CN111846003B - 多足步行机器人及其腿屈伸用液压驱动系统与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多足步行机器人及其腿屈伸用液压驱动系统与控制方法，属于机器人技术领域。液压驱动系统包括液压缸、液压泵、蓄能器、油箱及多功能关节控制阀组；液压泵具有高压供油口与低压供给口；多功能关节控制阀组包括连接于液压缸的有杆油腔油口与无杆油腔油口之间的油通量可调控制阀，用于对有杆油腔油口与低压油供给口、高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀，及用于对无杆油腔油口与低压油供给口、高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀。经该结构改进后的液压驱动系统能有效地减少能量损失，而提高能源利用率，可广泛应用于机器人技术领域中。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种多足步行机器人、用于构建该机器人的腿屈伸用液压驱动系统及该多足步行机器人的控制方法。
背景技术
移动机器人作为一种发展较为成熟的机器人，被广泛应用于危险性大且劳动强度高的军事工业、抢险救灾等领域，不仅可以降低人类的工作强度，且可以代替人类完成危险的工作，按照综述文献《多足步行机器人液压控制系统研究现状与发展趋势》所介绍的内容可知，相较于轮式、履带式等其他移动方法，多足步行机器人能在行走过程中仅需离散的落足点，且能像多足步行动物一样行走于具有障碍物的崎岖路面上，得到较快地发展与较为广泛地应用。
对于移动机器人的结构，通常包括躯体及多个液压机械腿；其中，液压机械腿通常包括大腿杆，与大腿杆的下端部铰接的小腿杆，用于驱动大腿杆相对躯体摆动的大腿杆屈伸用液压缸，用于驱使小腿杆相对大腿杆相对摆动的小腿杆屈伸用液压缸，及连接于液压源与液压缸之间的液压控制系统。在工作过程中，存在着地冲击震荡影响运动稳定性的问题及阀节流损失等降低能量转换效率的问题。
为了解决上述技术问题，在公开号为CN105545829A的专利文献中公开了一种可吸收着地冲击的多足机器人的液压驱动单元，其包括比例伺服阀、伺服缸、蓄能器、阀板、阻尼件与油箱；其中，比例伺服阀安装在阀板上，其四个工作油口通过油管分别与其他部件相连，其中主进油口与蓄能器相连，两个工作油口分别与伺服缸的两腔相连；并在伺服缸的无杆腔和有杆腔之间连接有阻尼孔，安装在阀板中的阻尼件安装螺纹孔上，阻尼件可拆卸更换，阻尼件直径与长度根据需求可以调节。该液压驱动单元可缓解多足机器人大负载、高速步态下着地瞬间地面冲量对机器人造成的影响，减小地面冲击对液压驱动机器人造成的瞬时液压冲击，提高机器人动态步态行走的稳定性。但是在其行走过程中，位于支撑相阶段时，由于机器人自身重量及其负载重量，限制泵源输出油液压力较大；而在摆动相阶段，机械腿液压缸5所需压力低，此时阀口压降大，大量液压能由于节流损失转换为热能，使得能量利用率低，尤其是摆动相时液压缸伸长动作时所需液压油较多而导致其存在更大的节流损失而降低其能源使用效率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种多足步行机器人的控制方法，不仅能够有效地缓冲着地冲击，且能有效地提高能源利用率；
本发明的另一目的是提供一种多足步行机器人的腿屈伸用液压驱动系统，不仅能够有效地缓冲着地冲击，且能有效地提高能源利用率；
本发明的再一目的是提供一种以上述腿屈伸用液压驱动系统所构建的多足步行机器人。
为了实现上述主要目的，本发明提供的控制方法用于控制多足步行机器人，该多足步行机器人包括躯体、液压机械腿、液压泵、蓄能器及油箱，液压机械腿包括腿杆及腿杆屈伸驱动用的液压驱动系统；液压驱动系统包括液压缸及多功能关节控制阀组；其特征在于，液压泵包括用于供给高压油的高压供油口与用于供给低压油的低压供给口，蓄能器包括与高压油供给口连通的高压蓄能器及与低压油供给口连通的低压蓄能器；多功能关节控制阀组包括连接于液压缸的有杆油腔油口与无杆油腔油口之间的油通量可调控制阀，用于对有杆油腔油口与低压油供给口、高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀，及用于对无杆油腔油口与低压油供给口、高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀；该控制方法包括以下步骤：
高压/低压切换步骤，在液压机械腿处于摆动相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与低压油供给口；及在液压机械腿处于支撑相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与高压油供给口；
差动/阻尼切换步骤，在液压机械腿处于摆动相或支撑相且液压缸为伸长状态时，控制油量可调控制阀开启至阀口最大的导通状态，以对液压缸进行差动控制；及在液压机械腿处于摆动相或支撑相且液压缸为缩短状态时，控制油量可调控制阀缩小其导通阀口，增大液压缸的油口阻尼。
基于上述技术方案中的结构设置，采用高低压两级供油方式，能有效地降低阀口节流损失；采用负载口独立控制分别对进油和回油口进行节流控制，降低节流损失；能利用蓄能器对支撑相阶段液压泵的能量进行回收；在液压缸为伸长状态时采用差动控制，能提高液压缸运行速度；而在缩短时采用阻尼控制，能有效地实现减震和缓冲的目的。
具体的方案为油通量可调控制阀与六个导通控制阀为插装在同一阀块上的螺纹插装比例方向阀。利用螺纹插装比例方向阀构建控制阀，并插装在同一阀块上，而能有效地减小整体的比例，从而能有效地提高液压机械腿的整体结构的紧凑性。
优选的方案为在液压机械腿处于支撑相且液压缸为伸长状态时，控制油量可调控制阀关闭其阀口。从而能有效地确保支撑相且液压缸为伸长状态时，的输出液压力供应。
优选的方案为液压泵包括用于供给高压油的高压泵及用于供给低压油的低压泵，低压泵的出油口与高压泵的进油口连通。
进一步的方案为在高压泵的出油口处连接有高压溢流阀与压力传感器，在低压泵的出油口处连接有低压溢流阀与压力传感器；高压溢流阀的油路接口与高压泵的出油口连通，溢流口与低压泵的出油口连通；低压溢流阀的油路接口与低压泵的出油口连通，溢流口与油箱的进油口连通；在液压机械腿处于支撑态时，控制高压泵工作至输出油压高于高压溢流阀的溢流油压，在液压机械腿处于摆动态时，控制低压泵工作至输出油压高于低压溢流阀的溢流油压；并在所需油压低于溢流阀的溢流油压时，基于压力传感器的压力检测数据，改变泵驱动电机的转速。
为了实现上述另一目的，本发明提供的多足步行机器人的腿屈伸用液压驱动系统，液压驱动系统包括液压缸及多功能关节控制阀组；多功能关节控制阀组包括连接于液压缸的有杆油腔油口与无杆油腔油口之间的油通量可调控制阀，用于对有杆油腔油口与液压泵的低压油供给口、液压泵的高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀，及用于对无杆油腔油口与低压油供给口、高压油供给口及油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀。
具体的方案为油通量可调控制阀与六个导通控制阀为插装在同一阀块上的螺纹插装比例方向阀。
为了实现上述再一目的，本发明提供的多足步行机器人包括躯体、液压泵、蓄能器、油箱及液压机械腿，液压机械腿包括腿杆及腿杆屈伸驱动用的液压驱动系统；其中，液压驱动系统为上述任一技术方案所描述的液压驱动系统；液压泵包括用于供给高压油的前述高压供油口与用于供给低压油的前述低压供给口，蓄能器包括与高压油供给口连通的高压蓄能器及与低压油供给口连通的低压蓄能器。
具体的方案为液压泵包括用于供给高压油的高压泵及用于供给低压油的低压泵，低压泵的出油口与高压泵的进油口连通；在高压泵的出油口处连接有高压溢流阀与压力传感器，在低压泵的出油口处连接有低压溢流阀与压力传感器；高压溢流阀的油路接口与高压泵的出油口连通，溢流口与低压泵的出油口连通；低压溢流阀的油路接口与低压泵的出油口连通，溢流口与油箱的进油口连通。
附图说明
图1为本发明实施例1中液压机械腿的机械结构示意图；
图2为本发明实施例1中液压驱动系统的结构示意图；
图3为本发明实施例1中液压缸的结构示意图；
图4为本发明实施例1中液压泵及连接管路的结构示意图；
图5为本发明实施例2中液压泵及连接管路的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。
本发明的主要构思是对多足步行机器人的腿杆屈伸用液压驱动系统的结构与控制方法进行改进，以能有效地减少能量损失而提高能源利用率，对于多足步行机器人其他部分的结构参照现有产品进行设计。
实施例1
本发明多足步行机器人采用多个如图1所示的液压机械腿3构建移动驱动机构；如图1及图2所示，该多足步行机器人具体包括躯体、液压机械腿3及布设在该躯体上的控制单元与液压源2，液压源2包括液压泵3、蓄能器4与油箱200；其中，如图1及图2所示，该液压机械腿3包括根关节30、髋关节31、膝关节32、大腿杆33、小腿杆34及用于控制腿杆屈伸的液压驱动系统39；控制单元包括处理器与存储器，在存储器内存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，能够基于所接受的控制指令及安装在躯体与液压机械腿上的传感器所发送的检测数据，控制液压泵及液压驱动系统工作，而驱使液压缸执行伸缩动作，从而控制腿杆组件在支撑态与摆动态之间切换位姿。
液压泵3包括用于供给高压油的高压泵25及用于供给低压油的低压泵21，且低压泵21的出油口与高压泵25的进油口连通，从而为高压泵25的输出油压提供偏置，即在本实施例中，两个液压泵构成级联式结构；其中，高压泵25由泵驱动电机26所驱动，低压泵21由泵驱动电机22所驱动。高压泵25通过高压油供给口111向液压驱动系统1输出高压油，而低压泵21通过低压油供给口112向液压驱动系统1输出低压油。蓄能器包括与高压油供给口111连通的高压蓄能器27及与低压油供给口112连通的低压蓄能器23。在高压泵25的出油口处连接有高压溢流阀30与压力传感器28，即与高压油供给口111直接通过油管连通；在低压泵21的出油口处连接有低压溢流阀29与压力传感器24，即与低压油供给口122直接通过油管连通；具体为高压溢流阀30的油路接口与高压泵25的出油口连通，溢流口与油箱200的进油口连通；低压溢流阀29的油路接口与低压泵21的出油口连通，溢流口与油箱200的进油口连通。
液压驱动系统39包括液压缸5与多功能关节控制阀组1；液压缸5具有无杆油腔50与有杆油腔51，其中，有杆油腔51通过有杆油腔油口511与油路连接，无杆油腔50通过无杆油腔油口501与油路连接；多功能关节控制阀组1包括连接在有杆油腔油口511与无杆油腔油口501之间的油通量可调控制阀17，用于对有杆油腔油口511与低压油供给口112之间的负载口连通状态进行独立控制的第五导通控制阀15，用于对有杆油腔油口511与高压油供给口111之间的负载口连通状态进行独立控制的第四导通控制阀14，用于对有杆油腔油口511与油箱200之间的负载口连通状态进行独立控制的第六导通控制阀16，用于对无杆油腔油口501与低压油供给口112之间的负载口连通状态进行独立控制的第二导通控制阀12，用于对无杆油腔油口501与高压油供给口111之间的负载口连通状态进行独立控制的第一导通控制阀11，及用于对无杆油腔油口501与油箱200之间的负载口连通状态进行独立控制第三导通控制阀13。在本实施例中，油通量可调控制阀17与六个导通控制阀为插装在同一阀块上的螺纹插装比例方向阀。
在上述结构中，根据每个关节的运动状况，对液压缸5进行负载口独立控制，具体为当液压缸5处于摆动相伸长工作状态时，第二导通控制阀12和第六导通控制阀16的阀芯相对图中当前位置朝左步进，其余控制阀均位于图中所示位置，选择低压油供给口112供给低压油，以驱使液压缸5的活塞向右运动而伸长；当液压缸5处于摆动相缩短工作状态时，第三导通控制阀13和第五导通控制阀15的阀芯相对图中当前位置朝左步进，其余控制阀均位于图中所示位置，选择低压油供给口112供给低压油，以驱使液压缸5的活塞向左运动而缩短；当液压缸5处于支撑相伸长工作状态时，第一导通控制阀11和第六导通控制阀16的阀芯相对图中当前位置朝左步进，其余控制阀均位于图中所示位置，选择高压油供给口111供给高压油，以驱使液压缸5的活塞向右运动而伸长；当液压缸5处于支撑相缩短工作状态时，第三导通控制阀13和第四导通控制阀14的阀芯相对图中当前位置朝左步进，其余控制阀均位于图中所示位置，选择高压油供给口111供给高压油，以驱使液压缸5的活塞向左运动而缩短；其中，低压蓄能器23和高压蓄能器27起到减小液压冲击和压力脉动的作用，例如在足端触地过程中的冲击所产生的震动，而提高整个结构的稳定性。
由于在工作过程中，可对负载口进行独立控制，从而可有效地解决目前进出阀口存在耦合的问题，以提高系统的响应，并降低系统的整体能量消耗。
基于上述结构，本发明对多足步行机器人的控制方法包括高压/低压切换步骤S1与差动/阻尼切换步骤S2，具体为：
高压/低压切换步骤S1，在液压机械腿3处于摆动相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与低压油供给口112，以利用低压油供给口112提供驱使活塞移动的液压油；及在液压机械腿3处于支撑相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与高压油供给口111，以利用高压油供给口111提供驱使活塞移动的液压油。
基于该液压驱动系统1的结构设置，能有效地利用高低压液压源为该机械腿在运动过程中的支撑相与摆动相提供适宜的压力，即采用高低压两级供油方式，而能有效地降低阀口节流损失。
差动/阻尼切换步骤，在液压机械腿3处于摆动相或支撑相且液压缸为伸长状态时，控制油量可调控制阀17开启至阀口最大的导通状态，以对液压缸5进行差动控制；及在液压机械腿3处于摆动相或支撑相且液压缸为缩短状态时，控制油量可调控制阀缩小其导通阀口，增大液压缸5的油口阻尼。
根据每个关节的运动状况，对液压缸5进行差动控制或阻尼控制；当液压缸5处于摆动相伸长工作状态时，第二导通控制阀12和第六导通控制阀16的阀芯相对图中当前位置朝左步进，油通量可调控制阀17的阀芯相对图中当前位置朝上步进，油通量可调控制阀17的阀口开度最大，其余控制阀均位于图中所示位置，选择低压油供给口112供给低压油，驱使液压缸5的活塞向右运动，采用差动控制方式，以提高液压缸5的运动速度；当液压缸5处于摆动相缩短工作状态时，第三导通控制阀13和第五导通控制阀15的阀芯相对图中当前位置朝左步进，油通量可调控制阀17的阀芯相对图中当前位置朝上步进，油通量可调控制阀17的阀口开度较小，其余控制阀均位于图中所示位置，选择低压油供给口112供给低压油，驱使液压缸5的活塞向左运动，采用阻尼控制方式，增大液压缸5的阻尼，实现减震和缓冲的目的；当液压缸5处于支撑相伸长工作状态时，第一导通控制阀11和第六导通控制阀16的阀芯相对图中当前位置朝左步进，油通量可调控制阀17的阀芯相对图中当前位置朝上步进，油通量可调控制阀17的阀口开度最大，其余控制阀均位于图中所示位置，选择高压油供给口111供给高压油，驱使液压缸5的活塞向右运动，采用差动控制方式，提高液压缸5的运动速度；当液压缸5处于支撑相缩短工作状态时，第二导通控制阀12和第五导通控制阀15的阀芯相对图中当前位置朝左步进，油通量可调控制阀17的阀芯相对图中当前位置朝上步进，油通量可调控制阀17的阀口开度较小，其余控制阀均位于图中所示位置，选择低压油供给口112供给低压油，液压缸5的活塞在外负载推动的作用下向左运动，液压缸做负功，采用阻尼控制方式，增大液压缸5的阻尼，实现减震和缓冲的目的，此时无杆腔回油，多余的流量进入低压蓄能器23进行能量储存；此外，低压蓄能器23和高压蓄能器27起到减小液压冲击和压力脉动的作用，并对多余能量进行回收。
此外，在液压机械腿3处于支撑态时，控制高压泵25与低压泵21工作至输出油压高于高压溢流阀30的溢流油压；在液压机械腿3处于摆动态时，控制低压泵21工作至输出油压高于低压溢流阀29的溢流油压，且使高压油泵驱动电机26和低压油泵驱动电机22转速恒定从而提供恒压的液压油，且驱使高压油泵25与低压油泵21的输出流量均大于多足步行机器人所需的平均流量,有效地提供其在负载工作、爬坡、迅速启动等工况时所需的油液量与压力。
在所需油压低于溢流阀的溢流油压时，基于压力传感器的压力检测数据，改变泵驱动电机的转速，具体为基于压力传感器24与压力传感器87所输出的油压检测数据，改变高压油泵驱动电机26与低压油泵驱动电机22的转速，至高压油泵25与低压油泵21的输出油压符合控制需求，且输出油压均低于该泵出油口处的高压溢流阀30与低压溢流阀29的溢流油压。即基于通过改变泵驱动电机的转速而匹配当前工作所需的油液压力与油液量，例如空载、行走环境不断变化等工况时的工作状态，从而在提供适当油压的同时，能有效地节省能量。其中，通过调节高压油泵驱动电机26和低压油泵驱动电机22的转速使输出压力恒定，且使高压油泵25和低压油泵21所输出流量与机器人所需流量相匹配，而高压溢流阀30和低压溢流阀29作为安全阀使用而无流量通过。
即在本实施例中，基于由油通量可调控制阀17与液压缸5构成的差动/阻尼控制切换装置，而能根据驱动需要而采用差动控制以提高液压缸的伸长速度或采用阻尼控制而提高减震和缓冲的性能。采用液压缸驱动多足步行机器人的运动关节，用于控制和完成机器人的各种肢体动作；采用高低压两级供油方式，降低阀口节流损失；采用负载口独立控制分别对进油和回油口进行节流控制，降低节流损失；利用蓄能器对支撑相阶段液压泵的能量进行回收。
实施例2
作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。
如图5所示，本发明的液压油源2采用并联式结构进行构建，包括高压泵25及其驱动电机26、低压泵21及其驱动电机22、高压蓄能器27、低压蓄能器23、压力传感器24、压力传感器28及高压油供给口111与低压油供给口112；油路的低压泵21的输出端连接低压蓄能器23、压力传感器24及低压油供给口112；高压泵25的输出端连接高压蓄能器27、压力传感器28及高压油供给口111；高压溢流阀30连接高压油供给口111和油箱200；低压溢流阀29连接低压油供给口112和油箱200，构成液压回路。
在本实施例中，在液压机械腿处于支撑相且液压缸为伸长状态时，控制油量可调控制阀关闭其阀口。
Claims (6)
1.一种多足步行机器人的控制方法，所述多足步行机器人包括躯体、液压机械腿、液压泵、蓄能器及油箱，所述液压机械腿包括腿杆及腿杆屈伸驱动用的液压驱动系统；所述液压驱动系统包括液压缸及多功能关节控制阀组；所述液压泵包括用于供给高压油的高压供油口与用于供给低压油的低压供给口，所述蓄能器包括与所述高压油供给口连通的高压蓄能器及与所述低压油供给口连通的低压蓄能器；所述多功能关节控制阀组包括连接于所述液压缸的有杆油腔油口与无杆油腔油口之间的油通量可调控制阀，用于对所述有杆油腔油口与所述低压油供给口、所述高压油供给口及所述油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀，及用于对所述无杆油腔油口与所述低压油供给口、所述高压油供给口及所述油箱之间的负载口连通状态进行独立控制的三个导通控制阀；
所述控制方法包括高压/低压切换步骤，所述高压/低压切换步骤包括在所述液压机械腿处于摆动相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与所述低压油供给口；及在所述液压机械腿处于支撑相时，控制导通控制阀而连通油腔油口与所述高压油供给口；
其特征在于：
所述控制方法还包括差动/阻尼切换步骤，所述差动/阻尼切换步骤包括在所述液压机械腿处于摆动相或支撑相且所述液压缸为伸长状态时，控制所述油通量可调控制阀开启至阀口最大的导通状态，以对所述液压缸进行差动控制，以提高液压缸的运转速度；及在所述液压机械腿处于摆动相或支撑相且所述液压缸为缩短状态时，控制所述油通量可调控制阀缩小其导通阀口，增大所述液压缸的油口阻尼，以实现减振和缓冲。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
所述油通量可调控制阀与六个导通控制阀为插装在同一阀块上的螺纹插装比例方向阀。
3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：
在所述液压机械腿处于支撑相且所述液压缸为伸长状态时，控制所述油通量可调控制阀关闭其阀口。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：
在所述液压机械腿处于支撑相且所述液压缸为伸长状态时，控制所述油通量可调控制阀关闭其阀口。
5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于：
所述液压泵包括用于供给高压油的高压泵及用于供给低压油的低压泵，所述低压泵的出油口与所述高压泵的进油口连通。
6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于：
在所述高压泵的出油口处连接有高压溢流阀与压力传感器，在所述低压泵的出油口处连接有低压溢流阀与压力传感器；所述高压溢流阀的油路接口与所述高压泵的出油口连通，溢流口与所述低压泵的出油口连通；所述低压溢流阀的油路接口与所述低压泵的出油口连通，溢流口与所述油箱的进油口连通；在所述液压机械腿处于支撑态时，控制所述高压泵工作至输出油压高于所述高压溢流阀的溢流油压，在所述液压机械腿处于摆动态时，控制所述低压泵工作至输出油压高于所述低压溢流阀的溢流油压；并在所需油压低于溢流阀的溢流油压时，基于所述压力传感器的压力检测数据，改变泵驱动电机的转速。
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