CN113977555B - 一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，包括两自由度摇摆台两组液压缸、阀组和解耦管路，两自由度摇摆台为横纵摇并联驱动和冗余驱动，横摇驱动的两个液压缸为A1、A2，纵摇驱动的两个液压缸为B1、B2，驱动A1、A2的阀组和解耦管路与驱动B1、B2的阀组和解耦管路相同，驱动A1、A2的阀组包括液压缸A1侧的解耦切换阀A5、液压缸A2侧的解耦切换阀A6、控制液压缸A1、A2的两个伺服阀A8，解耦管路包括管道A3和A4，液压缸A1、A2的两腔均分别连接对应的伺服阀A8的A、B口。本发明通过增加针对冗余驱动特征的液压解耦系统，使一组驱动系统具有不受其他自由度运动影响、输入输出控制简单。

Description

一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统

技术领域

本发明涉及运动模拟设备技术领域，尤其是涉及用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统。

背景技术

对于用于模拟运动实验的摇摆台，其运动精度非常重要，为了保证摇摆台具有高承载能力与高精度，通常采用冗余驱动结构。当摇摆台运动角度范围过大时，单一驱动器存在运动性能差的区域，甚至可能经过死点，导致机构灵巧度降低，而冗余驱动则能够保证机构维持较稳定的运动性能，提高系统运动范围，保证系统高精度、高承载、大范围运动。

虽然摇摆台使用冗余驱动后具有上述优点，但是由于安装位置限制，往往会存在横纵摇两个自由度的运动在驱动器端耦合的现象，即：进行单自由度运动时，必须对其他自由度的驱动器同时进行控制，否则系统将出现驱动器被拉拽的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，通过增加针对冗余驱动特征的液压解耦系统，使一组驱动系统具有不受其他自由度运动影响、输入输出控制简单，尤其适用于是横纵摇互相耦合的大尺寸并联驱动摇摆台。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，包括两自由度摇摆台、驱动两自由度摇摆台的两组液压缸、驱动两组液压缸的阀组和解耦管路，所述两自由度摇摆台为横纵摇并联驱动且各自由度均为冗余驱动，每组液压缸包括工作方向相反的两个冗余液压缸，横摇驱动的两个液压缸分别为A1、A2，纵摇驱动的两个液压缸分别为B1、B2，驱动A1、A2的阀组和解耦管路与驱动B1、B2的阀组和解耦管路相同，驱动A1、A2的阀组包括液压缸A1侧的解耦切换阀A5、液压缸A2侧的解耦切换阀A6、分别控制液压缸A1、A2的两个伺服阀A8，解耦管路包括管道A3和A4，液压缸A1、A2的两腔均分别连接对应的伺服阀A8的A、B口，管道A3的一端连接解耦切换阀A6，管道A3的另一端连接液压缸A1的上腔，解耦切换阀A6的另一端连接液压缸A2的下腔，管道A4的一端连接解耦切换阀A5，管道A4的另一端连接液压缸A2的上腔，解耦切换阀A5的另一端连接液压缸A1的下腔。

驱动A1、A2的阀组还包括保护液压缸A1、A2的溢流阀A7，A1侧的溢流阀A7和A2侧的溢流阀A7均为两个，每侧的两个溢流阀A7分别连接对应的液压缸的两腔。

所述液压缸A1、A2、B1、B2均为单出杆对称式液压缸。

所述两自由度摇摆台包括被驱动的摇摆体、摇摆内轴、摇摆框、摇摆外轴和地面安装平台，所述摇摆体和摇摆内轴通过轴承连接，所述摇摆内轴和摇摆框通过轴承连接，所述摇摆框和摇摆外轴通过轴承连接，所述摇摆外轴和地面安装平台通过轴承连接。

所述液压缸A1、A2关于摇摆内轴对称布置，液压缸B1、B2关于摇摆外轴对称布置，液压缸A1、A2、B1、B2为斜向安装。

每个液压缸上端均通过球铰与摇摆体连接，球铰固定在摇摆体的安装位置，每个液压缸下端均通过虎克铰与地面连接，虎克铰固定在地面的安装位置。

每组两个液压缸的冗余驱动的工作方式为一推一拉。

与液压缸A1、A2相连接的解耦管路的管道A3、A4通过固定卡扣沿壁布置，管道A3、A4通过软管与伺服阀A8的液压管路相连接。

解耦管路的管道A3、A4采用细长管道。

解耦管路的管道A3、A4的直径为6-10mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供的针对两自由度摇摆台的冗余驱动液压解耦系统，能够解决摇摆台冗余驱动器受运动耦合影响运动性能的问题，实现摇摆台两自由度运动解耦，驱动在运动特性方面具有输出力平衡、各自由度运动相对独立的突出优点；

2、本发明提供驱动在每个自由度的运动有统一的运动指标，不需要考虑耦合影响，采取运动学逆解方法轨迹规划，驱动在控制特性方面具有系统控制简单、开环频响高等的优点；

3、同时该方法在传统的非解耦方案基础上，可通过增加液压回路改装实现，结构简单，便于改装，适用范围广。

附图说明

图1为本发明的两自由度摇摆台的布置示意图；

图2为本发明的驱动液压原理图；

图3为本发明单自由度驱动的示意图；

图4为本发明本自由度摇摆，驱动缸动作的运动的对比图；

图5为本发明另一自由度摇摆，驱动缸锁定的运动的对比图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-图5所示，一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，包括两自由度摇摆台、驱动两自由度摇摆台的两组液压缸、驱动两组液压缸的阀组和解耦管路，所述两自由度摇摆台为横纵摇并联驱动且各自由度均为冗余驱动，每组液压缸包括工作方向相反的两个冗余液压缸，横摇驱动的两个液压缸分别为A1、A2，纵摇驱动的两个液压缸分别为B1、B2，驱动A1、A2的阀组和解耦管路与驱动B1、B2的阀组和解耦管路相同，即以下有关A1、A2的阀组和解耦管路对于B1、B2来说也是完全适用的。以下介绍的都是关于液压缸A1、A2的，以此可以推出完全相同的液压缸B1、B2的阀组和解耦管路。

每组两个液压缸的冗余驱动的工作方式为一推一拉。即A1、A2分别是一推一拉，B1、B2分别是一推一拉。所述液压缸A1、A2、B1、B2均为单出杆对称式液压缸。

驱动A1、A2的阀组包括液压缸A1侧的解耦切换阀A5、液压缸A2侧的解耦切换阀A6、分别控制液压缸A1、A2的两个伺服阀A8，解耦管路包括管道A3和A4，液压缸A1、A2的两腔均分别连接对应的伺服阀A8的A、B口。

管道A3的一端连接解耦切换阀A6，管道A3的另一端连接液压缸A1的上腔，解耦切换阀A6的另一端连接液压缸A2的下腔，管道A4的一端连接解耦切换阀A5，管道A4的另一端连接液压缸A2的上腔，解耦切换阀A5的另一端连接液压缸A1的下腔，使同组两个液压缸受到机构耦合影响时通过解耦管路自动平衡，保证液压缸不受耦合运动影响且输出平稳。解耦管路通过解耦切换阀控制，实现解耦功能的自由开关。两个阀组中的伺服阀接收到的运动信号是一致的，只与整体驱动系统的运动情况有关，与液压缸自身的运动情况无关。解耦切换阀控制解耦管路是否使用，当两个解耦切换阀关闭的时候，解耦管路也完全关闭，实现“快拆”的效果。

驱动A1、A2的阀组还包括保护液压缸A1、A2的溢流阀A7，A1侧的溢流阀A7和A2侧的溢流阀A7均为两个，每侧的两个溢流阀A7分别连接对应的液压缸的两腔。如图2所示，同侧的两个溢流阀A7的安装方向相反，即有个溢流阀A7的高压端在上、低压端在下；另一个溢流阀A7的高压端在下、低压端在上。

参照图2，供油管路从恒压液压源引出后连接伺服阀A8的P口，提供伺服阀控制流出压力流量，伺服阀A8的A、B口分别连接液压缸两腔，以控制液压缸运动；液压缸两腔分别连有一安全溢流阀A7，保护缸内各腔压力均不超过限制；解耦切换阀A5连接在液压缸A2的伺服阀A8的A口后管路，通过阀引出平衡解耦管路，连接同一自由度另一驱动液压缸A1伺服阀A8的B口后管路；解耦切换阀A6连接在液压缸A1的伺服阀A8的A口后管路，通过阀引出平衡解耦管路，连接同一自由度另一驱动液压缸A2伺服阀A8的B口后管路。

所述两自由度摇摆台包括被驱动的摇摆体01、摇摆内轴02、摇摆框03、摇摆外轴04和地面安装平台05，摇摆体01为大尺寸中空框架，以装载实验装置等物体；所述摇摆体01和摇摆内轴02通过轴承连接，所述摇摆内轴02和摇摆框03通过轴承连接，限制摇摆台的内旋转自由度；所述摇摆框03和摇摆外轴04通过轴承连接，所述摇摆外轴04和地面安装平台05通过轴承连接，限制摇摆台的外旋转自由度。

图1仅表示使用摇摆台结构的其中一种，其他类似形式的并联摇摆台依然适用该驱动，摇摆台共同的运动特征包括：运动自由度限制为两个旋转自由度，即：摇摆体01围绕内轴02，相对摇摆框03的一个旋转自由度；摇摆框03围绕外轴04，相对地面安装平台05的一个旋转自由度。

摇摆台驱动部分包括两套相同的冗余驱动及其液压解耦系统，其中横摇方向的横摇驱动系统对应的是摇摆体01相对摇摆框03的旋转自由度，纵摇方向的纵摇驱动系统对应的是摇摆框03相对地面安装平台05的旋转自由度。

冗余驱动指的是每一自由度的运动主要通过成对的两个液压缸进行冗余驱动，即驱动系统总共包括四支驱动液压缸：两支驱动横摇的横摇液压缸A1、A2和两支驱动纵摇的纵摇液压缸B1、B2；并联驱动指的是横纵摇驱动相互并联，共同驱动摇摆台的摇摆体01，横纵摇运动互相并联互相影响。纵摇驱动系统使用B字母替代标号中的字母A以区分横纵摇的不同。

所述液压缸A1、A2关于摇摆内轴02对称布置，液压缸B1、B2关于摇摆外轴04对称布置，液压缸A1、A2、B1、B2为斜向安装。每组冗余驱动成对布置在该自由度旋转轴的两侧。该布置方案的目的是通过布置位置的设计，保证一组驱动组件受到的耦合影响尽量的小，并且在对应自由度下运动范围大。

每个液压缸上端均通过球铰A9与摇摆体连接，球铰A9通过安装孔与固定螺丝固定在摇摆体的安装位置，每个液压缸下端均通过虎克铰A10与地面连接，虎克铰A10通过安装孔与固定螺丝固定在地面的安装位置。阀组通过固定孔与固定螺丝安装在对应的液压缸上，通过液压缸上放置的硬质管道与液压缸的容腔连通。

由于摇摆体01尺寸很大，因此整体结构中，驱动液压缸的安装距离非常大(一组驱动液压缸A1和A2以及B1和B2，在无角度运动的情况下，安装的水平距离均大于8m)。

与液压缸A1、A2相连接的解耦管路的管道A3、A4通过固定卡扣沿壁布置，管道A3、A4通过软管与伺服阀A8的液压管路相连接，解耦管路管道A3、A4通过软管与伺服阀A8的A、B液压出口后的管路相连接(假使没有解耦切换阀A5、A6)。纵摇液压缸B1、B2液压回路相连接的解耦管路的管道B3、B4通过固定卡扣沿壁布置(图中为画出，与A1、A2完全相同)。

液压缸的运动受到伺服阀控制，伺服阀A8的控制信号由预期运动轨迹以及实际运动轨迹计算得出。

根据机器人运动学公式，摇摆台进行旋转运动时，液压缸的伸长量按照以下公式进行规划：

d+l＝|R·a-b|

其中，α、β分别为横摇旋转、纵摇旋转的角度；d为液压缸的初始长度；l为执行器液压缸的伸长量；a、b分别为液压缸的上下铰接点的坐标。

恒压液压源和油箱分别连接在液压缸伺服阀A8的PT口，在接收到液压缸伸长信号l后，根据当前液压缸实际伸长距离lr，通过控制器计算该液压缸伺服阀的开度，保证每个液压缸的伸长量达到预期效果，以此来保证摇摆台的运动角度符合预期。

图4为本自由度运动，另一自由度锁定工况的对比图，由于正常工作时保护溢流阀A7不起作用，因此省略。下面对驱动系统中的一组液压缸的运动情况进行分析：根据运动学公式，另一自由度锁定情况下，其中一个液压缸A1伸长量与本自由度运动角度呈正相关关系(驱动系统的另一只液压缸A2呈负相关关系)，假设液压缸A1运动速度为v₁，液压缸A2运动速度为v₂(v₁>0，v₂<0)，此时：

a)常规驱动：在接收到驱动对应的自由度的运动信号后，伺服阀A8提供信号，液压缸进行运动。忽略液压缸泄漏，其输出力大小满足下列关系：

其中：F_i为液压缸A_i的输出力(i＝1、2)；t为时间；β_e为液压油的弹性模量；A_p为本驱动系统液压缸(A1、A2)的作用面积；qLi为液压缸A_i当前流量，由伺服阀控制；v_i为液压缸A_i的运动速度；V_t为液压缸总容积。

b)解耦驱动：在接收到驱动对应的自由度的运动信号后，伺服阀提供信号，液压缸进行运动。忽略液压缸泄漏，其输出力大小满足下列关系：

其中：F₁为液压缸A1的输出力；F₂为液压缸A2的输出力；t为时间；β_e为液压油的弹性模量；A_p为本驱动系统液压缸(A1、A2)的作用面积；q_L1为液压缸A1当前流量；q_L2为液压缸A2当前流量；由伺服阀控制；v₁为液压缸A1的运动速度；v₂为液压缸A2的运动速度；q_h为解耦管路管路A3、A4的流量(

k为回路等效液阻)，V_t为液压缸总容积。

解耦管路的管道A3、A4采用细长管道，因此解耦管路的管道A3、A4的液阻很大，因此解耦平衡回路流量q_h很小。在伺服阀开度与工况相同的情况下，解耦系统与非解耦系统的运动情况相比，解耦驱动液压缸完成对应自由度的输出力大小几乎是一样的，因此非解耦驱动能够完成的运动解耦驱动也都能完成，不会影响运动完成的精度或响应频率。

此外，由于解耦管路管路A3、A4的存在，q_h会使液压油从输出力大的液压缸流向输出力小的液压缸，需要的情况下减小A3、A4的液阻，可以使一组液压缸内的压力通过回路实现输出平衡，即使控制时不同步的问题，一组驱动的两个液压缸仍可以具有相对接近的输出力，可以用来减小机构内力。

摇摆体01尺寸很大，解耦管路管道A3、A4过粗则会容积过大导致系统频率下降，解耦管路管道A3、A4过细又会液阻过大导致解耦管路形同虚设，解耦管路的管道A3、A4的直径为6-10mm。

图5为另一自由度运动，本自由度锁定工况的对比图，由于该自由度不参与运动，因此对应该自由度的这组驱动伺服阀设为关闭状态，伺服阀不提供任何液压油给液压缸。下面对驱动系统中的一组液压缸的运动情况进行分析：根据运动学公式，另一自由度锁定情况下，除非锁定角度为0°，否则液压缸A1、A2伸长量与本自由度运动角度均呈正相关关系，假设液压缸A1伸长量为x₁，液压缸A2伸长量为x₂(x₁>0,x₂>0)，此时：

a)常规驱动：伺服阀关闭，油路封死，由于液压缸受到耦合影响，会出现同时伸长或同时缩短的运动，液压缸进行运动压缩或拉拽液压油。忽略液压缸泄漏，其输出力大小满足下列关系：

其中：F_i为液压缸A_i的输出力(i＝1、2)；β_e为液压油的弹性模量；A_p为本驱动系统液压缸(A1、A2)的作用面积；由伺服阀控制；x_i为液压缸Ai的行程；V_t为液压缸总容积。

液压缸输出力与另一自由度的运动趋势正好相反，与对系统另一自由度的正常运行造成影响；同时由于液压缸对另一自由度的力臂很短，不至于阻止另一自由度的运动，因此液压缸会收到拉拽，产生超压或者气穴，严重时甚至可能对液压缸造成损害。

b)解耦驱动：伺服阀关闭，油路封死，由该组驱动中任一液压缸的A腔流向另一液压缸的B腔，来实现油液在本组驱动中的流动，使耦合产生的影响通过平衡解耦管路消除。其输出力大小为：

其中：F₁为液压缸A1的输出力；F₂为液压缸A2的输出力；β_e为液压油的弹性模量；A_p为本驱动系统液压缸(A1、A2)的作用面积；由伺服阀控制；x₁为液压缸A1的行程；x₂为液压缸A2的行程；V_t为液压缸总容积。

由于液压缸驱动A1、A2采取对称布置，因此另一自由度运动时，液压缸A1、A2行程接近，既：x₁≈x₂。因此使用解耦管路A3、A4对系统进行解耦后，液压缸的输出力F₁、F₂很小，几乎不会对另一自由度的运动照成影响。

在液压缸受到耦合影响时，通过本发明的解耦驱动，另一自由度运动导致液压缸A1、A2的输出力波动明显减小，系统可以在锁定任一自由度运动(该自由度驱动系统伺服阀关闭)的情况下自由的进行另一自由度的运动，这是本发明所带来的最显著的优点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：包括两自由度摇摆台、驱动两自由度摇摆台的两组液压缸、驱动两组液压缸的阀组和解耦管路，所述两自由度摇摆台为横纵摇并联驱动且各自由度均为冗余驱动，每组液压缸包括工作方向相反的两个冗余液压缸，横摇驱动的两个液压缸分别为A1、A2，纵摇驱动的两个液压缸分别为B1、B2，驱动A1、A2的阀组和解耦管路与驱动B1、B2的阀组和解耦管路相同，驱动A1、A2的阀组包括液压缸A1侧的解耦切换阀A5、液压缸A2侧的解耦切换阀A6、分别控制液压缸A1、A2的两个伺服阀A8，解耦管路包括管道A3和A4，液压缸A1、A2的两腔均分别连接对应的伺服阀A8的A、B口，管道A3的一端连接解耦切换阀A6，管道A3的另一端连接液压缸A1的上腔，解耦切换阀A6的另一端连接液压缸A2的下腔，管道A4的一端连接解耦切换阀A5，管道A4的另一端连接液压缸A2的上腔，解耦切换阀A5的另一端连接液压缸A1的下腔，解耦管路的管道A3、A4采用细长管道。

2.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：驱动A1、A2的阀组还包括保护液压缸A1、A2的溢流阀A7，A1侧的溢流阀A7和A2侧的溢流阀A7均为两个，每侧的两个溢流阀A7分别连接对应的液压缸的两腔。

3.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：所述液压缸A1、A2、B1、B2均为单出杆对称式液压缸。

4.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：所述两自由度摇摆台包括被驱动的摇摆体、摇摆内轴、摇摆框、摇摆外轴和地面安装平台，所述摇摆体和摇摆内轴通过轴承连接，所述摇摆内轴和摇摆框通过轴承连接，所述摇摆框和摇摆外轴通过轴承连接，所述摇摆外轴和地面安装平台通过轴承连接。

5.如权利要求4所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：所述液压缸A1、A2关于摇摆内轴对称布置，液压缸B1、B2关于摇摆外轴对称布置，液压缸A1、A2、B1、B2为斜向安装。

6.如权利要求4所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：每个液压缸上端均通过球铰与摇摆体连接，球铰固定在摇摆体的安装位置，每个液压缸下端均通过虎克铰与地面连接，虎克铰固定在地面的安装位置。

7.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：每组两个液压缸的冗余驱动的工作方式为一推一拉。

8.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：与液压缸A1、A2相连接的解耦管路的管道A3、A4通过固定卡扣沿壁布置，管道A3、A4通过软管与伺服阀A8的液压管路相连接。

9.如权利要求1所述一种用于两自由度摇摆台冗余驱动的液压解耦系统，其特征在于：解耦管路的管道A3、A4的直径为6-10mm。

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