，通过供电网络提供运行所需要的电量，所述检测系统安装在液压系统上，对液压系统的压力、流量、流速全方位监测，所述检测系统与输入输出机构通过通信线连接，检测系统采集的数据转化为电信号通过通信线传输到输入输出机构，液压系统包括定量泵、高低压蓄能器、出口阀和系统管路。

作为优选，所述检测系统包括压力传感器、流量传感器和速度传感器，利用高性能芯片对所需要的参数及时采集。

作为优选，所述输入输出机构安装有AMEsim与MATLAB/Simulink搭建基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统模型，具有联网数据计算以及显示功能，将检测系统采集来的各个驱动单元数据，通过仿真系统模型模拟液压装置的运行过程，从而分析液压系统各驱动单元的能耗对液压系统的影响，了解液压系统的运行效率，将数据分析传网，为大数据分析提供数据支持，并通过显示面板将数据实时显示。

作为优选，所述定量泵出口处配合安装有压力传感器，所述高低压蓄能器出口处配合安装有压力传感器和流量传感器，所述出口阀一侧配合安装有流量传感器，两侧各安装有压力传感器。

作为优选，所述供电系统包括蓄电池，以及电压供给电路，所述输入输出机构与检测系统共用一个蓄电池，液压系统单独供电。

作为优选，包括以下能耗算法步骤：

S1、系统输入总功

由于该系统通过主动开启开关阀的方法避免了系统的溢流损失，因此系统中选用定量泵作为能量供应元件。该定量泵输出总功W_pump为：

W_pump=∫⁸ ₀n·q_pump·p_pump （1）

其中，n为变量泵的转速，q_pump为变量泵的排量，p_pump为变量泵的出口压力，由于基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统采用两级压蓄能器供能，因此定量泵的输出压力一直在变化，根据（1）测算8秒内定量泵输出总功W_pump。

S2、蓄能器未释放能量

蓄能器在工作过程中首先进行了充能至8s，蓄能器中依旧存储有一部分能量，该部分能量将在后续工作中全部输送给液压驱动单元，因此该部分能量应从系统输入总功中扣除。蓄能器中存储的能量W_acc为：

W_acc=∫⁸ ₀q_acc（t）·p_acc（t）dt （2）

其中，q_acc（t）为蓄能器出口流量，p_acc（t）为蓄能器出口压力。

经过计算，仿真结束后高压蓄能器中储存的能量W_hacc；低压蓄能器中储存的能量W_lacc。因此，基于两级供能的四足机器人在8s的仿真过程中实际消耗能量W_all为：

W_all=W_pump-W_hacc-W_lacc （3）

S3、出口阀节流损失

基于两级供能和负载口独立阀控技术的液压驱动单元依靠出口阀的节流作用实现对液压驱动单元的控制。出口阀节流产生的节流损失W_out为：

W_out=∫⁸ ₀q_out（t）·∆p_out（t）dt （4）

其中，q_out（t）为经过出口阀的流量，∆p_out（t）为出口阀两侧的压力差。

因此节流损失占系统总消耗能量的比例为：

N_out=W_out/W_all· 100% （5）

S4、系统有用功

液压泵输出总功为系统输入总功，其功率为系统输入总功率；液压驱动单元中执行器所做的功为系统有用功，其功率为系统有用功功率；系统效率为系统中所有液压驱动单元的有用功功率之和与系统输入总功率之比。液压驱动单元总的有用功功率P_u为：

P_u=∑⁶ _i=1（F_i· V_i） （6）

其中，F_i为第i个液压驱动单元的负载，V_i为第i个液压驱动单元的输出速度。

液压驱动单元总的有用功W_u可表示为：

W_u=∫³ ₀P_u（t）dt （7）

利用液压驱动单元中的流量、压力数据，计算得到系统有用功W_u，因此基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统效率N为：

N=W_u/W_all· 100% （8）

S5、沿程管路损失及其它损失

除去系统中出口阀的节流损失外，由于四足机器人液压系统管路数目很多且连接方式较为复杂，因此系统中还存在一定的沿程管路损失，沿程管路损失功率P₁为：

P₁=λ8lpQ²/π²d⁵ （9）

其中，λ为沿程阻力系数，l为管路长度，p为油液密度，Q为流经管路的油液流量，d为管路内径。

沿程管路损失和其他损失总共占变量泵总功W_pump的9.11%。

本发明具备以下有益效果：

该四足机器人液压系统能耗分析方法，通过检测系统与输入输出机构的配合安装，使得检测系统采集来的各个驱动单元数据，通过仿真系统模型模拟液压装置的运行过程，从而分析液压系统各驱动单元的能耗对液压系统的影响，了解液压系统的运行效率，将数据分析传网，为大数据分析提供数据支持，并通过显示面板将数据实时显示，当能耗发生变化到一定程度，能够报警提醒维修。

附图说明

图1为本发明系统图；

图2为本发明液压系统包含结构系统图；

图3为本发明检测系统包含结构系统图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，一种四足机器人液压系统能耗分析方法，包括供电系统、检测系统、液压系统和输入输出机构，供电系统与输入输出机构、检测系统、液压系统电连接，通过供电网络提供运行所需要的电量，检测系统安装在液压系统上，对液压系统的压力、流量、流速全方位监测，检测系统与输入输出机构通过通信线连接，检测系统采集的数据转化为电信号通过通信线传输到输入输出机构，液压系统包括定量泵、高低压蓄能器、出口阀和系统管路。

其中，检测系统包括压力传感器、流量传感器和速度传感器，利用高性能芯片对所需要的参数及时采集，实时的数据采集，能够准确的反应设备当时工作条件下的工作状态及工作效果。

其中，输入输出机构安装有AMEsim与MATLAB/Simulink搭建基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统模型，具有联网数据计算以及显示功能，将检测系统采集来的各个驱动单元数据，通过仿真系统模型模拟液压装置的运行过程，从而分析液压系统各驱动单元的能耗对液压系统的影响，了解液压系统的运行效率，将数据分析传网，为大数据分析提供数据支持，并通过显示面板将数据实时显示，能够让操作人员实时了解设备工作状态，当实时数据与大数据分析差距过大，能够及时报警，进行此时的液压系统的研究。

其中，定量泵出口处配合安装有压力传感器，高低压蓄能器出口处配合安装有压力传感器和流量传感器，出口阀一侧配合安装有流量传感器，两侧各安装有压力传感器，将测算各部件能耗所需要的数值直接检测出来，安装部位紧凑，数值精确。

其中，供电系统包括蓄电池，以及电压供给电路，输入输出机构与检测系统共用一个蓄电池，液压系统单独供电，保证液压系统电压的稳定输入，从而保证液压系统的稳定工作。

其中，包括以下能耗算法步骤：

S1、系统输入总功

由于该系统通过主动开启开关阀的方法避免了系统的溢流损失，因此系统中选用定量泵作为能量供应元件。该定量泵输出总功W_pump为：

W_pump=∫⁸ ₀n·q_pump·p_pump （1）

其中，n为变量泵的转速，q_pump为变量泵的排量，p_pump为变量泵的出口压力，由于基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统采用两级压蓄能器供能，因此定量泵的输出压力一直在变化，根据（1）测算8秒内定量泵输出总功W_pump。

S2、蓄能器未释放能量

蓄能器在工作过程中首先进行了充能至8s，蓄能器中依旧存储有一部分能量，该部分能量将在后续工作中全部输送给液压驱动单元，因此该部分能量应从系统输入总功中扣除。蓄能器中存储的能量W_acc为：

W_acc=∫⁸ ₀q_acc（t）·p_acc（t）dt （2）

其中，q_acc（t）为蓄能器出口流量，p_acc（t）为蓄能器出口压力。

经过计算，仿真结束后高压蓄能器中储存的能量W_hacc；低压蓄能器中储存的能量W_lacc。因此，基于两级供能的四足机器人在8s的仿真过程中实际消耗能量W_all为：

W_all=W_pump-W_hacc-W_lacc （3）

S3、出口阀节流损失

基于两级供能和负载口独立阀控技术的液压驱动单元依靠出口阀的节流作用实现对液压驱动单元的控制。出口阀节流产生的节流损失W_out为：

W_out=∫⁸ ₀q_out（t）·∆p_out（t）dt （4）

其中，q_out（t）为经过出口阀的流量，∆p_out（t）为出口阀两侧的压力差。

因此节流损失占系统总消耗能量的比例为：

N_out=W_out/W_all· 100% （5）

S4、系统有用功

液压泵输出总功为系统输入总功，其功率为系统输入总功率；液压驱动单元中执行器所做的功为系统有用功，其功率为系统有用功功率；系统效率为系统中所有液压驱动单元的有用功功率之和与系统输入总功率之比。液压驱动单元总的有用功功率P_u为：

P_u=∑⁶ _i=1（F_i· V_i） （6）

其中，F_i为第i个液压驱动单元的负载，V_i为第i个液压驱动单元的输出速度。

液压驱动单元总的有用功W_u可表示为：

W_u=∫³ ₀P_u（t）dt （7）

利用液压驱动单元中的流量、压力数据，计算得到系统有用功W_u，因此基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统效率N为：

N=W_u/W_all· 100% （8）

S5、沿程管路损失及其它损失

除去系统中出口阀的节流损失外，由于四足机器人液压系统管路数目很多且连接方式较为复杂，因此系统中还存在一定的沿程管路损失，沿程管路损失功率P₁为：

P₁=λ8lpQ²/π²d⁵ （9）

其中，λ为沿程阻力系数，l为管路长度，p为油液密度，Q为流经管路的油液流量，d为管路内径。

沿程管路损失和其他损失总共占变量泵总功W_pump的9.11%。

工作原理：供电系统向设备供电，液压系统开始工作，检测系统对液压系统的各部位进行数据采集，采集的数据通过电信号传送到输入输出机构，通过输入输出机构对数据的模拟运行，了解各驱动单元能耗对液压系统运行效率的影响，并将计算后的各部位能耗显示到显示面板，且将各个数据传输联网，为以后的大数据分析提供数据支持。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种四足机器人液压系统能耗分析方法，其特征在于：包括供电系统、检测系统、液压系统和输入输出机构，所述供电系统与输入输出机构、检测系统、液压系统电连接，通过供电网络提供运行所需要的电量，所述检测系统安装在液压系统上，对液压系统的压力、流量、流速全方位监测，所述检测系统与输入输出机构通过通信线连接，检测系统采集的数据转化为电信号通过通信线传输到输入输出机构，液压系统包括定量泵、高低压蓄能器、出口阀和系统管路，所述检测系统包括压力传感器、流量传感器和速度传感器，利用高性能芯片对所需要的参数及时采集，所述输入输出机构安装有AMEsim与MATLAB/Simulink搭建基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统模型，具有联网数据计算以及显示功能，将检测系统采集来的各个驱动单元数据，通过仿真系统模型模拟液压装置的运行过程，从而分析液压系统各驱动单元的能耗对液压系统的影响，了解液压系统的运行效率，将数据分析传网，为大数据分析提供数据支持，并通过显示面板将数据实时显示；

还包括以下能耗算法步骤：

S1、系统输入总功

由于该系统通过主动开启开关阀的方法避免了系统的溢流损失，因此系统中选用定量泵作为能量供应元件，该定量泵输出总功W_pump为：

W_pump=∫⁸ ₀n·q_pump·p_pump （1）

其中，n为变量泵的转速，q_pump为变量泵的排量，p_pump为变量泵的出口压力，由于基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统采用两级压蓄能器供能，因此定量泵的输出压力一直在变化，根据（1）测算8秒内定量泵输出总功W_pump，

S2、蓄能器未释放能量

蓄能器在工作过程中首先进行了充能至8s，蓄能器中依旧存储有一部分能量，该部分能量将在后续工作中全部输送给液压驱动单元，因此该部分能量应从系统输入总功中扣除，蓄能器中存储的能量W_acc为：

W_acc=∫⁸ ₀q_acc（t）·p_acc（t）dt （2）

其中，q_acc（t）为蓄能器出口流量，p_acc（t）为蓄能器出口压力，

经过计算，仿真结束后高压蓄能器中储存的能量W_hacc；低压蓄能器中储存的能量W_lacc，因此，基于两级供能的四足机器人在8s的仿真过程中实际消耗能量W_all为：

W_all=W_pump-W_hacc-W_lacc（3）

S3、出口阀节流损失

基于两级供能和负载口独立阀控技术的液压驱动单元依靠出口阀的节流作用实现对液压驱动单元的控制，出口阀节流产生的节流损失W_out为：

W_out=∫⁸ ₀q_out（t）·∆p_out（t）dt （4）

其中，q_out（t）为经过出口阀的流量，∆p_out（t）为出口阀两侧的压力差，

因此节流损失占系统总消耗能量的比例为：

N_out=W_out/W_all· 100% （5）

S4、系统有用功

液压泵输出总功为系统输入总功，其功率为系统输入总功率；液压驱动单元中执行器所做的功为系统有用功，其功率为系统有用功功率；系统效率为系统中所有液压驱动单元的有用功功率之和与系统输入总功率之比，液压驱动单元总的有用功功率P_u为：

P_u=∑⁶ _i=1（F_i· V_i） （6）

其中，F_i为第i个液压驱动单元的负载，V_i为第i个液压驱动单元的输出速度，

液压驱动单元总的有用功W_u可表示为：

W_u=∫³ ₀P_u（t）dt （7）

利用液压驱动单元中的流量、压力数据，计算得到系统有用功W_u，因此基于两级供能及负载口独立阀控的四足机器人液压系统效率N为：

N=W_u/W_all· 100% （8）

S5、沿程管路损失及其它损失

除去系统中出口阀的节流损失外，由于四足机器人液压系统管路数目很多且连接方式较为复杂，因此系统中还存在一定的沿程管路损失，沿程管路损失功率P₁为：

P₁=λ8lpQ²/π²d⁵ （9）

其中，λ为沿程阻力系数，l为管路长度，p为油液密度，Q为流经管路的油液流量，d为管路内径，

沿程管路损失和其他损失总共占变量泵总功W_pump的9.11%。

2.根据权利要求1所述的一种四足机器人液压系统能耗分析方法，其特征在于：所述定量泵出口处配合安装有压力传感器，所述高低压蓄能器出口处配合安装有压力传感器和流量传感器，所述出口阀一侧配合安装有流量传感器，两侧各安装有压力传感器，将测算各部件能耗所需要的数值直接检测出来，安装部位紧凑，数值精确。

3.根据权利要求1所述的一种四足机器人液压系统能耗分析方法，其特征在于：所述供电系统包括蓄电池，以及电压供给电路，所述输入输出机构与检测系统共用一个蓄电池，液压系统单独供电，保证液压系统的稳定工作。

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