CN114704508B - 一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统 - Google Patents

一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其包括静压支撑伺服缸、主控油路、辅控油路和液压锁。主控油路为伺服阀、比例阀和二位四通换向阀并联的控制模块，最大限度保证即使在阀组出现故障时仍能确保系统稳定可靠性。辅控油路为两套液压元件并联的控制模块，有效保证即使阀件出现失效时仍能确保液压锁能够正常锁紧打开。本发明在阀组与泵站连接管路上设置有蓄能器，不仅可以有效平稳管路压力波动，也可以补偿机器人以最大速度运动下的泵站流量峰值，有效提升了系统工作稳定性，提高了能量利用率。

Description

一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统
技术领域
本发明属于液压系统领域，具体涉及一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统。
背景技术
六自由度并联机器人是指机器人定平台和动平台通过多个运动支链相连接，具有六个自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机器人。相较于串联机器人而言，六自由度并联机器人具有承载能力高、刚度大、结构稳定、末端灵活性高等优势，可以对刚体在空间的位置姿态进行完全的精准控制，从而可对被研究对象开展在任意位姿状态下的性能测试。目前该类机器人已广泛应用于运载火箭燃料自动加注装置、航天产品舱段对接、道路模拟器等，对我国航空航天应用、武器研究等领域具有重要意义。考虑到重载情况下电驱技术存在承载力不足、滚珠丝杠易卡滞的问题，目前高精度重载工况下六自由度并联机器人大多采用电液伺服系统进行运动控制。电液伺服六自由度并联机器人主要由静平台、动平台及六根伺服缸组成。六根伺服缸并联布置，通过球铰、虎克铰或万向节的方式连接动静平台。在实际作业过程中，一般由视觉测量系统实时反馈目标点与机器人动平台相对位置关系，接着由运动规划器解算出各伺服缸的空间运动曲线。通过建立高精度电液伺服控制策略实现单缸期望位移速度跟踪，从而保证电液伺服六自由度并联机器人完成目标主动跟随或期望空间位姿复现的任务。
在实际任务执行过程中，电液伺服并联机器人需要保证始终高可靠性，在预期任务区间内完成目标跟踪、位姿复现等功能。现有并联机器人电液伺服系统在常规作业状态下均可实现高效高精度对接，但由于其并未考虑到裕度设计，主要存在有以下几点隐患：1)伺服电液系统对油液敏感度极高，一旦在位置跟踪时出现伺服阀阀芯卡滞的问题，将引起伺服缸无法正常跟随给定轨迹；2)当并联机器人处于位姿保持状态时，伺服油缸在重力作用下会发生泄露，导致系统整体偏移初始标定位置；3)电液系统中关键液压元件并未做出预备方案，导致各类阀件出现故障后，部分油路无法正常工作。一旦上述隐患出现在单伺服缸跟踪空间位移、速度曲线的工况下，将会引起电液伺服并联机器人出现卡滞、动作紊乱等问题，不仅无法保证系统达到毫米级的运动控制精度，甚至会危及到现场设施及人员安全。
发明内容
为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统。本发明可以理解为具备多套预备液压回路的高可靠性电液伺服系统。本发明主要由静压支撑伺服缸、主控油路及辅控油路三部分组成。静压支撑伺服缸具备低摩擦、高定位精度的优势，是电液伺服六自由度并联机器人的执行元件。主控油路为伺服阀、比例阀和二位四通换向阀并联的控制模块，最大限度保证即使在阀组出现故障时仍能确保系统稳定可靠性。辅控油路为两套液压元件并联的控制模块，有效保证即使阀件出现失效时仍能确保液压锁能够正常锁紧打开。此外，系统还配备有多套不同规格蓄能器，主要作用是平衡伺服电液系统的峰值流量并平稳各阀件的进出口压力。在电液伺服系统装配过程中，主控油路、辅控油路及蓄能模组均布置在电液伺服六自由度并联机器人基座上，避免额外负载降低静压支撑伺服缸动态响应特性，同时也可有效扩大机器人末端的可达工作空间。
本发明所描述的多裕度液压系统只是针对于六自由度并联机器人的单缸电液系统，实际上六自由度并联机器人共有六根缸，若要实现六根缸的多裕度液压，则对应需要六套完全一样的本发明的多裕度液压系统。
本发明首先提供了一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其包括静压支撑伺服缸、主控油路、辅控油路和液压锁；
所述主控油路包括高压管路、回油管路、低压蓄能器、高压蓄能器、伺服阀、比例阀、二位四通换向阀；
所述辅控油路包括第一单向节流阀、第一Y型二位四通换向阀、第二单向节流阀、第二Y型二位四通换向阀；
高压管路连接外部泵站出口，高压蓄能器位于高压管路的上游；伺服阀、比例阀、二位四通换向阀的进油口P口均分别与高压管路连接；伺服阀、比例阀、二位四通换向阀的A口与液压锁的左侧油路入口B口连接，液压锁的左侧油路出口D口连接静压支撑伺服缸的一侧油腔；伺服阀、比例阀、二位四通换向阀的B口与液压锁的右侧油路入口C口连接，液压锁的右侧油路出口E口连接静压支撑伺服缸的另一侧油腔；伺服阀、比例阀、二位四通换向阀的回油口T口均分别与回油管路连接，回油管路的下游安装有低压蓄能器，回油管路连接回油箱；
所述第一Y型二位四通换向阀和第二Y型二位四通换向阀的进油口P口与主控油路的高压管路相连，第一Y型二位四通换向阀和第二Y型二位四通换向阀的回油口T口与主控油路的回油管路相连；第一Y型二位四通换向阀的工作油口A口通过第一单向节流阀连接液压锁的控制油口A口，第二Y型二位四通换向阀的工作油口A口通过第二单向节流阀连接液压锁的控制油口A口。
本发明还提供了一种上述用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统的工作方法：
经过运动规划器解算，各静压支撑伺服缸得到需要跟踪的位移速度曲线后，多裕度液压系统开始工作，
设静压支撑伺服缸需要向右运动；主控油路的伺服阀首先作动，切换至右位，而比例阀处于中位，二位四通换向阀处于左位，此时高压油从伺服阀的进油口流入，从伺服阀的工作油口A口流出；当伺服阀由于油液污染导致阀芯卡滞或疲劳失效后，比例阀切换至右位，而二位四通换向阀仍处于左位，此时高压油从伺服阀的进油口流入，从伺服阀的工作油口A口流出；主控油路在伺服阀或比例阀的控制作用下，静压支撑伺服缸均可以进行高精度位移、速度控制；
当伺服阀和比例阀均失效后，代表静压支撑伺服缸已经无法进行调速，需要电液伺服六自由度并联机器人整体复位并进行故障排查及维修，此时二位四通换向阀切换至右位，高压油从二位四通换向阀的进油口流入，从工作油口B口流出；静压支撑伺服缸收回至初始状态；
当电液伺服六自由度并联机器人处于非静止状态下时，第一Y型二位四通换向阀切换至右位，此时高压油从第一Y型二位四通换向阀进油口流入，通过第一单向节流阀后流入到液压锁入口A；在高压油作用下，液压锁打开，静压支撑伺服缸可正常作动；当第一Y型二位四通换向阀或第一单向节流阀任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀切换至右位，此时高压油从第二Y型二位四通换向阀的进油口流入，通过第二单向节流阀后流入到液压锁入口A；辅控油路的双冗余设计保证在需要静压支撑伺服缸作动时，液压锁始终保持打开状态；
当电液伺服六自由度并联机器人需要收回原位或维持姿态时，需要保证静压支撑伺服缸在当前位置锁紧，此时第一Y型二位四通换向阀切换左位，其工作油口A口与回油口T接通，液压锁控制油路压力降低到油箱压力，液压锁关闭；当第一Y型二位四通换向阀或第一单向节流阀任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀切换至左位，液压锁关闭。
本发明提出的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统聚焦于系统稳定性及高可靠性，主要通过主控油路及辅控油路实现。该套多裕度液压系统的引入带来了以下几项优势：一是有效提升系统可靠性，即使在伺服阀因油液污染而失效后，静压支撑伺服缸依然可通过比例阀实现高精度控制。此外，在伺服阀、比例阀均失效的情况下，系统可在二位四通换向阀作用下迅速复位，中止任务并检查维修；二是采用液压锁而非持续供油使机器人维持姿态稳定，从而省去一套额外的油源模块，降低了研制成本，降低了电液伺服系统复杂性，避免不必要的能量损耗；三是并联两套液压元件为液压锁控制油口供油，有效避免因液压锁无法正常启闭所引起的电液伺服六自由度并联机器人动作紊乱；四是配置蓄能器来平稳系统压力波动，提升系统工作稳定性的同时实现了节能。
本发明针对现有电液伺服六自由度并联机器人可靠性和稳定性不足的问题，在主控油路设计伺服阀、比例阀和二位四通换向阀并联，在辅控油路设计两套液压元件互为冗余，大大提高了系统可靠性。此外，本发明在阀组与泵站连接管路上设置有蓄能器，不仅可以有效平稳管路压力波动，也可以补偿机器人以最大速度运动下的泵站流量峰值，有效提升了系统工作稳定性，提高了能量利用率。综上所述，本发明在为实现高可靠性节能型六自由度并联机器人的电液伺服系统方面具有极大的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统的总体结构示意图。
1-低压蓄能器；2-高压蓄能器；3-伺服阀；4-比例阀；5-二位四通换向阀；6-第一单向节流阀；7-第一Y型二位四通换向阀；8-第二单向节流阀；9-第二Y型二位四通换向阀；10-液压锁；11-静压支撑伺服油缸。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，本实施例的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其特征在于，包括静压支撑伺服缸、主控油路、辅控油路和液压锁；
所述主控油路包括高压管路、回油管路、低压蓄能器1、高压蓄能器2、伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5；所述的伺服阀3和比例阀4均为三位四通阀。
所述辅控油路包括第一单向节流阀6、第一Y型二位四通换向阀7、第二单向节流阀8、第二Y型二位四通换向阀9；
高压管路连接外部泵站出口，高压蓄能器2位于高压管路的上游；伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5的进油口P口均分别与高压管路连接；伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5的A口与液压锁10的左侧油路入口B口连接，液压锁10的左侧油路出口D口连接静压支撑伺服缸的一侧油腔；伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5的B口与液压锁10的右侧油路入口C口连接，液压锁10的右侧油路出口E口连接静压支撑伺服缸的另一侧油腔；伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5的回油口T口均分别与回油管路连接，回油管路的下游安装有低压蓄能器1，回油管路连接回油箱；
所述第一Y型二位四通换向阀7和第二Y型二位四通换向阀9的进油口P口与主控油路的高压管路相连，第一Y型二位四通换向阀7和第二Y型二位四通换向阀9的回油口T口与主控油路的回油管路相连；第一Y型二位四通换向阀7的工作油口A口通过第一单向节流阀6连接液压锁10的控制油口A口，第二Y型二位四通换向阀9的工作油口A口通过第二单向节流阀8连接液压锁10的控制油口A口。
在本发明的一个优选实施例中，所述高压蓄能器连接在泵站出口，用于平缓最大流量峰值的同时减小主控油路阀组前的压力波动。
在本发明的一个优选实施例中，所述伺服阀3、比例阀4、二位四通换向阀5之间为并联连接。
以下结合图1所示的系统对本发明的工作过程进行说明：
经过运动规划器解算，各静压支撑伺服缸得到需要跟踪的位移速度曲线后，电液伺服系统开始工作。本发明以静压支撑伺服缸11向右运动为例说明系统工作原理。泵站出口连接到高压蓄能器2，当系统以最大速度运动时，静压支撑伺服缸11所需流量较大，此时只依赖于泵站流量并不利于系统稳定性，此时高压蓄能器2会释放部分高压油液，平缓最大流量峰值的同时减小主控油路阀组前的压力波动。
主控油路部分伺服阀3首先作动，切换至右位，而比例阀4处于中位，二位四通换向阀5处于左位。此时高压油从伺服阀3的3P口流入，从3A口流出。当伺服阀3由于油液污染导致阀芯卡滞或疲劳失效后，比例阀4切换至右位，而二位四通换向阀5仍处于左位。此时高压油从伺服阀4的4P口流入，从4A口流出。当主控油路在伺服阀3或比例阀4的控制作用下，静压支撑伺服缸11均可以进行高精度位移、速度控制。当伺服阀3和比例阀4均失效后，代表静压支撑伺服缸11已经无法进行调速，需要电液伺服六自由度并联机器人整体复位并进行故障排查及维修。此时二位四通换向阀5切换至右位，高压油从二位四通换向阀5的5P口流入，从5B口流出。静压支撑伺服缸11收回至初始状态。液压锁10的10B口与伺服阀3A、比例阀4A和二位四通换向阀5A连接，高压油汇总流入到10B。10D口与静压支撑伺服缸11A连接。10C口与伺服阀3B、比例阀4B和二位四通换向阀5B连接，低压油从10C口汇总流出。10E口与静压支撑伺服缸11B连接。
辅控油路部分高压油路连接到第一Y型二位四通换向阀7的7P口和第二Y型二位四通换向阀9的9P口。当电液伺服六自由度并联机器人处于非静止状态下时，第一Y型二位四通换向阀7切换至右位，此时高压油从7P口流入，通过第一单向节流阀6后流入到液压锁入口10A。在高压油作用下，液压锁打开，静压支撑伺服缸11可正常作动。当第一Y型二位四通换向阀7或第一单向节流阀6任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀9切换至右位，此时高压油从9P口流入，通过第二单向节流阀8后流入到液压锁入口10A。辅控油路的双冗余设计可以有效保证在需要静压支撑伺服缸11作动时，液压锁始终保持打开状态。当电液伺服六自由度并联机器人需要收回原位或维持姿态时，需要保证静压支撑伺服缸11在当前位置锁紧，此时第一Y型二位四通换向阀7切换左位，7A与7T接通，液压锁控制油路压力降低到油箱压力，液压锁10关闭。当第一Y型二位四通换向阀7或第一单向节流阀6任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀9切换至左位，液压锁10关闭。
回油箱管路与伺服阀3的3T口、比例阀4的4T口、二位四通换向阀5的5T口、第一Y型二位四通换向阀7的7T口、第二Y型二位四通换向阀9的9T口及低压蓄能器1连接。低压蓄能器1在电液伺服六自由度并联机器人高速运动的工况下可有效吸收压力波动，提高工作稳定性。
本发明针对现有电液伺服六自由度并联机器人可靠性和稳定性不足的问题，在主控油路设计伺服阀、比例阀和二位四通换向阀并联，在辅控油路设计两套液压元件互为冗余，大大提高了系统可靠性。此外，本发明在阀组与泵站连接管路上设置有蓄能器，不仅可以有效平稳管路压力波动，也可以补偿机器人以最大速度运动下的泵站流量峰值，有效提升了系统工作稳定性，提高了能量利用率。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其特征在于，包括静压支撑伺服缸（11）、主控油路、辅控油路和液压锁（10）；
所述主控油路包括高压管路、回油管路、低压蓄能器（1）、高压蓄能器（2）、伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）；
所述辅控油路包括第一单向节流阀（6）、第一Y型二位四通换向阀（7）、第二单向节流阀（8）、第二Y型二位四通换向阀（9）；
高压管路连接外部泵站出口，高压蓄能器（2）位于高压管路的上游；伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）的进油口P口均分别与高压管路连接；伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）的A口与液压锁（10）的左侧油路入口B口连接，液压锁（10）的左侧油路出口D口连接静压支撑伺服缸的一侧油腔；伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）的B口与液压锁（10）的右侧油路入口C口连接，液压锁（10）的右侧油路出口E口连接静压支撑伺服缸的另一侧油腔；伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）的回油口T口均分别与回油管路连接，回油管路的下游安装有低压蓄能器（1），回油管路连接回油箱；
所述第一Y型二位四通换向阀（7）和第二Y型二位四通换向阀（9）的进油口P口与主控油路的高压管路相连，第一Y型二位四通换向阀（7）和第二Y型二位四通换向阀（9）的回油口T口与主控油路的回油管路相连；第一Y型二位四通换向阀（7）的工作油口A口通过第一单向节流阀（6）连接液压锁（10）的控制油口A口，第二Y型二位四通换向阀（9）的工作油口A口通过第二单向节流阀（8）连接液压锁（10）的控制油口A口。
2.根据权利要求1所述的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其特征在于，所述高压蓄能器连接在泵站出口，用于平缓最大流量峰值的同时减小主控油路阀组前的压力波动。
3.根据权利要求1所述的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其特征在于，所述伺服阀（3）、比例阀（4）、二位四通换向阀（5）之间为并联连接。
4.根据权利要求1所述的用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统，其特征在于，所述的伺服阀和比例阀均为三位四通阀。
5.一种权利要求1所述用于电液伺服六自由度并联机器人的多裕度液压系统的工作方法，其特征在于：
经过运动规划器解算，各静压支撑伺服缸得到需要跟踪的位移速度曲线后，多裕度液压系统开始工作，
设静压支撑伺服缸需要向右运动；主控油路的伺服阀首先作动，切换至右位，而比例阀处于中位，二位四通换向阀处于左位，此时高压油从伺服阀的进油口流入，从伺服阀的工作油口A口流出；当伺服阀由于油液污染导致阀芯卡滞或疲劳失效后，比例阀切换至右位，而二位四通换向阀仍处于左位，此时高压油从比例阀的进油口流入，从比例阀的工作油口A口流出；主控油路在伺服阀或比例阀的控制作用下，静压支撑伺服缸均可以进行高精度位移、速度控制；
当伺服阀和比例阀均失效后，代表静压支撑伺服缸已经无法进行调速，需要电液伺服六自由度并联机器人整体复位并进行故障排查及维修，此时二位四通换向阀切换至右位，高压油从二位四通换向阀的进油口流入，从工作油口B口流出；静压支撑伺服缸收回至初始状态；
当电液伺服六自由度并联机器人处于非静止状态下时，第一Y型二位四通换向阀切换至右位，此时高压油从第一Y型二位四通换向阀进油口流入，通过第一单向节流阀后流入到液压锁入口A；在高压油作用下，液压锁打开，静压支撑伺服缸可正常作动；当第一Y型二位四通换向阀或第一单向节流阀任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀切换至右位，此时高压油从第二Y型二位四通换向阀的进油口流入，通过第二单向节流阀后流入到液压锁入口A；辅控油路的双冗余设计保证在需要静压支撑伺服缸作动时，液压锁始终保持打开状态；
当电液伺服六自由度并联机器人需要收回原位或维持姿态时，需要保证静压支撑伺服缸在当前位置锁紧，此时第一Y型二位四通换向阀切换左位，其工作油口 A口与回油口T接通，液压锁控制油路压力降低到油箱压力，液压锁关闭；当第一Y型二位四通换向阀或第一单向节流阀任一元件出现失效情况时，第二Y型二位四通换向阀切换至左位，液压锁关闭。
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