CN113021318A - 一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字‑模拟混合阀控液压机器人系统，包括机器人机械本体、动力系统和传感器检测及控制系统；机器人机械本体包括机器人基座、机器人腰部部件、1号关节液压缸、2号关节液压缸、机器人大臂部件、机器人中臂部件、3号关节液压缸、4号关节液压缸、机器人小臂部件、5号关节液压缸、机器人手腕部件、6号关节液压缸和机器人末端法兰部件；动力系统用于为机器人机械本体提供动力源，传感器检测及控制系统用于分别检测六个液压缸的转角，并分别控制六个液压缸动作。本发明采用液压摆缸作为6自由度机械臂各关节转动的执行元件，以电液伺服阀和高速开关阀同时对旋转液压缸进行混合控制，实现了机器人液压系统的高精度控制。

Description

一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统

技术领域

本发明属于液压系统控制技术领域，具体涉及一种数字和模拟电磁阀混合控制的多关节机器人系统。

背景技术

工业机器人一般由机械臂本体、控制系统、传感器和驱动系统等部分组成。机械臂本体通常为6自由度的关节式机械臂，能够在可达空间中具备较高的灵活性。传感器通常包括旋转编码器、位移传感器等，检测机器人各关节当前的转角或行程。控制系统根据指令的目标位姿进行关节角度正逆解运算，结合传感器测得的机械臂当前位姿，进行反馈和闭环控制。驱动接收到控制系统的指令后驱动机器人的关节进行动作，工业中常用的动力源包括电动、气动和液压驱动，其中电力驱动使用最为广泛，气动一般只适用于点位控制场合，液压驱动用于重载、防爆场合。

在加油站自动加油场景中，开闭汽车油箱盖、抓取油枪插入汽车油箱口等操作，都需要机械臂来精确完成。这种机械臂能够在视觉伺服系统的帮助下迅速精确地代替人工完成给汽车加油的工作，大幅提高加油站的运行效率。

但是，加油站对机器人的防爆特性有严格的要求，机器人必须能在国家规定的爆炸物危险场所0区中正常工作。已有的防爆电驱机器人大多采用正压或密封的形式，对关节电机进行防暴处理。正压形式需要在机械臂内部构造空腔并在工作时不断通入惰性气体，会造成机械臂体积臃肿虚胖，对加油机械臂所需的精密操作造成干涉；密封形式主要对关节电机进行密封和外壳隔爆处理，会明显增加关节电机的体积、严重降低机器人的末端负载，因此加油过程中需要抓取的油枪、吸盘等部件的重量很容易超过常见防爆机器人的极限负载。

因此，现有电力驱动的防爆机器人很难满足加油站自动加油机器人的使用要求。液压驱动的机械臂天生具有防爆的特性，且功率-体积比远高于传统的电力驱动机器人，摆动液压缸可以直接驱动关节转动而不需要通过减速器降速升矩，达到普通电驱机器人的数倍乃至十余倍负载。但液压驱动在控制精度和稳定性上存在瓶颈，限制了液压驱动的高精度场合的应用。

中国实用新型专利CN 212146444 U公布了一种浇铸铁水的液压机器人，采用了旋转液压马达和直线液压缸作为机器人运动的驱动部件，实现了搬运和翻转大型重物的功能。其主要控制旋转液压马达的方式是通过控制器发送信号经由D/A转换器，将计算机产生的数字信号转换为模拟电压信号发送至液压调节阀，从而控制各液压缸的动作。这种较为简单的控制结构适合于浇铸铁水等精度要求不高的工况，但受限于单纯的液压调节阀的控制精度和稳定性，无法应用于精密的机器人系统。

中国发明专利CN 111546350 A公布了一种多关节重载液压机器人系统及其高精度运动控制方法，该方法建立了液压机器人的动力学模型，考虑了系统不确定性和建模误差进行系统补偿，提高了运动控制精度。但该方法主要从控制算法和理论角度分析了控制的稳定性，其控制原理仍然单纯以电液伺服阀为核心，没有结合电液伺服阀和高速开关阀两种控制阀的优势。

中国发明专利CN 108481360 A公布了一种液压机器人电液关节，主要由电液比例溢流阀、电磁比例换向阀这两种模拟信号驱动的控制阀，以及压力传感器组成伺服系统，可以实现连续、比例、无极调速，将控制阀与液压摆缸集成到一处，可用于液压机器人。但控制原理上主要局限于使用传统的比例阀控制，存在驱动电压饱和、阀芯死区遮盖等固有缺陷，对高精度控制场合并不适用。

综上，现有的液压机器人及控制技术，主要使用传统的伺服或比例阀，与角度或压力传感器组成伺服系统，并对此类伺服系统的控制算法进行改进，但没有从根本上避开单纯的电液伺服阀的固有缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有液压机器人及控制方法的控制精度不足的问题，提供了一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统。采用液压摆缸作为6自由度机械臂各关节转动的执行元件，以电液伺服阀和高速开关阀同时对旋转液压缸进行控制。

为是实现上述目的，本发明采用以下技术方案来实现：

一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，包括机器人机械本体、动力系统和传感器检测及控制系统；

机器人机械本体包括机器人基座，安装在机器人基座上的机器人腰部部件，安装在机器人腰部部件上的1号关节液压缸和2号关节液压缸、机器人大臂部件和机器人中臂部件，安装在机器人中臂部件上的3号关节液压缸、4号关节液压缸和机器人小臂部件，安装在机器人小臂部件上的5号关节液压缸和机器人手腕部件，以及安装在机器人手腕部件上的6号关节液压缸和机器人末端法兰部件；

所述机器人腰部部件的底部圆盘与机器人基座以转动副连接；所述机器人大臂部件的后端与机器人腰部部件的上方以转动副连接；所述机器人中臂部件的后端与机器人大臂部件的前端以转动副连接；所述机器人小臂部件的后端与机器人大臂部件的前端以转动副连接，该转动副轴线方向与机器人小臂部件长度方向平行；所述机器人手腕部件与机器人小臂部件的前端以转动副链接，实现俯仰转动自由度；所述机器人末端法兰部件与机器人手腕部件中心处以转动副连接；

动力系统用于为机器人机械本体提供动力源，传感器检测及控制系统用于分别检测六个液压缸的转角，并分别控制六个液压缸动作。

本发明进一步的改进在于，机器人腰部部件与机器人基座之间的转动副，由1号关节液压缸直接驱动其转动；机器人大臂部件与机器人腰部部件之间的转动副，由2号关节液压缸直接驱动其转动；所述机器人中臂部件与机器人大臂部件之间的转动副，通过3号关节液压缸直接驱动其转动；所述机器人小臂部件与机器人中臂部件之间的转动副，通过4号关节液压缸直接驱动其转动；所述机器人手腕部件与机器人小臂部件之间的转动副，通过5号关节液压缸经过传动机构驱动其转动；所述机器人末端法兰部件与机器人手腕部件之间的转动副，通过6号关节液压缸直接驱动其转动。

本发明进一步的改进在于，动力系统包括潜油泵和数字-模拟混合阀控系统；所述潜油泵为机器人机械本体的动力源；数字-模拟混合阀控系统分别连接至1号关节液压缸、2号关节液压缸、3号关节液压缸、4号关节液压缸、5号关节液压缸和6号关节液压缸，为各个液压缸提供动力源。

本发明进一步的改进在于，数字-模拟混合阀控系统由电液伺服阀和流量比例为1:2:4:8的高速开关阀组成，以一个电液伺服阀和4个高速开关阀为一组，共计六组。

本发明进一步的改进在于，传感器检测及控制系统包括角位移传感器和计算机控制系统，角位移传感器分别安装在所述机器人机械本体的六个液压缸上，实时检测六个液压缸的转角，计算机控制系统用于接收六个角位移传感器测得的转角，接收控制指令，对机器人末端位姿进行运动学正逆解运算，进而控制所述的数字-模拟混合阀控系统，以控制机器人机械本体六个转动副的转动。

本发明进一步的改进在于，角位移传感器安装在机器人机械本体的液压缸转轴处。

与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，针对加油站自动加油机器人进行设计。设置了机器人机械本体、动力系统和传感器监测及控制系统，实现加油站对多关节机械臂的防爆设计要求，同时实现对液压驱动系统的数字-模拟混合控制，达到较高的稳定性和运动精度。

机器人机械本体：设置了机器人基座、机器人腰部部件、机器人大臂部件、机器人中臂部件、机器人小臂部件、机器人手腕部件、机器人末端法兰部件。以已有6自由度工业机器人为框架，六个旋转自由度充分保证机器人末端法兰部件能够在可达空间中达到任何位姿。由于不需要安装防爆伺服电机及其减速器，也不需要在机器人机械本体内部构造封闭空腔，机器人机械本体的各部件外形精炼，构件细长，不容易发生自身干涉，充分保证机器人末端法兰部件能够进行复杂灵巧的运动。

机器人动力系统：以潜油泵作为数字-模拟混合阀控液压机器人系统的动力源，泵和驱动电机都密封在液压油工质中，直接解决了电机防爆和散热的问题。潜油泵将驱动电机的定子和转子以屏蔽套隔离开，整个潜油泵系统仅有静密封而没有传统的旋转密封装置，也解决了工质泄漏的问题。数字-模拟混合阀控以一个电液伺服阀和四个流量不等的高速开关阀为一组，共计六组，分别控制机器人机械本体的六个旋转液压缸。高压油路引出自潜油泵输出端，通过数字-模拟混合阀控系统，通入机器人机械本体的旋转液压缸。传统的液压系统仅以电液伺服阀对流入液压缸腔中的工质流量进行控制，本发明对每一个旋转液压缸，使用一个电液伺服阀与四个流量呈倍数比例关系的高速开关阀作为控制部件。所述一个电液伺服阀与四个高速开关阀，共计五个控制阀之间为并联连接。其中电液伺服阀控制机器人关节完成一段位移的长距离移动部分，与目标角度之间的误差小于设定值时，电液伺服阀关闭，由高速开关阀控制关节微小位移和精确转角。在压力变化不大时，高速开关阀的每次开闭流过的工质可近似认为是常量，因此可以通过控制高速开关阀开闭次数对旋转液压缸转角进行精确调整。四个高速开关阀流量比例为1:2:4:8，因此可产生0,1,2,……,15等差比例大小的不同微小位移，提高控制的灵活性和精度。

传感器监测及控制系统：角位移传感器安装在机器人机械本体的液压缸转轴处，由于液压缸输出轴直接驱动机器人关节转动，角位移传感器测得值可视作机器人关节当前转角。计算机控制系统接收六个角位移传感器测得的转角，同时接收控制指令，对机器人末端位姿进行运动学正逆解运算和轨迹规划。计算机控制系统针对数字-模拟混合阀控系统的特性，对电液伺服阀和高速开关阀组发送控制指令。

进一步的，本发明的机器人机械本体、机器人动力系统，由于采用液压驱动系统和潜油泵作为动力源，完全满足防爆要求；旋转液压缸体积较小，无需额外减速部件，因此结构紧凑，机身修长，特别适合于需要精确复杂作业的易燃易爆场合。

附图说明

图1为本发明所述一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统整体示意图；

图2为本发明所述一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统的机器人机械本体示意图；

图3为本发明所述一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统角位移传感器分布示意图。

附图标记说明：

1为机器人机械本体；

110为机器人基座；

120为机器人腰部部件；

121为1号关节液压缸，122为2号关节液压缸；

130为机器人大臂部件；

140为机器人中臂部件，141为机器人3号关节液压缸，142为机器人4号关节液压缸；

150为机器人小臂部件，151为机器人5号关节液压缸；

160为机器人手腕部件，161为机器人6号关节液压缸；

170为机器人末端法兰部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明，在此申明，谨以此示意性实施例对本发明进行解释，但并不作为对本发明的限定。

参见图1和图2，本发明提出的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，包括机器人机械本体1、动力系统以及传感器检测及控制系统。其中，机械臂本体包括机器人基座110、机器人腰部部件120通过转动副与机器人基座110连接，机器人大臂部件130通过转动副与机器人腰部部件120连接，机器人中臂部件140通过转动副与机器人大臂部件130连接，机器人小臂部件150通过转动副与机器人中臂部件140连接，机器人手腕部件160通过转动副与机器人小臂部件150连接，机器人末端法兰部件170通过转动副与机器人手腕部件160连接；以及安装在所述各部件上的旋转液压缸，直接驱动各部件之间的转动，而不需要通过减速器等额外机构进行降速升矩。机器人机械本体的各部件外形精炼，构件细长，不容易发生自身干涉，充分保证机器人末端法兰部件能够进行复杂灵巧的运动。由于旋转液压缸采取直驱关节的布置，关节转角不会受到类似外置直线液压缸布置形式的限制，完全达到普通电机驱动机器人的水平。

本发明提出的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，动力系统由潜油泵和数字-模拟混合阀控系统组成。潜油泵为数字-模拟混合阀控液压机器人系统的总动力来源，潜油泵以定子转子相互隔离的屏蔽电机为主体，整个潜油泵系统仅有静密封而没有传统的旋转密封装置，也解决了工质泄漏的问题。数字-模拟混合阀控系统，由电液伺服阀和四个流量不同的高速开关阀组成。四个高速开关阀的流量比例为1:2:4:8。以一个电液伺服阀和四个高速开关阀为一组，共计六组，分别驱动控制所述的机器人机械本体中六个液压缸。高压油路引出自潜油泵输出端，通过数字-模拟混合阀控系统，通入机器人机械本体1的旋转液压缸。传统的液压系统仅以电液伺服阀对流入液压缸腔中的工质流量进行控制，本发明对每一个旋转液压缸，使用一个电液伺服阀与四个流量呈倍数比例关系的高速开关阀作为控制部件。所述一个电液伺服阀与四个高速开关阀，共计五个控制阀之间为并联布置。其中电液伺服阀控制机器人关节完成一段位移的长距离移动部分，与目标角度之间的误差小于设定值时，电液伺服阀关闭，由高速开关阀控制关节微小位移和精确转角。在压力变化不大时，高速开关阀的每次开闭流过的工质可近似认为是常量，因此可以通过控制高速开关阀开闭次数对旋转液压缸转角进行精确调整。四个高速开关阀流量比例为1:2:4:8，因此可产生0,1,2,……,15等差比例大小的不同微小位移，提高控制的灵活性和精度。

参见图3，本发明提出的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其角位移传感器安装在机器人机械本体1的液压缸转轴处，由于液压缸输出轴直接驱动机器人关节转动，角位移传感器测得值可视作机器人关节当前转角。计算机控制系统接收六个角位移传感器测得的转角，同时接收控制指令，对机器人末端位姿进行运动学正逆解运算和轨迹规划。计算机控制系统针对数字-模拟混合阀控系统的特性，产生控制策略，对电液伺服阀和高速开关阀组发送控制指令。

以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。

本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，包括机器人机械本体(1)、动力系统和传感器检测及控制系统；

机器人机械本体(1)包括机器人基座(110)，安装在机器人基座(110)上的机器人腰部部件(120)，安装在机器人腰部部件(120)上的1号关节液压缸(121)和2号关节液压缸(122)、机器人大臂部件(130)和机器人中臂部件(140)，安装在机器人中臂部件(140)上的3号关节液压缸(141)、4号关节液压缸(142)和机器人小臂部件(150)，安装在机器人小臂部件(150)上的5号关节液压缸(151)和机器人手腕部件(160)，以及安装在机器人手腕部件(160)上的6号关节液压缸(161)和机器人末端法兰部件(170)；

所述机器人腰部部件(120)的底部圆盘与机器人基座(110)以转动副连接；所述机器人大臂部件(130)的后端与机器人腰部部件(120)的上方以转动副连接；所述机器人中臂部件(140)的后端与机器人大臂部件(130)的前端以转动副连接；所述机器人小臂部件(150)的后端与机器人大臂部件(130)的前端以转动副连接，该转动副轴线方向与机器人小臂部件(150)长度方向平行；所述机器人手腕部件(160)与机器人小臂部件(150)的前端以转动副链接，实现俯仰转动自由度；所述机器人末端法兰部件(170)与机器人手腕部件(160)中心处以转动副连接；

动力系统用于为机器人机械本体(1)提供动力源，传感器检测及控制系统用于分别检测六个液压缸的转角，并分别控制六个液压缸动作。

2.根据权利要求1所述的所述一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，机器人腰部部件(120)与机器人基座(110)之间的转动副，由1号关节液压缸(121)直接驱动其转动；机器人大臂部件(130)与机器人腰部部件(120)之间的转动副，由2号关节液压缸(122)直接驱动其转动；所述机器人中臂部件(140)与机器人大臂部件(130)之间的转动副，通过3号关节液压缸(141)直接驱动其转动；所述机器人小臂部件(150)与机器人中臂(140)部件之间的转动副，通过4号关节液压缸(142)直接驱动其转动；所述机器人手腕部件(160)与机器人小臂(150)部件之间的转动副，通过5号关节液压缸(151)经过传动机构驱动其转动；所述机器人末端法兰部件(170)与机器人手腕(160)部件之间的转动副，通过6号关节液压缸(161)直接驱动其转动。

3.根据权利要求1所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，动力系统包括潜油泵和数字-模拟混合阀控系统；所述潜油泵为机器人机械本体(1)的动力源；数字-模拟混合阀控系统分别连接至1号关节液压缸(121)、2号关节液压缸(122)、3号关节液压缸(141)、4号关节液压缸(142)、5号关节液压缸(151)和6号关节液压缸(161)，为各个液压缸提供动力源。

4.根据权利要求3所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，数字-模拟混合阀控系统由电液伺服阀和流量比例为1:2:4:8的高速开关阀组成。

5.根据权利要求4所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，数字-模拟混合阀控系统以一个电液伺服阀和4个高速开关阀为一组，共计六组。

6.根据权利要求4所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，四个高速开关阀流量比例为1:2:4:8，能够产生0,1,2,……,15等差比例大小的微小位移。

7.根据权利要求3所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，传感器检测及控制系统包括角位移传感器和计算机控制系统，角位移传感器分别安装在所述机器人机械本体(1)的六个液压缸上，实时检测六个液压缸的转角，计算机控制系统用于接收六个角位移传感器测得的转角，接收控制指令，对机器人末端位姿进行运动学正逆解运算，进而控制所述的数字-模拟混合阀控系统，以控制机器人机械本体(1)六个转动副的转动。

8.根据权利要求7所述的一种数字-模拟混合阀控液压机器人系统，其特征在于，角位移传感器安装在机器人机械本体(1)的液压缸转轴处。

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