CN116066428B - 一种输出功率可调的液压机器人储能装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输出功率可调的液压机器人储能装置，该储能装置包括储能装置头部、油侧外壳、气侧外壳、可变面积活塞、柔性隔膜、柔性薄膜压力传感器、电磁开关阀、气体压力调节活塞、密封组件和储能装置底部。可变面积活塞和柔性隔膜的设计使得在气体压力变化的情况下保持储能装置输出功率恒定，消除由于存储能量变化而导致的储能系统输出功率变化。储能装置能够调节预充压力，进一步改变恒定输出功率的值。储能装置能够适应变化工况，改善了传统装置结构参数固定的缺陷。本发明通过对可变面积活塞和柔性隔膜接触面积的检测实现对可变面积活塞的位置检测，输出功率可调储能装置应用于高性能伺服液压机器人等，具有重要的工程实际意义。

Description

一种输出功率可调的液压机器人储能装置
技术领域
本发明涉及液压系统的辅助装置领域，尤其涉及一种输出功率可调的液压机器人储能装置。
背景技术
液压机器人的运动特性多样，在实际运行中存在多种工况，流量脉动较大，需要设置储能装置来辅助液压泵短时间内供油，减小脉动，吸收系统的压力变化，补偿系统所需功率，提高系统能量效率。液压油是不可压缩液体，因此利用液压油是无法蓄积压力能的，必须依靠其他介质来转换、蓄积压力能。液压机器人的储能装置在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来，当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能而释放出来，重新补供给系统，当系统瞬间压力增大时，它可以吸收这部分的能量，保证整个系统压力正常。
气体式储能装置是一种能量效率较高的储能装置，其以波义尔定律为基础，通过压缩气体完成能量转化，使用时首先向储能装置充入预定压力的气体。当系统压力超过储能装置内部压力时，油液压缩气体，将油液中的压力转化为气体内能；当系统压力低于储能装置内部压力时，储能装置中的油在高压气体的作用下流向外部系统，释放能量。
传统的储能装置存在着储能能力有限、系统工况与固定工作模式被动匹配等问题，具体表现在：储能装置是被动工作的，结构参数固定，一旦储能装置的气室充入初始压力，它们的功能就不能改变，对多变工况的适应性差。此外，它们的输出流量和输出流量是耦合的，这不仅增加了液压系统的控制复杂性，而且限制了其应用。与此同时，传统储能装置在输出功率过程中，由于存储能量的变化会导致液压系统压力变化，具体表现为气室体积的增加会直接导致储能装置输出压力的下降，进一步使得储能装置的输出功率发生变化，出现输出功率不稳定的现象。因此，传统储能装置只能被动地与主系统相匹配，而作为辅助能量补充装置使用。上述问题的存在，限制了液压机器人储能装置的工业实际应用，是急需本领域的技术人员解决的问题。
发明内容
针对现有技术中所存在的问题，本发明提出了一种输出功率可调的液压机器人储能装置，在液压系统中起着储存能量、恒定输出功率、输出功率可调、减少压力脉动的作用。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种输出功率可调的液压机器人储能装置，该储能装置包括可变面积活塞、柔性隔膜、以及工作压力油腔、工作氮气气室和气体压力调节气室；所述工作氮气气室用于提供储能和释能的压缩气体，工作氮气气室一端通过电磁开关阀与气体压力调节气室之间相隔，另一端通过柔性隔膜与可变面积活塞一端相配合；所述可变面积活塞另一端为工作压力油腔；所述工作压力油腔的腔壁上具有螺旋沟槽；所述可变面积活塞包括活塞叶片和旋转圆盘，所述活塞叶片表面设置有凸台结构，安装于旋转圆盘上；所述旋转圆盘外表面设置有伸出滑块，滑块与工作压力油腔腔壁的螺旋沟槽滑动连接；通过活塞叶片的打开和闭合改变与柔性隔膜的接触面积，在气体压力变化的情况下保持液压机器人储能装置的输出功率恒定。
进一步地，所述液压机器人储能装置还包括储能装置头部、储能装置油侧外壳、储能装置气侧外壳和储能装置底部，所述储能装置油侧外壳与所述柔性隔膜、所述储能装置气侧外壳固定连接，与储能装置头部、储能装置底部共同构成完整的储能装置壳体；所述储能装置油侧外壳、储能装置头部和可变面积活塞构成工作压力油腔；所述储能装置气侧外壳、电磁开关阀和储能装置底部构成气体压力调节气室；所述储能装置气侧外壳、电磁开关阀和柔性隔膜构成工作氮气气室。
进一步地，所述储能装置气侧外壳轴向中段处设置有充气口和充气阀，作为通入氮气的通道。
进一步地，所述储能装置头部和储能装置底部分别密封连接于液压机器人储能装置两端，所述储能装置头部和储能装置底部分别开有油口，作为储能装置工作油液的进出油口。
进一步地，所述可变面积活塞还包括活塞外壳、活塞端盖、活塞支撑座；所述活塞外壳和活塞端盖通过连接件固定连接在一起，所述活塞支撑座与旋转圆盘通过凹槽结构固定连接。
进一步地，所述柔性隔膜是与可变面积活塞直接接触的柔性密封，由粘合的弹性材料和增强织物组成，所述柔性隔膜安装于储能装置油侧外壳与储能装置气侧外壳中间；所述柔性隔膜能够在工作氮气气室和可变面积活塞之间弯曲且能够贴在工作氮气气室壁面滚动。
进一步地，所述柔性隔膜上安装有柔性薄膜压力传感器，所述柔性薄膜压力传感器为柔性纳米功能材料，包括两层聚酯薄膜、一层纳米级压力传感元件和导电材料；所述柔性薄膜压力传感器在感知压力变化后电阻值发生变化，把隔膜接触压力的区域面积大小信号转换成相应变化强度的电信号输出；柔性薄膜压力传感器通过对可变面积活塞和柔性隔膜接触面积的检测能够直接转化为可变面积活塞的位置检测。
进一步地，所述电磁开关阀是分隔工作氮气气室和气体压力调节气室的微型电磁开关阀；所述电磁开关阀与所述储能装置气侧外壳固定连接；所述电磁开关阀处于开启状态时，工作氮气气室和气体压力调节气室的压力保持一致；所述电磁开关阀处于关闭状态时，工作氮气气室和气体压力调节气室的连接切断，形成各自气室的独立压力。
进一步地，所述储能装置气侧外壳内侧滑动连接有气体压力调节活塞，以实现气体压力调节气室的压力变化；储能装置能够通过气体压力调节活塞改变气体压力调节气室的压力，进而改变工作氮气气室的预充压力，使得恒定输出功率的值发生变化，实现输出功率可调。
进一步地，该储能装置还包括气体压力调节油腔，所述气体压力调节油腔内充有气体压力调节油液，气体压力调节油液推动气体压力调节活塞，压缩气体压力调节气室内的工作气体。
本发明的有益效果：
（1）本发明创新地设计面积随行程变化的活塞和柔性隔膜，在气体压力变化的情况下保持储能系统输出功率恒定，消除了由于存储能量的变化而导致的储能系统输出功率变化，实现输入功率与输出功率的解耦，有效避免影响其他系统出现功率脉动的现象。
（2）本发明在预充压力一定的情况下，输出功率恒定储能装置的能量密度比传统储能装置提高20%，同时避免了输出功率的浪费，改善了传统储能装置结构参数固定、功能单一的缺陷。
（3）柔性薄膜压力传感器通过对可变面积活塞和柔性隔膜接触面积的高灵敏度检测可以直接转化为可变面积活塞的位置检测，无需安装其他位置检测元件即可反馈活塞位置，且薄膜传感器具有快速动态响应，在正常操作期间没有摩擦干扰活塞轴向的位置变化。
（4）高压微型电磁开关阀对工作氮气气室和气体压力调节气室的压力进行有效控制，压力传感器有效读取气室内部气压数值，实现对储能装置预充压力的精准调节。
（5）储能装置可以通过气体压力调节功能改变预充压力，进一步使得恒定输出功率的值发生变化，实现输出功率可调。储能装置能够自动适应变化的工况，提高系统的性能，可以高精度地控制预充压力、输出流量、输出压力和输出功率等一系列参数。
（6）储能装置通过双活塞结构同时集成输出功率保持恒定和输出功率数值可调功能，无需安装其他控制系统，进一步减小了系统的尺寸和质量并简化了系统控制。
（7）本发明的输出功率可调储能装置应用于高性能伺服液压机器人等，通过储能装置恒定的输出功率，有效保证机器人的执行动作，进一步提升整机的稳定性和机动性。相对于传统设备，对整机的效率都有促进。
附图说明
图1是本发明的一种输出功率可调的液压机器人储能装置的结构总装剖面图。
图2是本发明的一种输出功率可调的液压机器人储能装置的可变面积活塞结构剖面图。
图3是本发明的一种输出功率可调的液压机器人储能装置的可变面积活塞结构轴测图。
图4是本发明的一种输出功率可调的液压机器人储能装置的可变面积活塞调节与柔性隔膜表面接触面积的过程示意图。
图5是本发明的一种输出功率可调的液压机器人储能装置的预充压力调节的过程示意图。
图中：1-储能装置头部，101-工作压力油液进出油口，102-头部工艺孔；2-储能装置油侧外壳，201-螺旋沟槽，202-螺栓；3-可变面积活塞，301-活塞外壳，302-活塞端盖，303-活塞叶片，304-旋转圆盘，305-活塞支撑座；4-柔性薄膜压力传感器；5-柔性隔膜；6-储能装置气侧外壳，601-充气口，602-充气阀；7-电磁开关阀；8-气体压力调节活塞；9-密封组件；10-储能装置底部，1001-气体压力调节油腔油液进出油口，1002-底部工艺孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出了一种输出功率可调的液压机器人储能装置，该储能装置包括储能装置头部1、储能装置油侧外壳2、可变面积活塞3、柔性薄膜压力传感器4、柔性隔膜5、储能装置气侧外壳6、电磁开关阀7、气体压力调节活塞8、密封组件9和储能装置底部10。
所述储能装置油侧外壳2是承受油液压力和实现内部可变面积活塞正常运动的保护装置，外壳材料选用7075的铝合金，厚度为5mm，能够满足31.5MPa工作压力下活塞移动的密封性；所述储能装置油侧外壳2与所述柔性隔膜5、所述储能装置气侧外壳6通过螺栓202固定连接，构成完整的储能装置壳体；所述储能装置油侧外壳2、储能装置头部1和可变面积活塞3构成工作压力油腔（B腔室）；所述储能装置油侧外壳2内表面设置有螺旋沟槽201，以实现活塞在移动过程中变化面积的功能，螺旋沟槽201与其他内表面均要求表面光滑、耐高温、耐磨，能够满足活塞组件的来回运动。
所述储能装置气侧外壳6是承受气体压力和实现内部气压正常调节的保护装置，外壳材料选用7075的铝合金，厚度为5mm，能够满足31.5MPa工作压力下活塞移动的密封性；所述储能装置气侧外壳6轴向中段处设置有充气口601和充气阀602，作为通入氮气的通道。
所述储能装置头部1密封连接于储能装置油侧外壳2的一端，头部表面设置有M6×1头部工艺孔102，作为旋紧头部与固定储能装置的接口；所述储能装置头部开有M18×1.5工作压力油液进出油口101，作为储能装置工作油液的进出油口。
如图2和图3所示，所述可变面积活塞3包括活塞外壳301、活塞端盖302、活塞叶片303、旋转圆盘304、活塞支撑座305；所述活塞外壳301和活塞端盖302借助于螺钉固定连接在一起，所述活塞叶片303是调节活塞表面接触面积的一组重叠的片状部件，其表面设置有凸台结构，以安装于旋转圆盘304上；所述旋转圆盘304是实现活塞轴向移动时同步旋转功能的部件，其一侧设置有一伸出滑块，滑块于所述储能装置外壳2中的螺旋沟槽201移动；所述活塞支撑座与旋转圆盘通过凹槽结构固定连接。
所述柔性隔膜5是与可变面积活塞3直接接触的柔性密封，由粘合的弹性材料和增强织物组成，隔膜弹性材料选用丁晴橡胶；所述柔性隔膜5安装于储能装置油侧外壳2与储能装置气侧外壳6中间，通过螺栓202固定连接；所述柔性隔膜5能够在氮气腔和可变面积活塞3之间弯曲滚动，具备低摩擦、长行程和长褶曲寿命的密封属性。
所述柔性薄膜压力传感器4是安装于柔性隔膜5上的柔性纳米功能材料，包括两层聚酯薄膜、一层纳米级压力传感元件和高导电材料；所述柔性薄膜压力传感器4是一种电阻式传感器，构成监测大面积的压力分布的感应陈列，实现对接触面积的高灵敏度检测；所述柔性薄膜压力传感器4在感知压力变化后电阻值发生变化，把隔膜接触压力的区域面积大小信号转换成相应变化强度的电信号输出。
所述电磁开关阀7是分隔工作氮气气室（A腔室）和气体压力调节气室的高压微型电磁开关阀；所述电磁开关阀7处于开启状态时，两个气室的压力保持一致；所述电磁开关阀处于关闭状态时，两个气室的连接切断，形成各自气室的独立压力。
所述气体压力调节活塞8位于储能装置气侧外壳6内侧滑动，以实现气体压力调节气室的压力变化；所述气体压力调节活塞8、储能装置气侧外壳6、电磁开关阀7形成气体压力调节气室（C腔室），所述气体压力调节活塞8、储能装置气侧外壳6、储能装置底部10形成气体压力调节油腔（D腔室）。
所述密封组件9安装于储能装置油侧外壳2和储能装置气侧外壳6的沟槽内，防止油液的外泄漏。
所述储能装置底部10连接于储能装置气侧外壳6的一端，底部表面设置有M6×1底部工艺孔1002，作为旋紧头部与固定储能装置的接口；所述储能装置底部开有M16×1.5气体压力调节油腔油液进出油口1001，作为气体压力调节油腔油液的进出油口。
本发明的工作过程包括初始准备状态、能量储存过程、输出功率过程、预充压力调节过程、关闭状态，本发明例的工作原理描述如下：
初始准备状态：关闭工作压力油液进出油口101，关闭气体压力调节油腔油液进出油口1001，关闭电磁开关阀7，A腔室的初始体积为V0，打开充气阀602，通过充气阀602对储能装置气侧外壳6内A腔室充入气体（如氮气），达到预充压力P0，关闭充气阀。
能量储存过程：打开工作压力油液进出油口101，外部系统的高压工作油液通过油口进入储能装置头部1与可变面积活塞3形成的B腔室，高压工作油液推动可变面积活塞3轴向移动，其位移距离为x，可变面积活塞3推动柔性隔膜5，柔性隔膜5发生弹性变形，储能装置气侧外壳6内A腔室的气体体积变小，气体压力变大，压缩气体借助气体与液体之间巨大的压缩比差异在紧凑空间内储存大量的油液压力能。
A腔室内的气体压力根据等温情况下活塞行程的气体压力函数P(x)得到：
输出功率过程：工作压力油液进出油口101保持开启，外部系统压力降低，需要储能系统输出存储能量。B腔室内的工作油液压力小于A腔室的气体压力，柔性隔膜5推动可变面积活塞3移动。所述可变面积活塞3上的旋转圆盘304设置有伸出滑块，滑块于所述储能装置油侧外壳2中的螺旋沟槽201移动，滑块的螺旋路径移动实现旋转圆盘304的旋转运动，旋转圆盘304表面的凸台结构带动连接的活塞叶片303旋转运动。所述活塞叶片303进行旋转运动并调节可变面积活塞3与柔性隔膜5表面的接触面积，如图4所示，可变面积活塞3的活塞开口直径变化如步骤①-步骤④所示，步骤①中，活塞开口直径为80mm，与柔性隔膜5尚未接触，步骤②中，可变面积活塞3与柔性隔膜5发生接触，柔性隔膜5产生形变，步骤③中，可变面积活塞3开口直径变化为50mm，可变面积活塞3与柔性隔膜5的接触面积发生变化，接触面积增大，步骤④中，可变面积活塞3开口直径变化为20mm，可变面积活塞3与柔性隔膜5的接触面积发生变化，接触面积进一步增大。
A腔室内的气体体积根据活塞可变面积的气体体积函数V(x)得到：
设计可变面积活塞3与柔性隔膜5表面的接触面积函数A(x)：
储能装置的输出功率保持恒定的前提为工作油液压力恒定和活塞油液侧面积恒定，作用在活塞上的轴向力必须在整个行程中恒定。根据可变面积活塞3与柔性隔膜5表面的接触面积函数和等温情况下活塞行程的气体压力函数能够得到恒定的输出活塞轴向力：
当压力下降时，被压缩的气体膨胀，工作油液受恒定活塞轴向力的作用下匀速压入油路，储能装置对外部系统输出功率在A腔室内气体压力变化的情况保持恒定。
预充压力调节过程：如图5所示，所述电磁开关阀7对所述储能装置气侧外壳6内A腔室与所述储能装置气侧外壳6内C腔室即气体压力调节气室进行分隔。打开所述储能装置底部10的气体压力调节油腔油液进出油口1001，外部油液压入储能装置气侧外壳6内D腔室，高压油液推动所述气体压力调节活塞8，所述气体压力调节活塞8压缩C腔室内的气体体积，实现C腔室内的气体压力调节，增量为Vm。所述电磁开关阀7处于开启状态时，C腔室气体进入A腔室，两个气室的压力保持一致，引入C腔室气体后A腔室的气体压力计算公式发生变化。
A腔室内的气体压力根据等温情况下活塞行程的气体压力方程得到：
其中，Px为可变面积活塞3在位移距离x时的工作氮气气室的压力，Vmx为可变面积活塞3在位移距离x时的工作氮气气室的体积增量；Pmax为可变面积活塞3运行过程的工作氮气气室的最大压力，V1为此时的工作氮气气室体积。
所述电磁开关阀处于关闭状态时，两个气室的连接切断，形成各自气室的独立压力。在关闭瞬间得到A腔室内的气体压力和气体体积乘积；
在整个预充压力调节过程中得到A腔室内气体体积的变化量：
A腔室内的预充压力调节变化为P1：
所述电磁开关阀保持关闭状态，A腔室内的预充压力发生变化。当再次发生输出功率过程时，可变面积活塞恒定的输出活塞轴向力数值发生变化，储能装置对外部系统的恒定输出功率数值发生变化，实现储能装置输出功率可调的功能。
关闭状态：关闭工作压力油液进出油口101，关闭气体压力调节油腔油液进出油口1001，关闭电磁开关阀7，关闭充气阀602。外部系统工作油液无法进入储能装置，储能装置无法储存能量并输出功率
至此，储能装置完成存储能量、输出恒定功率、调节恒定功率数值等过程，同时柔性薄膜压力传感器可以实时反馈内部可变面积活塞3的运动位置，重复上述过程可以根据系统压力变化实时响应，从而达到储存能量、稳定输出功率、稳定系统压力等作用。
最后需要注意的是，上述说明仅是本发明的具体个案，以上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，依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改、等同变化与改型，皆应落入本发明的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：该储能装置包括可变面积活塞、柔性隔膜、储能装置头部、储能装置油侧外壳、储能装置气侧外壳和储能装置底部以及工作压力油腔、工作氮气气室和气体压力调节气室；
所述储能装置油侧外壳与所述柔性隔膜、所述储能装置气侧外壳固定连接，与储能装置头部、储能装置底部共同构成完整的储能装置壳体；所述储能装置油侧外壳、储能装置头部和可变面积活塞构成工作压力油腔；所述储能装置气侧外壳内侧滑动连接有气体压力调节活塞，以实现气体压力调节气室的压力变化；储能装置能够通过气体压力调节活塞改变气体压力调节气室的压力，进而改变工作氮气气室的预充压力，使得恒定输出功率的值发生变化，实现输出功率可调；所述储能装置气侧外壳、电磁开关阀和气体压力调节活塞构成气体压力调节气室；所述储能装置气侧外壳、电磁开关阀和柔性隔膜构成工作氮气气室；
所述工作氮气气室用于提供储能和释能的压缩气体，工作氮气气室一端通过电磁开关阀与气体压力调节气室之间相隔，另一端通过柔性隔膜与可变面积活塞一端相配合；所述可变面积活塞与柔性隔膜之间的储能装置油侧外壳的内表面上具有螺旋沟槽；所述可变面积活塞包括活塞叶片和旋转圆盘，所述活塞叶片表面设置有凸台结构，安装于旋转圆盘上；所述旋转圆盘外表面设置有伸出滑块，滑块与螺旋沟槽滑动连接；滑块的螺旋路径移动实现旋转圆盘的旋转运动，旋转圆盘带动连接的活塞叶片旋转运动，可变面积活塞沿轴向设置有开口，活塞叶片的旋转运动可改变可变面积活塞的开口直径，所述柔性隔膜能够在工作氮气气室和可变面积活塞之间弯曲且能够贴在工作氮气气室壁面滚动；通过活塞叶片的打开和闭合改变与柔性隔膜的接触面积，在气体压力变化的情况下保持液压机器人储能装置的输出功率恒定。
2.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述储能装置气侧外壳轴向中段处设置有充气口和充气阀，作为通入氮气的通道。
3.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述储能装置头部和储能装置底部分别密封连接于液压机器人储能装置两端，所述储能装置头部和储能装置底部分别开有油口，作为储能装置工作油液的进出油口。
4.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述可变面积活塞还包括活塞外壳、活塞端盖、活塞支撑座；所述活塞外壳和活塞端盖通过连接件固定连接在一起，所述活塞支撑座与旋转圆盘通过凹槽结构固定连接。
5.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述柔性隔膜是可与可变面积活塞直接接触的柔性密封，由粘合的弹性材料和增强织物组成，所述柔性隔膜安装于储能装置油侧外壳与储能装置气侧外壳中间。
6.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述柔性隔膜上安装有柔性薄膜压力传感器，所述柔性薄膜压力传感器为柔性纳米功能材料，包括两层聚酯薄膜、一层纳米级压力传感元件和导电材料；所述柔性薄膜压力传感器在感知压力变化后电阻值发生变化，把隔膜接触压力的区域面积大小信号转换成相应变化强度的电信号输出；柔性薄膜压力传感器通过对可变面积活塞和柔性隔膜接触面积的检测能够直接转化为可变面积活塞的位置检测。
7.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：所述电磁开关阀是分隔工作氮气气室和气体压力调节气室的微型电磁开关阀；所述电磁开关阀与所述储能装置气侧外壳固定连接；所述电磁开关阀处于开启状态时，工作氮气气室和气体压力调节气室的压力保持一致；所述电磁开关阀处于关闭状态时，工作氮气气室和气体压力调节气室的连接切断，形成各自气室的独立压力。
8.根据权利要求1所述的一种输出功率可调的液压机器人储能装置，其特征在于：该储能装置还包括气体压力调节油腔，所述气体压力调节油腔内充有气体压力调节油液，气体压力调节油液推动气体压力调节活塞，压缩气体压力调节气室内的工作气体。
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