CN112109817B - 步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节，解决目前液压缸设计重量偏大与相邻关节驱动器分离问题，包括摆动缸部分、直线缸部分、下段关节臂、关节连接轴、关节连接吊耳、关节连接环、旋转编码器和位移传感器，直线缸部分为动物仿生大腿骨干，并由摆动缸部分驱动其做前后摆动运动，下段关节臂和关节连接环组成动物仿生小腿骨干，并由直线缸部分的活塞杆驱动其绕大腿骨干做摆动运动。本发明可用于关节式步足运动机器人，如两足式机器人、四足式机器人等，可驱动关节运动的高度集成并且具有高功率密度特征的执行器，系统更加节能。

Description

步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节

技术领域

本发明属于工业生产技术领域，具体涉及一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节。

背景技术

关节步足式移动机器人因其与环境的交互方式为点对点式接触，而比传统轮式、履带式等与环境交互为面对面接触的移动机器人具有更强的复杂环境适应能力。步足关节式移动机器人其主要结构特征为一个躯干加若干仿生腿足关节构成，躯干为腿足提供附着点，腿足关节则为躯干提供运动，关节步足式移动机器人其运动主要来源于腿足关节，腿足关节的运动性能直接决定了关节步足式移动机器人的运动性能。随着关节步足式移动机器人不断向高速、高负载、高跳跃、高节能等方向发展，无一不要求腿足关节具有更高的功率密度，即希望腿足关节具有很小的重量同时具有很高的功率输出，这样更具负载与动力匹配原理，动力提高负载降低，关节步足式机器人则能实现更高速更高体外负载更高跳跃能力以及更高节能的目标。

目前关节步足式移动机器人应用的驱动关节主要有电驱动和液压驱动两种，其中电驱动突出一个比较明显的问题即其功率密度太低，电机出力太小不能满足机器人高速高负载高跳跃等方面的需求；液压驱动具有较高的功率密度特点，但传统的关节步足式机器人应用的液压驱动均为零散式液压元件而导致腿足关节有较多的安装部件且液压元件均为传统设计结构从而造成腿足关节重量较大，不利于机器人实现高速高负载高跳跃的目标。针对上述问题有必要提出一种高度集成化的轻量化设计的腿足液压关节系统，以解决传统液压缸结构设计中的重量偏大以及传统关节系统中驱动分离问题。

发明内容

基于以上不足之处本发明的目的是提供一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节，解决目前液压缸设计重量偏大与相邻关节驱动器分离问题。

本发明所采用的技术方案为：一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节，包括摆动缸部分、直线缸部分、下段关节臂、关节连接轴、关节连接吊耳、关节连接环、旋转编码器和位移传感器，所述的下段关节臂与关节连接环固定连接，摆动缸部分与直线缸部分的末端固定连接，直线缸部分的前端与关节连接吊耳固定连接，关节连接吊耳的两侧通过关节连接轴与关节连接环上端外部两侧转动连接，曲柄杆的一端通过下轴与关节连接环的内部下端转动连接，曲柄杆的另外一端通过上轴与直线缸部分的活塞杆转动连接，位移传感器与直线缸部分固定连接，位移传感器伸缩杆与直线缸部分的活塞杆连接，摆动缸部分尾部安装有旋转编码器检测摆动缸输出轴旋转角度，外部液压油通过摆动缸部分的两个油口与摆动缸部分的两个液压油腔室连通，一个液压油腔室通入高压油，另一个液压油腔室通入低压油，摆动缸部分叶片在高压油液的作用下向低压油腔运动，摆动缸部分的输出轴运动，外部液压油通过直线缸部分的两油口与直线缸两腔连通，以推动活塞杆运动；直线缸部分为动物仿生大腿骨干，并由摆动缸部分驱动其做前后摆动运动，下段关节臂和关节连接环组成动物仿生小腿骨干，并由直线缸部分的活塞杆驱动其绕大腿骨干做摆动运动。

本发明还具有如下技术特征：

1、所述的摆动缸部分包括摆动缸铝合金内筒、铝合金前压盖、铝合金后压盖、叶片、输出轴套、摆动缸输出轴和导力套筒，摆动缸铝合金内筒分别与铝合金前压盖、铝合金后压盖一起紧密连接组成封闭的液压油腔室，摆动缸输出轴穿过铝合金前压盖、摆动缸铝合金内筒、铝合金后压盖的轴心，并与铝合金前压盖、铝合金后压盖通过轴承连接，输出轴套紧固套接在摆动缸输出轴上，输出轴套的两端分别有导力套筒，导力套筒套接在摆动缸输出轴上，叶片位于摆动缸铝合金内筒内，叶片与输出轴套径向固定连接，叶片将所述的液压油腔室分割成两个密闭的液压油腔室，一侧的密闭的液压油腔室通过摆动缸油口C与外部油路连通，另外一侧的密闭的液压油腔室通过摆动缸油口D与外部油路连通。

2、所述的直线缸部分包括直线缸铝合金内筒、直线缸导向套、活塞杆，活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环，直线缸导向套位于直线缸铝合金内筒内部，活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环分别位于直线缸导向套内部的两端，活塞杆位于直线缸导向套内部，别穿过活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环，直线缸铝合金内筒的尾部与摆动缸铝合金内筒固定连接，直线缸铝合金内筒的尾部开有直线缸B油口，直线缸铝合金内筒的侧壁开有直线缸A油口，直线缸A油口和直线缸B油口分别与外部油路连通。

3、所述的直线缸铝合金内筒外面包裹有高强度低密度的碳纤维层。

4、所述的叶片的端面开有叶片端面密封与卸荷槽,叶片的径向开有叶片径向密封与卸荷槽。

5、所述的缸铝合金内筒、铝合金前压盖和铝合金后压盖外面都包裹有高强度低密度的碳纤维层。

6、所述的铝合金后压盖上开有尾压盖卸荷孔。

7、所述的摆动缸油口C和摆动缸油口D分别都安装有压力传感器，通过压力传感器反馈的数值计算得到摆动缸的输出扭矩。

本发明的有益效果及优点：本发明可用于关节式步足运动机器人，如两足式机器人、四足式机器人等，可驱动关节运动的高度集成并且具有高功率密度特征的执行器，本发明的复合设计实现了更低重量，使得整个关节的重量大大降低，从而使得腿足关节具有在同等功率输入和同等重量下更高速的运动能力、更大的出力能力、更高的负载能力和更高的节能能力。通过支撑部件与运动部件融合设计，实现了支撑部件的零用化，彻底将支撑部件的重量消除，大大降低了关节的总重量。通过在叶片上开设卸荷密封槽，大大减小了叶片加工面积，减小了叶片的变形，增强了叶片的径向和端面密封效果，使得其摆动缸容积效率大大提高，系统更加节能。

附图说明

图1为步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节总装立体图。

图2为步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节俯视图。

图3为图2的A-A剖面图

图4为步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节主视图。

图5为图4的H-H剖面图。

图6为摆动缸部分的叶片立体图。

图7为摆动缸部分的铝合金后压盖主视图。

图8为摆动缸部分的铝合金后压盖立体图。

图9为直线缸部分的直线铝合金内筒的主视图。

图10为图9的B-B剖视图。

其中，1-摆动缸油口C，2-摆动缸油口D，4-摆动缸输出轴，5-摆动杠输出轴碳纤维轴心，6-前防尘端盖，7-前轴承端盖，8-碳纤维前压盖，9-直线缸碳纤维外壳，10-位移传感器，12-直线缸A油口，13-关节连接轴，14-关节连接轴固定套，15-关节连接吊耳，16-关节连接环，17-下轴，18-上轴，20-曲柄杆，21-下段关节臂，22-位移传感器伸缩杆，31-碳纤维摆动缸筒，32-碳纤维后压盖，33-直线缸B油口，35-旋转编码器，39-后轴承端盖，40-后防尘端盖，42-活塞杆，48-直线缸导向套，49-直线缸导向套O形圈，51-防尘圈，52-活塞杆头部O形圈，53-活塞杆头部导向环，54-活塞杆尾部导向环，55-活塞杆尾部O形圈，56-直线缸铝合金内筒，57-直线缸尾部油口O形圈，58-减重镂空孔，59-摆动缸铝合金内筒，60-铝合金前压盖，61-叶片径向密封与卸荷槽，62-叶片，63-叶片键，66-输出轴套，67-摆动缸防尘圈，68-摆动缸轴承端盖密封圈，69-铝合金后压盖，70-摆动缸轴承，71-旋转组合密封，72-摆动缸铝合金内筒密封圈，73-导力套筒，74-叶片安装孔，75-叶片端面密封与卸荷槽，77-卸荷孔，78-摆动缸轴承安装面，79-旋转组合密封安装面，80-粘接槽，81-连接螺纹，82-直线缸导向套安装螺纹。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明专利进行详细的说明。

实施例1

如图1所示，一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节，包括摆动缸部分、直线缸部分、下段关节臂、关节连接轴、关节连接吊耳、关节连接环、旋转编码器和位移传感器，所述的下段关节臂与关节连接环固定连接，摆动缸部分与直线缸部分的末端固定连接，直线缸部分的前端与关节连接吊耳固定连接，关节连接吊耳的两侧通过关节连接轴与关节连接环上端外部两侧转动连接，曲柄杆的一端通过下轴与关节连接环的内部下端转动连接，曲柄杆的另外一端通过上轴与直线缸部分的活塞杆转动连接，位移传感器与直线缸部分固定连接，位移传感器伸缩杆与直线缸部分的活塞杆连接，摆动缸部分尾部安装有旋转编码器检测摆动缸输出轴旋转角度，外部液压油通过摆动缸部分的两个油口与摆动缸部分的两个液压油腔室连通，一个液压油腔室通入高压油，另一个液压油腔室通入低压油，摆动缸部分叶片在高压油液的作用下向低压油腔运动，摆动缸部分的输出轴运动，外部液压油通过直线缸部分的两油口与直线缸两腔连通，以推动活塞杆运动；直线缸部分为动物仿生大腿骨干，并由摆动缸部分驱动其做前后摆动运动，下段关节臂和关节连接环组成动物仿生小腿骨干，并由直线缸部分的活塞杆驱动其绕大腿骨干做摆动运动。直线缸部分既充当大腿骨干也充当小腿骨干的驱动器，融合驱动器与支撑结构。

本运动关节外形为仿生的动物腿形状，所有结构件均按照有接触且相对运动的零件为硬质铝合金材料其外层包裹高强度低密度碳纤维材料原则设计。直线缸部分为动物仿生大腿骨干，并由摆动缸部分驱动其做前后摆动运动，类似于动物大腿前后摆动；下段关节臂21、关节连接环16组成动物仿生小腿骨干并由直线缸部分的活塞杆42驱动其绕大腿骨干做摆动运动，类似于动物小腿摆动。

如图2-10所示，摆动缸部分：摆动缸部分包括摆动缸铝合金内筒59、铝合金前压盖60、铝合金后压盖69，叶片、输出轴套、摆动缸输出轴和导力套筒，叶片62通过叶片键63固定安装在输出轴套66上，叶片62上还开有叶片安装孔74，使用叶片固定螺钉与输出轴套66连接，输出轴套66通过底部的输出轴套键65与摆动缸输出轴4连接在一起，为了避免因摆动缸输出轴4反复运动而造成输出轴套键65与摆动缸输出轴4出现正反间隙，采用过盈冷装法将输出轴套键65与摆动缸输出轴4安装一起，叶片键63与输出轴套66采用同样过盈冷装安装方法，这里叶片键63是主要的承力零件，叶片固定螺钉只起到定位作用。在输出轴套66边缘安装有旋转组合密封71，防止高压油泄露，输出轴套66靠近摆动缸输出轴4的两端安装有导力套筒73，导力套筒73传递外部轴向载荷，以减小叶片62收到的轴向力。导力套筒73两侧外端面分别安装摆动缸轴承70，为滚柱轴承，两组摆动缸轴承70外端面分别安装后轴承端盖39、前轴承端盖7，依靠输出轴套66、导力套筒73、后轴承端盖39、前轴承端盖7将摆动缸轴承70限制在轴向位置，依靠铝合金前压盖60、铝合金后压盖69将摆动缸轴承70限制在径向位置，铝合金后压盖69上开有尾压盖卸荷孔77，其作用在于大大减小铝合金后压盖69承受的非高压油腔液压油作用力。摆动缸防尘圈67安装在后轴承端盖39、前轴承端盖7与前防尘端盖6、后防尘端盖40之间，其起到一部分密封作用。摆动缸铝合金内筒59、铝合金前压盖60、铝合金后压盖69组成封闭的液压油腔室，为了进一步减轻重量在摆动缸铝合金内筒59开有减重镂空孔58，并在减重镂空孔58上下两面安装有均匀的密封圈，在减轻重量的同时保证密封性能。外部分别有摆动缸油口C1和摆动缸油口D2分别与叶片62分隔开的两个液压油腔室连通。叶片62的端面开有叶片端面密封与卸荷槽75，叶片62的径向开有叶片径向密封与卸荷槽61。摆动缸铝合金内筒59外包裹着一层高强度低密度的碳纤维摆动缸筒31，同时铝合金前压盖60包裹着一层高强度低密度的碳纤维前压盖8，铝合金后压盖69也包裹着一层高强度低密度的碳纤维后压盖32，碳纤维摆动缸筒31以及碳纤维前压盖8、碳纤维后压盖32通过10个螺柱以及配套的螺柱垫片、碳纤维前压盖固定螺母紧固在一起，并将铝合金前压盖60、铝合金后压盖69、摆动缸铝合金内筒59压紧，两组摆动缸轴承端盖密封圈68分别安装在后轴承端盖39、前轴承端盖7槽内，提供良好的密封。在摆动缸铝合金内筒59外圈安装有一道摆动缸铝合金内筒密封圈72，为摆动缸铝合金内筒59提供了一个良好的静态密封。在摆动缸部分的尾部安装有可以检测摆动缸输出轴4旋转角度的旋转编码器35，旋转编码器35依靠旋转编码器输出线缆向控制器输出角度位置信号。在摆动缸部分的摆动缸油口C1和摆动缸油口D2安装有两个压力传感器，为降低重量压力传感器外置并未在图中表示，通过压力传感器反馈的数值可计算得到摆动缸的输出扭矩。

直线缸部分：直线缸部分包括直线缸铝合金内筒56、直线缸导向套48、活塞杆42，活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环，直线缸铝合金内筒的尾部通过连接螺纹81与摆动缸铝合金内筒59连接在一起，连接部分为了保证良好的密封安装有直线缸尾部油口O形圈57，并通过直线缸B油口33与外部油路连通。直线缸铝合金内筒56外层包裹着一层高强度低密度的直线缸碳纤维外壳9，直线缸铝合金内筒56外壁开有粘接槽80，粘接槽80为直线缸铝合金内筒56和直线缸碳纤维外壳9之间的连接增加接触面积，从而提高其接触强度。直线缸碳纤维外壳9与碳纤维前压盖8、碳纤维摆动缸筒31、碳纤维后压盖32通过螺纹与高强度结构胶粘接在一起。直线缸导向套48通过螺纹形式安装在直线缸导向套安装螺纹82内，其底部安装有直线缸导向套O形圈49，保证直线缸导向套48的密封性能，直线缸导向套48与活塞杆42接触部分安装有活塞杆头部O形圈52、活塞杆头部导向环53，从而保证了活塞杆42的直线运动刚度和密封性能，在活塞杆42尾部同样安装有活塞杆尾部导向环54、活塞杆尾部O形圈55，保证活塞杆42的直线运动刚度和密封性能。在直线缸碳纤维外壳9上安装有直线位移传感器，其可检测活塞杆42的位移，通过位移传感器输出线缆向控制器输出信号，在直线缸A油口12和直线缸B油口33分别安装有压力传感器，通过压力传感器反馈的数值可计算得到活塞杆的出力。活塞杆42通过位移传感器连接板，位移传感器固定螺母与位移传感器伸缩杆22固定在一起，活塞杆42头部开有螺纹，与上轴18连接在一起，上轴18与曲柄杆20通过滑动轴承连接，并依靠上轴卡环、上轴耐磨片实现定位，曲柄杆20下端通过下轴17与关节连接环16连接，并依靠下轴耐磨片、下轴固定螺母实现定位，关节连接吊耳15与关节连接环16通过关节连接轴13连接，关节连接轴13依靠关节连接轴固定套、关节连轴耐磨片实现定位。活塞杆42做直线运动带动曲柄杆20实现小腿骨干绕大腿骨干摆动。

本运动关节的具体工作过程为：

本运动关节提供两个自由度，即大腿骨干的摆动和小腿骨干的摆动，其中大腿骨干的摆动依靠摆动缸部分实现，小腿骨干的摆动依靠直线缸部分实现。摆动缸部分转动从而带动由直线缸部分的大腿骨干摆动。直线缸部分的活塞杆做直线运动，带动曲柄杆20运动，间接带动小腿骨干绕关节连接轴13摆动。外部液压油通过摆动缸油口C1和摆动缸油口D2与摆动缸叶片62两侧腔室连通，叶片62一侧通入高压油另一侧通入低压油则叶片62在高压油液的作用下向低压油腔运动，表现为外壳绕轴运动。外部液压油通过直线缸A油口12和直线缸B油口33与直线缸两腔连通，以推动活塞杆42运动。

步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节首先采用了多种材料复合设计，其中壳体内层采用低密度的硬质铝合金，外层采用高强度的碳纤维材料，两层材料复合实现了高强度高刚度以及低重量，改变了传统液压缸壳体统一采用一种材料设计的方法。作动器输出轴则采用了内衬碳纤维管与外层硬质铝合金复合，保证输出轴的强度刚度并减小轴的重量。相邻的两个关节驱动则采用支撑元件与运动元件融合的设计方案，利用运动元件的非运动部分作为支撑部件，从而大大节省了传统关节中的支撑零件，并且相邻关节采用一体化设计方案，减小了连接件的使用，也在一定程度上减小了重量。为了进一步降低关节重量，关节步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节集成了必要的传感器。

Claims (1)

1.一种步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节，包括摆动缸部分、直线缸部分、下段关节臂、关节连接轴、关节连接吊耳、关节连接环、旋转编码器和位移传感器，其特征在于：所述的下段关节臂与关节连接环固定连接，摆动缸部分与直线缸部分的末端固定连接，直线缸部分的前端与关节连接吊耳固定连接，关节连接吊耳的两侧通过关节连接轴与关节连接环上端外部两侧转动连接，曲柄杆的一端通过下轴与关节连接环的内部下端转动连接，曲柄杆的另外一端通过上轴与直线缸部分的活塞杆转动连接，位移传感器与直线缸部分固定连接，位移传感器伸缩杆与直线缸部分的活塞杆连接，摆动缸部分尾部安装有旋转编码器检测摆动缸输出轴旋转角度，外部液压油通过摆动缸部分的两个油口与摆动缸部分的两个液压油腔室连通，一个液压油腔室通入高压油，另一个液压油腔室通入低压油，摆动缸部分叶片在高压油液的作用下向低压油腔运动，摆动缸部分的输出轴运动，外部液压油通过直线缸部分的两油口与直线缸两腔连通，以推动活塞杆运动；直线缸部分为动物仿生大腿骨干，并由摆动缸部分驱动其做前后摆动运动，下段关节臂和关节连接环组成动物仿生小腿骨干，并由直线缸部分的活塞杆驱动其绕大腿骨干做摆动运动；所述的摆动缸部分包括摆动缸铝合金内筒、铝合金前压盖、铝合金后压盖、叶片、输出轴套、摆动缸输出轴和导力套筒，摆动缸铝合金内筒分别与铝合金前压盖、铝合金后压盖一起紧密连接组成封闭的液压油腔室，摆动缸输出轴穿过铝合金前压盖、摆动缸铝合金内筒、铝合金后压盖的轴心，并与铝合金前压盖、铝合金后压盖通过轴承连接，输出轴套紧固套接在摆动缸输出轴上，输出轴套的两端分别有导力套筒，导力套筒套接在摆动缸输出轴上，叶片位于摆动缸铝合金内筒内，叶片与输出轴套径向固定连接，叶片将所述的液压油腔室分割成两个密闭的液压油腔室，一侧的密闭的液压油腔室通过摆动缸油口C与外部油路连通，另外一侧的密闭的液压油腔室通过摆动缸油口D与外部油路连通；所述的直线缸部分包括直线缸铝合金内筒、直线缸导向套、活塞杆、活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环，直线缸导向套位于直线缸铝合金内筒内部，活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环分别位于直线缸导向套内部的两端，活塞杆位于直线缸导向套内部，分别穿过活塞杆头部导向环和活塞杆尾部导向环，直线缸铝合金内筒的尾部与摆动缸铝合金内筒固定连接，直线缸铝合金内筒的尾部开有直线缸B油口，直线缸铝合金内筒的侧壁开有直线缸A油口，直线缸A油口和直线缸B油口分别与外部油路连通；所述的直线缸铝合金内筒外面包裹有高强度低密度的碳纤维层；所述的叶片的端面开有叶片端面密封与卸荷槽,叶片的径向开有叶片径向密封与卸荷槽；所述的摆动缸铝合金内筒、铝合金前压盖和铝合金后压盖外面都包裹有高强度低密度的碳纤维层；所述的铝合金后压盖上开有尾压盖卸荷孔；所述的摆动缸油口C和摆动缸油口D分别都安装有压力传感器，通过压力传感器反馈的数值计算得到摆动缸的输出扭矩。

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