CN114227667B - 基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器及其工作方法。该自激励流体信号发生器，包括两个流体激励单元。流体激励单元包括串联的油箱、恒流液源、常开流控晶体管和流控二极管，以及设置在恒流液源与常开流控晶体管之间的蓄能装置。恒流液源的输入端与油箱连接。第一个流体激励单元中恒流液源的输出端与第二个流体激励单元中常开流控晶体管的液控端连接；第二个流体激励单元中恒流液源的输出端与第一个流体激励单元中常开流控晶体管的液控端连接。流控二极管的输出端用于向外输出自激励流体信号。本发明采用常量输入即可实现输出的周期性变化，能有效降低工程实际中对射流控制系统控制输入接口数量的限制。
Description
技术领域
本发明属于射流驱动机器人领域，具体涉及一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器。
背景技术
软体机器人的相较于传统的刚性机器人有着许多优势，可实现刚性机器人难以实现或不能实现的功能。流体驱动是目前软体机器人最主流的驱动方式，且具有人机交互性高、安全性高、成本较低、控制方便等优点，因此被广泛地应用于各个工业领域。然而，目前软体机器人实用的一个关键问题在于：增加独立控制的软执行器或自由度的数量通常需要增加相等或更多的输入控制接口。
为了减少和消除上述这种对外部控制输入增加的需要，本发明提出一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器。受到电子元件（二极管、三极管等）的启发，本发明提出基于射流控制的流体元件，并将所提出的流体元件组合设计出一种自激励流体控制回路，采用定流量输入即可实现六个状态的变化。可解决软体机器人领域较少输入实现复杂输出的需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，采用定流量输入即可实现多个状态的周期性变化。
本发明一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，包括两个流体激励单元。流体激励单元包括串联的油箱、恒流液源、常开流控晶体管和流控二极管，以及设置在恒流液源与常开流控晶体管之间的蓄能装置。流控二极管具有输入端和输出端，仅允许液压介质从输入端流向输出端。常开流控晶体管具有输入端、输出端和液控端。液控端具有下压力阈值和上压力阈值；当液控端的压力低于下压力阈值或高于上压力阈值时，常开流控晶体管输入端与输出端之间断开；当液控端的压力在下压力阈值至上压力阈值之间时，常开流控晶体管输入端与输出端之间导通。第一个流体激励单元中恒流液源的输出端与第二个流体激励单元中常开流控晶体管的液控端连接；第二个流体激励单元中恒流液源的输出端与第一个流体激励单元中常开流控晶体管的液控端连接。流控二极管的输出端用于向外输出自激励流体信号。
作为优选，所述的蓄能装置采用能够膨胀的弹性液囊，其充压时内部压力逐渐增大。
作为优选，工作过程中，通过两个恒流液源持续输出流体，实现两个流体激励单元中的流控二极管错开180°相位的周期性输出压力信号。
作为优选，所述的流控二极管包括二极管上端盖、弧形密封片、二极管支撑盘和二极管下端盖。二极管下端盖与二极管下端盖对接设置。二极管下端盖与二极管下端盖的相反端分别设置有进流接口、出流接口。二极管下端盖内腔靠近二极管下端盖的端部设置有支撑台。二极管下端盖的内腔设置有朝向支撑台的环形台阶。二极管支撑盘通过支撑台外侧面上的三个环形导向片滑动连接在支撑台上。二极管支撑盘上开设有中心孔。支撑台的边缘处设置有多个通流缺口。二极管支撑盘远离支撑台的侧面上固定有向外凸起的弧形密封片。弧形密封片抵住二极管下端盖上的环形台阶；
作为优选，所述的常开流控晶体管包括壳体、晶体管支撑柱、密封圈和液控组件。晶体管上端盖的顶部开设有流体输入口。壳体内设置有依次连接的输入腔室、输出腔室和液控腔室。壳体上设置有与输入腔室、输出腔室和液控腔室分别相连的流体输入口、流体输出口和液控口；流体输入口位于输入腔室的端部中心位置；输入腔室内的端部设置有环绕流体输入口的环形凸起。输入腔室与输出腔室之间设置有连接通道。晶体管支撑柱由一体成型的导向柱和阻流板组成。导向柱滑动连接在连接通道内，且导向柱与连接通道之间留有供液压介质通过的间隙或流道。阻流板位于输入腔室内，并与环形凸起对齐且间隔设置。阻流板远离流体输入口的侧面固定有密封圈。液控组件设置输出腔室内，其包括压力传递块和弹性密封环。输出腔室和液控腔室连接处的中心位置设置有压力控制口。压力传递块设置在输出腔室内部的中心位置，且通过间隔设置的一个或多个弹性密封环与输出腔室的内侧壁连接。压力传递块的一端与晶体管支撑柱对齐。压力传递块的另一端与压力控制口对齐；流体输出口位于液控组件远离液控腔室的一侧。液控组件将输出腔室与液控腔室密封隔开。
作为优选，所述流体激励单元的流控二极管输出端用于连接自复位的液压元件；该液压元件的输入端、输出端与流控二极管的输出端、油箱分别连接。
作为优选，所述液压元件的输出端设置有阻尼接口。
作为优选，所述的液压元件采用软触手。软触手充压时发生弯曲。
作为优选，所述的软触手包括长条形的主体部分，以及在主体部分一侧依次间隔排列的凸起部分。主体部分的内腔与各凸起部分的内腔连通。
作为优选，流体激励单元中串联有一段或多段阻力管道。
该基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器的工作方法如下：
步骤一、第一个流体激励单元内的恒流液源启动，此时，第一个流体激励单元内的常开流控晶体管处于断开状态，第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力增大。
步骤二、第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力达到下压力阈值时导通，此时，第二个流体激励单元内的恒流液源启动，使得第二个流体激励单元输出压力。
步骤三、随着第一个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力达到上压力阈值并断开，第二个流体激励单元停止输出压力；同时使得第二个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力增大。
步骤四、第一个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力达到下压力阈值时导通，第一个流体激励单元通过恒流液源和蓄能装置向外输出压力；同时，第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力快速降低至低于下压力阈值。
步骤五、随着第二个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力达到上压力阈值并断开，第一个流体激励单元停止输出压力。同时，使得第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力增大。
步骤六、第二个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力达到下压力阈值时导通，第二个流体激励单元内的恒流液源和蓄能装置通过恒流液源和蓄能装置向外输出压力；同时，第一个流体激励单元内常开流控晶体管的液控端压力快速降低至低于下压力阈值。
步骤七、随着两个恒流液源的持续恒流供液，步骤三至六持续重复执行，两个流体激励单元交替输出压力。
本发明具有的有益效果是：
1.本发明提出的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器采用常量输入即可实现输出的周期性变化，能有效降低工程实际中对射流控制系统控制输入接口数量的限制。
2.本发明提出的流控二极管、常开流控晶体管、油箱、阻力管道等元件可自行组合成新的流控电路，可编程性强；也可采用3D打印的方法进行统一制造，便于集成化和小型化。
3.根据实际需求的不同，本发明提出的流控二极管、常开流控晶体管、油箱、阻力管道等元件方便更改尺寸，从而改变触发压力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中阻力管道的外形示意图；
图3为本发明中软触手的变形过程示意图；
图4为本发明中阻尼接口的剖视图；
图5为本发明中流控二极管的外形示意图；
图6为本发明中流控二极管的剖面图；
图7为本发明中流控二极管下端盖外的形示意图；
图8为本发明中流控二极管支撑盘的外形示意图；
图9为本发明中常开流控晶体管的外形示意图；
图10为本发明中常开流控晶体管的剖面图；
图11为本发明的控制原理状态图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，包括两个相同的流体激励单元。流体激励单元包括依次串联的恒流液源6、阻力管道4、常开流控晶体管2、流控二极管1、软触手5和油箱3，以及设置在恒流液源6与阻力管道4之间的蓄能装置。蓄能装置采用能够膨胀的弹性液囊，使得充压时内部压力逐渐增大。流控二极管1具有输入端和输出端，其为液压单向阀，仅允许液压介质从输入端流向输出端。常开流控晶体管2具有输入端、输出端和液控端。液控端具有下压力阈值和上压力阈值；当液控端的压力低于下压力阈值或高于上压力阈值时，常开流控晶体管2输入端与输出端之间断开；当液控端的压力在下压力阈值至上压力阈值之间时，常开流控晶体管2输入端与输出端之间导通。恒流液源6的输入端与油箱3连接。软触手5充压时发生弯曲。软触手5的输出端设置有阻尼接口5.1；阻尼接口5.1由输入端到输出端的方向上，内腔截面逐渐减小，从而在软触手5泄压时形成阻力，避免软触手5泄压过快，无法发生弯曲。
如图2所示，水流在阻力管道4内流动时，由于水流与管道壁面的摩擦，管道会起到阻流的作用，使得流经管道的流体的压力降低。
第一个流体激励单元中恒流液源6的输出端与第二个流体激励单元中常开流控晶体管2的液控端连接；第二个流体激励单元中恒流液源6的输出端与第一个流体激励单元中常开流控晶体管2的液控端连接。在触发后，只需要两个恒流液源6持续输出恒定流体，即可实现两个软触手5错开180°相位的周期性弯曲和伸直。
如图3和4所示，软触手5包括长条形的主体部分，以及在主体部分一侧依次间隔排列的凸起部分。主体部分的内腔与各凸起部分的内腔连通；当软触手5充压时，各凸起部分膨胀，迫使主体部分向远离凸起部分的一侧弯曲。软触手开始冲入一定流量的流体可类比为电流流入一个阻容并联的电路。初始时，电路内有电流通过，电路压降逐渐增大，直至电容电量充满（软触手在通入流体时，初始时入口和出口的压降最小，后逐渐增大，直至软触手充分弯曲，压降达到最大）。本回路需要两个恒流液源作为信号输入，可实现两个软触手周期性运动。周期运动中，每个软触手有三种状态，分别为不弯曲、部分弯曲和充分弯曲。
如图4、5、6和7所示，流控二极管1包括二极管上端盖1.1、弧形密封片1.2、二极管支撑盘1.3和二极管下端盖1.4。二极管上端盖1.1与二极管下端盖1.4对接设置。二极管上端盖1.1与二极管下端盖1.4的相反端分别设置有进流接口、出流接口。二极管下端盖1.4内腔靠近二极管上端盖1.1的端部设置有支撑台。二极管上端盖1.1的内腔设置有朝向支撑台的环形台阶。二极管支撑盘1.3通过支撑台外侧面上的三个环形导向片1.4.1滑动连接在支撑台上。二极管支撑盘1.3上开设有中心孔。支撑台的边缘处设置有多个通流缺口。
二极管支撑盘1.3远离支撑台的侧面上固定有向外凸起的弧形密封片1.2。弧形密封片1.2呈部分球形，抵住二极管上端盖1.1上的环形台阶；本发明提出的流控二极管可实现正向导通，反向截止的功能。当进流接口通入一定压力的流体时，在压力的作用下，弧形密封片1.2中心位置会向下塌缩，使得流体能够沿着二极管上端盖1.1内腔近壁面位置向下流动，直至从二极管下端盖的出流接口流出。当出流接口通入一定压力的流体时，二极管下端盖中压力推动弧形密封片1.2挤压环形台阶，使得弧形密封片与二极管上端盖内腔贴合面积逐渐增大，堵住二极管上端盖流体通道，起到截止的效果。
如图8、9和10所示，常开流控晶体管2包括壳体、晶体管支撑柱2.2、密封圈2.3和液控组件。晶体管上端盖2.1的顶部开设有流体输入口。
壳体内设置有依次连接的输入腔室、输出腔室和液控腔室。壳体上设置有与输入腔室、输出腔室和液控腔室分别相连的流体输入口、流体输出口和液控口；壳体包括依次连接的晶体管上端盖2.1、晶体管中壳2.4和晶体管下端盖2.8。流体输入口、流体输出口和液控口分别设置晶体管上端盖2.1、晶体管中壳2.4和晶体管下端盖2.8上。
流体输入口位于输入腔室的端部中心位置；输入腔室内的端部设置有环绕流体输入口的环形凸起。输入腔室与输出腔室之间设置有连接通道。晶体管支撑柱2.2由一体成型的导向柱和阻流板组成。导向柱滑动连接在连接通道内，且导向柱与连接通道之间留有供液压介质通过的间隙或流道。阻流板位于输入腔室内，并与环形凸起对齐且间隔设置。阻流板远离流体输入口的侧面固定有密封圈2.3。当密封圈2.3抵住输入腔室与连接通道之间的台阶处时，将输入腔室与输出腔室隔断；因此，初始状态下的常开流控晶体管2处于断开状态。
液控组件设置输出腔室内，其包括压力传递块2.5、上弹性密封环2.6、下弹性密封环2.7。输出腔室和液控腔室连接处的中心位置设置有压力控制口。压力传递块2.5设置在输出腔室内部的中心位置，且通过间隔设置的上弹性密封环2.6和下弹性密封环2.7与输出腔室的内侧壁连接。压力传递块2.5的一端与晶体管支撑柱2.2对齐。压力传递块2.5的另一端与压力控制口对齐；流体输出口位于液控组件远离液控腔室的一侧。液控组件将输出腔室与液控腔室密封隔开。
本发明提出的常开流控晶体管可实现流体控制闭合和断开。以液控口为G2，流体输入口为S2，流体输出口为D2。当G2端口输入的流体压力PG2<Pe2’（ Pe2’为使晶体管支撑柱上升到与晶体管支撑柱3.2接触时的最低压力）时，密封圈与晶体管中壳2.4接触并挤压，此时，从S2端口流入的流体聚集在晶体管上端盖内腔中，无法从D2端口流出，起到常开的效果。当G2端口输入的流体压力Pe2’≤PG2< Pe2’’时（Pe2’’为使晶体管支撑柱上升到与晶体管上端盖2.1接触时的最小压力，Pe2’’随S2端口的压力值变而化），从S2端口流入的流体可沿着连接通道的壁面流下，并最终从D2端口流出，实现流体控制导通的作用。当G2端口输入的流体压力PG2≥Pe2’’时，晶体管支撑柱2.2上端面与晶体管上端盖2.1贴合，堵住S2端口，实现输入高压断开的效果。此处的Pe2’、Pe2’’即为前述的下压力阈值和上压力阈值。
该基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器的工作方法如下：
步骤一、第一个流体激励单元内的恒流液源6启动，此时，第一个流体激励单元内的常开流控晶体管2处于断开状态，第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力增大。
步骤二、第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力达到下压力阈值时导通，此时，第二个流体激励单元内的恒流液源6启动，使得第二个流体激励单元内的软触手5充压发生充分弯曲。
步骤三、随着第一个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力达到上压力阈值并断开，第二个流体激励单元内的软触手5开始泄压，逐渐伸直（处于部分弯曲状态）；同时使得第二个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力增大。
步骤四、第一个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力达到下压力阈值时导通，第一个流体激励单元内的恒流液源和蓄能装置共同为对应的软触手5充压，使得该软触手5充分弯曲；同时，第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力快速降低至低于下压力阈值。第二个流体激励单元内的软触手5完全伸直。
步骤五、随着第二个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力达到上压力阈值并断开，第一个流体激励单元内的软触手5开始泄压，逐渐伸直（处于部分弯曲状态）；同时，使得第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力增大。
步骤六、第二个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力达到下压力阈值时导通，第二个流体激励单元内的恒流液源和蓄能装置共同为对应的软触手5充压，使得该软触手5充分弯曲；同时，第一个流体激励单元内常开流控晶体管2的液控端压力快速降低至低于下压力阈值。第一个流体激励单元内的软触手5完全伸直。
步骤七、随着两个恒流液源的持续恒流供液，步骤三至六持续重复执行，实现两个软触手5的交替弯曲伸直。由此通过恒流液源实现了对两个软触手5的自激励控制。
Claims (7)
1.一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，包括两个流体激励单元；其特征在于：所述的流体激励单元包括串联的油箱（3）、恒流液源（6）、常开流控晶体管（2）和流控二极管（1），以及设置在恒流液源（6）与常开流控晶体管（2）之间的蓄能装置；流控二极管（1）具有输入端和输出端，仅允许液压介质从输入端流向输出端；常开流控晶体管（2）具有输入端、输出端和液控端；液控端具有下压力阈值和上压力阈值；当液控端的压力低于下压力阈值或高于上压力阈值时，常开流控晶体管（2）输入端与输出端之间断开；当液控端的压力在下压力阈值至上压力阈值之间时，常开流控晶体管（2）输入端与输出端之间导通；第一个流体激励单元中恒流液源（6）的输出端与第二个流体激励单元中常开流控晶体管（2）的液控端连接；第二个流体激励单元中恒流液源（6）的输出端与第一个流体激励单元中常开流控晶体管（2）的液控端连接；流控二极管（1）的输出端用于向外输出自激励流体信号；
所述的蓄能装置采用能够膨胀的弹性液囊，其充压时内部压力逐渐增大；
工作过程中，通过两个恒流液源（6）持续输出流体，实现两个流体激励单元中的流控二极管（1）错开180°相位的周期性输出压力信号；
所述的常开流控晶体管（2）包括壳体、晶体管支撑柱（2.2）、密封圈（2.3）和液控组件；所述的壳体包括依次连接的晶体管上端盖（2.1）、晶体管中壳（2.4）和晶体管下端盖（2.8）；晶体管上端盖（2.1）的顶部开设有流体输入口；壳体内设置有依次连接的输入腔室、输出腔室和液控腔室；壳体上设置有与输入腔室、输出腔室和液控腔室分别相连的流体输入口、流体输出口和液控口；流体输入口位于输入腔室的端部中心位置；输入腔室内的端部设置有环绕流体输入口的环形凸起；输入腔室与输出腔室之间设置有连接通道；晶体管支撑柱（2.2）由一体成型的导向柱和阻流板组成；导向柱滑动连接在连接通道内，且导向柱与连接通道之间留有供液压介质通过的间隙或流道；阻流板位于输入腔室内，并与环形凸起对齐且间隔设置；阻流板远离流体输入口的侧面固定有密封圈（2.3）；液控组件设置在输出腔室内，其包括压力传递块（2.5）和弹性密封环；输出腔室和液控腔室连接处的中心位置设置有压力控制口；压力传递块（2.5）设置在输出腔室内部的中心位置，且通过间隔设置的一个或多个弹性密封环与输出腔室的内侧壁连接；压力传递块（2.5）的一端与晶体管支撑柱（2.2）对齐；压力传递块（2.5）的另一端与压力控制口对齐；流体输出口位于液控组件远离液控腔室的一侧；液控组件将输出腔室与液控腔室密封隔开。
2.根据权利要求1所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，其特征在于：所述的流控二极管（1）包括二极管上端盖（1.1）、弧形密封片（1.2）、二极管支撑盘（1.3）和二极管下端盖（1.4）；二极管上端盖（1.1）与二极管下端盖（1.4）对接设置；二极管上端盖（1.1）与二极管下端盖（1.4）的相反端分别设置有进流接口、出流接口；二极管下端盖（1.4）内腔靠近二极管上端盖（1.1）的端部设置有支撑台；二极管上端盖（1.1）的内腔设置有朝向支撑台的环形台阶；二极管支撑盘（1.3）通过支撑台外侧面上的三个环形导向片（1.4.1）滑动连接在支撑台上；二极管支撑盘（1.3）上开设有中心孔；支撑台的边缘处设置有多个通流缺口；二极管支撑盘（1.3）远离支撑台的侧面上固定有向外凸起的弧形密封片（1.2）；弧形密封片（1.2）抵住二极管上端盖（1.1）上的环形台阶。
3.根据权利要求1所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，其特征在于：所述流体激励单元的流控二极管（1）输出端用于连接自复位的液压元件；该液压元件的输入端、输出端与流控二极管（1）的输出端、油箱分别连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，其特征在于：所述液压元件的输出端设置有阻尼接口（5.1）。
5.根据权利要求3所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，其特征在于：所述的液压元件采用软触手（5）；所述的软触手（5）包括长条形的主体部分，以及在主体部分一侧依次间隔排列的凸起部分；主体部分的内腔与各凸起部分的内腔连通。
6.根据权利要求1所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器，其特征在于：流体激励单元中串联有一段或多段阻力管道（4）。
7.如权利要求1所述的一种基于射流逻辑控制的自激励流体信号发生器的工作方法，其特征在于：步骤一、第一个流体激励单元内的恒流液源（6）启动，此时，第一个流体激励单元内的常开流控晶体管（2）处于断开状态，第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力增大；
步骤二、第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力达到下压力阈值时导通，此时，第二个流体激励单元内的恒流液源（6）启动，使得第二个流体激励单元输出压力；
步骤三、随着第一个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力达到上压力阈值并断开，第二个流体激励单元停止输出压力；同时使得第二个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力增大；
步骤四、第一个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力达到下压力阈值时导通，第一个流体激励单元通过恒流液源和蓄能装置向外输出压力；同时，第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力快速降低至低于下压力阈值；
步骤五、随着第二个流体激励单元内的蓄能装置持续充压，第一个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力达到上压力阈值并断开，第一个流体激励单元停止输出压力；同时，使得第一个流体激励单元内的蓄能装置开始充压，第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力增大；
步骤六、第二个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力达到下压力阈值时导通，第二个流体激励单元内的恒流液源和蓄能装置向外输出压力；同时，第一个流体激励单元内常开流控晶体管（2）的液控端压力快速降低至低于下压力阈值；
步骤七、随着两个恒流液源的持续恒流供液，步骤三至六持续重复执行，两个流体激励单元交替输出压力。
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