机器人及负载口独立控制的高低压切换型液压机械腿.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010302355.1 (22)申请日 2020.04.16 (71)申请人 浙江大学 地址 310013 浙江省杭州市西湖区余杭塘 路866号 (72)发明人 金波董峻魁刘子祺翟硕 (74)专利代理机构 杭州天勤知识产权代理有限 公司 33224 代理人 何彬 (51)Int.Cl. F15B 11/08(2006.01) F15B 13/04(2006.01) B62D 57/032(2006.01) (54)发明名称 一种机器人及负载口独立控制的高低压切 换型液压机械。

2、腿 (57)摘要 本发明涉及一种机器人及负载口独立控制 的高低压切换型液压机械腿， 属于机器人技术领 域。 该机械腿包括相邻接的两腿杆、 控制执行器 及用于驱使该两腿杆相对摆动的液压缸； 控制执 行器包括均为三位三通阀的高压端阀、 第一低压 端阀及第二低压端阀； 高压端阀的双管接头中的 一者与油箱的进口连通， 另一者与高压液压源连 通； 第一低压端阀的双管接头中的一者与低压液 压源连通， 另一者与油箱连通， 其单管接头与高 压端阀的单管接头通过三通管结构而与无杆油 腔接口连通； 第二低压端阀的双管接头的一者与 低压液压源连通， 另一者与油箱连通， 其单管接 头与有杆油腔接口连通。 该结构能有效。

3、地提高机 器人系统的能量利用率， 可广泛应用于多足机器 人等技术领域中。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 111608972 A 2020.09.01 CN 111608972 A 1.一种负载口独立控制的高低压切换型液压机械腿， 包括第一腿杆， 与所述第一腿杆 由连接关节铰接的第二腿杆， 用于驱使两相邻接腿杆绕所述连接关节摆动的液压缸， 及控 制执行器； 所述液压缸的缸体上设有无杆油腔接口与有杆油腔接口； 其特征在于： 所述控制执行器包括高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低压端三位三 通阀； 所述高压端三位三通阀的双管接头中的一者用于与油箱的进口连通， 另一者用于与高。

4、 压液压源连通； 所述第一低压端三位三通阀的双管接头中的一者用于与低压液压源连通， 另一者用于 与所述油箱连通， 其单管接头与所述高压端三位三通阀的单管接头通过三通管结构与所述 无杆油腔接口连通； 所述第二低压端三位三通阀的双管接头的一者用于与所述低压液压源连通， 另一者用 于与所述油箱连通， 其单管接头与所述有杆油腔接口连通。 2.根据权利要求1所述的高低压切换型液压机械腿， 其特征在于： 所述高压端三位三通阀、 所述第一低压端三位三通阀及所述第二低压端三位三通阀均 为比例阀。 3.一种机器人， 包括躯体、 液压机械腿及液压源； 所述液压机械腿包括第一腿杆， 与所 述第一腿杆由连接关节铰接的。

5、第二腿杆， 用于驱使相邻两腿杆绕所述连接关节摆动的液压 缸， 及控制执行器； 所述液压缸的缸体上设有杆油腔接口与无杆油腔接口； 其特征在于： 所述控制执行器包括高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低压端三位三 通阀； 所述液压源具有低液压输出口与高液压输出口； 所述高压端三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的进口连通， 另一者与所述高液压 输出口连通； 所述第一低压端三位三通阀的双管接头中的一者与所述低液压输出口连通， 另一者与 所述油箱连通， 其单管接头与所述高压端三位三通阀的单管接头通过三通管结构与所述无 杆油腔接口连通； 所述第二低压端三位三通阀的双管接头的一者与所述低液压输出口。

6、连通， 另一者与所 述油箱连通， 其单管接头与所述有杆油腔接口连通。 4.根据权利要求3所述的机器人， 其特征在于： 所述高压端三位三通阀、 所述第一低压端三位三通阀及所述第二低压端三位三通阀均 为比例阀。 5.根据权利要求3或4所述的机器人， 其特征在于： 所述液压源包括高压油泵、 用于驱动所述高压油泵的高压油泵驱动电机、 低压油泵及 用于驱动所述低压油泵的低压油泵驱动电机； 所述高压油泵的进油口与所述低压油泵的泵 出口连通； 所述高液压输出口与所述高压油泵的泵出口连通， 所述低液压输出口与所述低压油泵 的泵出口连通。 6.根据权利要求5所述的机器人， 其特征在于： 所述高液压输出口与所述高。

7、压油泵的泵出口之间的管路上连接有高压溢流阀， 所述低 液压输出口与所述低压油泵的泵出口之间的管路上连接有低压溢流阀。 权利要求书 1/2 页 2 CN 111608972 A 2 7.根据权利要求5或6所述的机器人， 其特征在于： 在所述低液压输出口与所述高液压输出口上均连接有用于对该输出口的输出液压进 行监测的压力监测器。 8.根据权利要求5至7任一项权利要求所述的机器人， 其特征在于： 所述高压油泵驱动电机与所述低压油泵驱动电机均为转速可调电机； 在泵驱动电机上均布设有用于对其转速进行监测的转速监测器。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111608972 A 3 一种机器人及负载口独立控。

8、制的高低压切换型液压机械腿 技术领域 0001 本发明涉及机器人部件技术领域， 具体地说， 涉及一种负载口独立控制的高低压 切换型液压机械腿及以其构建的机器人。 背景技术 0002 多足步行机器人作为一种能够替代人类完成危险、 复杂及高强度工作的机器人， 获得较为广泛地发展与应用。 对于多足步行机器人而言， 其主要驱动方式有电驱动与液压 驱动。 0003 与电驱动式机器人相比， 采用液压作为驱动方式的机器人具有功率密度大、 负载 高、 高带宽、 响应快及抗扰动能力强等优势。 例如， 本申请人申请且已公开的公布号为 CN109501881A的专利文献所公开了一种四足机器人， 如其附图所示， 其两。

9、只前腿均包括由 关节铰接的大腿杆与小腿杆， 及用于驱使该两腿杆相对绕关节摆动的液压缸。 此外， 申请人 在公开号为CN104029745A公开了一种液压机械腿， 其可广泛应用于四足或六足机器人。 0004 当前， 由于液压缸通常为使用单个电液比例阀控制液压缸的动作， 导致其进出阀 口存在耦合， 而限制了系统的响应、 提高整体系统的能量消耗； 而且在工作过程中， 液压机 械腿需要在支撑相与摆动相之间切换， 且在支撑态需要承担机器人自重及相关负载， 导致 需向其供给高压油液， 而在摆动相时， 仅需供给低压油液即可， 此时阀口存在大量节流损 失， 使得能量利用率低； 此外， 为了满足全程运动需求， 。

10、目前定转速泵源输出流量要求大于 所需的平均流量， 但是机器人在运动过程中所需流量具有不均匀的特点， 导致液压机器人 在运动过程中存在大量的溢流损失， 进一步地降低了能量利用率。 发明内容 0005 本发明的主要目的是提供一种负载口独立控制的高低压切换型液压机械腿， 以解 决目前进出阀口存在耦合的问题， 从而有效地提高系统的响应， 并降低系统的整体能量消 耗的同时， 有效地适应支撑相与摆动相之间所需压力差， 以减少节流损失， 从而有效地提高 其能量利用率； 0006 本发明的另一目的是提供一种基于上述液压机械腿所构建的多足步行机器人， 以 能有效地提高该机器人的能量利用率； 0007 本发明的再。

11、一目的是提供一种负载口独立控制的高低压切换型液压机械腿， 能有 效地减少运动过程中的溢流损失， 而进一步提高其能量的利用率。 0008 为了实现上述主要目的， 本发明提供的负载口独立控制的高低压切换型液压机械 腿包括第一腿杆， 与第一腿杆由连接关节铰接的第二腿杆， 用于驱使两相邻接腿杆绕连接 关节摆动的液压缸， 及控制执行器； 液压缸的缸体上设有无杆油腔接口与有杆油腔接口； 控 制执行器包括高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低压端三位三通阀； 高压 端三位三通阀的双管接头中的一者用于与油箱的进口连通， 另一者用于与高压液压源连 通； 第一低压端三位三通阀的双管接头中的一者用于与低压。

12、液压源连通， 另一者用于与所 说明书 1/5 页 4 CN 111608972 A 4 述油箱连通， 其单管接头与高压端三位三通阀的单管接头通过三通管结构与无杆油腔接口 连通； 第二低压端三位三通阀的双管接头的一者与低压液压源连通， 另一者用于与油箱连 通， 其单管接头与有杆油腔接口连通。 0009 基于上述方案中对控制执行器结构的改进， 具体为采用三个三位三通阀替代现有 单个电液比例阀， 且三个三位三通阀中一个构成高压端控制阀， 另两个构成低压端控制阀； 从而在工作过程中， 从而可对负载口进行独立控制， 从而可有效地解决目前进出阀口存在 耦合的问题， 以提高系统的响应， 并降低系统的整体能量。

13、消耗； 此外， 基于该控制执行器， 能 有效地利用高低压液压源为该机械腿在运动过程中的支撑相与摆动相提供适宜的压力， 即 采用高低压两级供油方式， 而能有效地降低阀口节流损失。 0010 具体的方案为高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低压端三位三通 阀均为比例阀。 0011 为了实现上述另一目的， 本发明提供的机器人包括躯体、 液压机械腿及液压源； 液 压机械腿包括第一腿杆， 与第一腿杆由连接关节铰接的第二腿杆， 用于驱使相邻两腿杆绕 连接关节摆动的液压缸， 及控制执行器； 液压缸的缸体上设有杆油腔接口与无杆油腔接口； 控制执行器包括高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低。

14、压端三位三通阀； 液 压源具有低液压输出口与高液压输出口； 高压端三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的 进口连通， 另一者与高液压输出口连通； 第一低压端三位三通阀的双管接头中的一者与低 液压输出口连通， 另一者与油箱连通， 其单管接头与高压端三位三通阀的单管接头通过三 通管结构与无杆油腔接口连通； 第二低压端三位三通阀的双管接头的一者与低液压输出口 连通， 另一者与油箱连通， 其单管接头与有杆油腔接口连通。 0012 基于上述方案中对其液压机械腿上的控制执行器的结构进行改进， 具体为采用三 个三位三通阀替代现有单个电液比例阀， 且三个三位三通阀中一个构成高压端控制阀， 另 两个构成低压端控制。

15、阀； 从而在工作过程中， 从而可对负载口进行独立控制， 从而可有效地 解决目前进出阀口存在耦合的问题， 以提高系统的响应， 并降低系统的整体能量消耗； 此 外， 基于该控制执行器， 能有效地利用高低压液压源为该机械腿在运动过程中的支撑相与 摆动相提供适宜的压力， 即采用高低压两级供油方式， 而能有效地降低阀口节流损失。 0013 具体的方案为高压端三位三通阀、 第一低压端三位三通阀及第二低压端三位三通 阀均为比例阀。 0014 优选的方案为液压源包括高压油泵、 用于驱动高压油泵的高压油泵驱动电机、 低 压油泵及用于驱动低压油泵的低压油泵驱动电机； 高液压输出口与高压油泵的泵出口连 通， 低液压。

16、输出口与低压油泵的泵出口连通。 0015 进一步的方案为高液压输出口与高压油泵的泵出口之间的管路上连接有高压溢 流阀， 低液压输出口与低压油泵的泵出口之间的管路上连接有低压溢流阀。 从而可简单、 低 成本地实现出高低压两级供油方式。 0016 进一步的方案为在低液压输出口与高液压输出口上均连接有用于对该输出口的 输出液压进行监测的压力监测器。 更精确地对泵的输出压力进行控制。 0017 为了实现上述再一目的， 本发明提供的优选方案为高压油泵驱动电机与低压油泵 驱动电机均为转速可调电机； 在泵驱动电机上均布设有用于对其转速进行监测的转速监测 器。 基于该结构设置， 可实现液压泵恒压变转速控制， 。

17、而能低液压系统的溢流损失， 即可进 说明书 2/5 页 5 CN 111608972 A 5 一步地提高该系统的能量利用率。 附图说明 0018 图1为本发明实施例中液压机械腿的机械结构示意图； 0019 图2为本发明实施例中液压机械腿的油路结构示意图； 0020 图3为本发明实施例中液压源的管路结构示意图。 具体实施方式 0021 以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。 0022 本发明的主要构思是对液压机械腿中执行器的结构进行改进， 以提高具有该液压 机械腿的机器人的能量利用率， 基于此， 机器人的躯体机械结构、 液压源等可采用现有产品 进行构建。 0023 实施例 0024 参见图。

18、1至图3， 本发明机器人包括控制单元、 躯体、 液压机械腿1及液压源2。 控制 单元为控制中枢， 具有处理器与存储器， 并在存储器内存储有计算机程序， 该计算机程序被 处理器执行时， 能够按照控制指令， 并基于安装在躯体与液压机械腿1上的监测器所发送的 监测数据， 控制液压源2工作， 而驱使液压机械腿2在支撑态与摆动态之间切换， 从而驱使该 机器人的步行动作。 0025 如图1及图2所示， 液压机械腿1包括大腿杆10， 与大腿杆10由连接关节11铰接的小 腿杆12， 用于驱使大小两腿杆绕连接关节11摆动的液压缸3， 及控制执行器4。 其中， 液压缸3 为直线驱动机构， 具有缸体30、 活塞31。

19、及活塞杆32， 活塞31将缸体30的内腔分隔成有杆油腔 301与无杆油腔302， 并在缸体30上设有无杆油腔接口303与有杆油腔接口304。 0026 如图3所示， 液压源2包括高压油泵21、 低压油泵22、 用于驱动高压油泵21的高压油 泵驱动电机23与用于驱动低压油泵22的低压油泵驱动电机24， 从而可实现高低压两级供油 方式， 且低压油泵22的泵出口与高压油泵21的进油口连通， 从而能利用串联供油结构而有 效地提高高压油泵21的输出油压； 此外， 为了能够根据需要改变输出油量与输出油压， 将高 压油泵驱动电机23与低压油泵驱动电机24均配置为转速可调电机， 并在其布设有电机转速 监测器，。

20、 用于实时获取泵驱动电机的转速， 以能更精确地控制它们工作转速。 在高压油泵21 的出油口处连接有高压溢流阀26与压力传感器25， 而在低压油泵22的出油口处连接有低压 溢流阀28与压力传感器27， 压力传感器向控制单元输出压力检测数据， 高压溢流阀26与低 压溢流阀28的溢流口均与油箱200的进油口连通， 也可以将高压溢流阀26的溢流口配置成 与低压油泵22的出油口连通。 基于高低压油泵所构建的液压源， 从而可以获取向外输出高 压油液的高压液压源与输出低压油液的低压液压源， 即能实现高低两级式供油方式的液压 源， 从而构建出用于外连的高压供油接口201与低压供油接口202。 0027 如图2。

21、所示， 控制执行器4包括高压端三位三通阀41、 第一低压端三位三通阀42及 第二低压端三位三通阀43， 在本实施例中， 三者均采用比例阀进行构建。 0028 其中， 高压端三位三通阀41的双管接头中的一管接头412与油箱200连通， 另一个 管接头411与高压供油接口201连通， 即与高压油泵21的泵出口连通， 也是与高压液压源连 通。 说明书 3/5 页 6 CN 111608972 A 6 0029 第一低压端三位三通阀42的双管接头中的一个管接头421与低压供油接口202连 通， 即与低压油泵22的泵出口连通， 也是与低压液压源连通， 另一个管接头422与油箱200连 通， 其单管接头4。

22、23与高压端三位三通阀41的单管接头413通过三通管结构400与无杆油腔 接口303连通。 0030 第二低压端三位三通阀43的双管接头的一个管接头431与低压供油接口202连通， 即与低压液压源连通， 也是与低压油泵22的泵出口连通， 另一个管接头432与油箱200连通， 其单管接头433与有杆油腔接口304连通。 0031 在上述连接描述中， 各部件接口均通过油管连接， 从而在两者将构建出连通油路。 0032 本发明基于上述对液压机械腿的控制执行器结构进行改进， 从而能在工作过程中 能够实现高低压两级供油方式， 且能实现支撑态供油控制与摆动态供油控制， 也能实现定 流量控制与变流量控制， 。

23、即处理器执行存储在存储器内的计算机程序， 能够实现以下步骤： 0033 在支撑态供油控制方法中， 当液压机械腿1处于支撑态时， 控制控制执行器4与高 压油泵驱动电机23、 低压油泵驱动电机24工作， 而利用高压油泵21为液压缸3的工作供给高 压油液。 0034 该步骤的具体工作过程如下： 0035 (1)当液压机械腿1处于支撑态且液压缸3执行伸长动作时， 控制高压端三位三通 阀41与第二低压端三位三通阀43的阀芯的位置切换， 至连通高压油泵21的出油口与无杆油 腔302， 及连通有杆油腔301与油箱200； 在本实施例中具体为， 控制阀致动器驱使高压端三 位三通阀41的阀芯相对当前位置朝右步进。

24、， 而控制阀致动器驱使第二低压端三位三通阀43 的阀芯相对当前位置朝左步进， 同时将第一低压端三位三通阀42的阀芯保持在当前位置 处。 0036 (2)当液压机械腿1处于支撑态且液压缸3执行缩短动作时， 控制高压端三位三通 阀41与第二低压端三位三通阀43的阀芯的位置切换， 至连通低压油泵22的出油口与有杆油 腔301， 及连通无杆油腔302与油箱200。 在本实施例中具体为， 控制阀致动器驱使高压端三 位三通阀41的阀芯相对当前位置朝左步进， 而控制阀致动器驱使第二低压端三位三通阀43 的阀芯相对当前位置朝右步进， 同时将第一低压端三位三通阀42的阀芯保持在当前位置 处， 即利用低压源为支撑。

25、态的缩短提供液压源。 0037 在摆动态供油控制方法中， 在液压机械腿1处于摆动态时， 控制控制执行器4与低 压油泵驱动电机24工作， 而利用低压油泵22为液压缸3的工作供给低压油液。 0038 该步骤的具体步骤如下： 0039 (1)当液压机械腿1处于摆动态且液压缸3执行伸长动作时， 控制第一低压端三位 三通阀42与第二低压端三位三通阀43的阀芯的位置切换， 至连通低压油泵22的出油口与无 杆油腔302， 及连通有杆油腔301与油箱200； 在本实施例中具体为， 控制阀致动器驱使第一 低端三位三通阀42的阀芯相对当前位置朝右步进， 而控制阀致动器驱使第二低压端三位三 通阀43的阀芯相对当前位。

26、置朝左步进， 同时将高压端三位三通阀41的阀芯保持在当前位置 处。 0040 (2)当液压机械腿1处于摆动态且液压缸3执行缩短动作时， 控制第一低压端三位 三通阀42与第二低压端三位三通阀43的阀芯的位置切换， 至连通低压油泵22的出油口与有 杆油腔301， 及连通无杆油腔302与油箱200； 在本实施例中具体为， 控制阀致动器驱使第一 说明书 4/5 页 7 CN 111608972 A 7 低端三位三通阀42的阀芯相对当前位置朝左步进， 而控制阀致动器驱使第二低压端三位三 通阀43的阀芯相对当前位置朝右步进， 同时将高压端三位三通阀41的阀芯保持在当前位置 处。 0041 由上述四个步骤的。

27、调整可知， 高压端三位三通阀41用于是否接入高压液压源或油 箱的选择， 第一低压端三位三通阀42用于是否接入低压液压源或油箱的选择， 第二低压端 三位三通阀43用于是否接入低压液压源或油箱的选择。 0042 定流量控制方法， 控制高压油泵驱动电机23按照预设高压转速恒定地转动， 至高 压油泵21所泵出油液的油压高于高压溢流阀26的溢流油压， 从而使高压供油接口201的供 油油压恒定在该溢流油压值； 控制低压油泵驱动电机24按照低压转速恒定转动， 至低压油 泵22所泵出的油液油压高于低压溢流阀28的溢流油压， 从而使低压供油接口202的供油油 压恒定在该溢流油压值； 且驱使高压油泵21与低压油泵。

28、22的输出流量均大于多足步行机器 人所需的平均流量。 基于该控制步骤， 能为液压缸3的工作提供最大的油液压力， 从而有效 地提供其在负载工作、 爬坡、 迅速启动等工况时所需的油液量与压力。 由于高压油泵驱动电 机23和低压油泵驱动电机24转速恒定， 高压油泵21和低压油泵22输出流量恒定且大于机器 人所需平均流量； 而高压溢流阀26和低压溢流阀28均有流量通过， 而用于设定高低压两级 压力。 0043 变流量控制方法， 基于压力传感器25与压力传感器27所输出的油压检测数据， 改 变高压油泵驱动电机23与低压油泵驱动电机24的转速， 至高压油泵21与低压油泵22的输出 油压符合控制需求， 且输。

29、出油压均低于该泵出油口处的高压溢流阀26与低压溢流阀28的溢 流油压。 即基于通过改变泵驱动电机的转速而匹配当前工作所需的油液压力与油液量， 例 如空载、 行走环境不断变化等工况时的工作状态， 从而在提供适当油压的同时， 能有效地节 省能量。 其中， 通过调节高压油泵驱动电机23和低压油泵驱动电机24的转速使输出压力恒 定， 且使高压油泵21和低压油泵22所述输出流量与机器人所需流量相匹配， 而高压溢流阀 26和低压溢流阀28作为安全阀使用而无流量通过。 0044 基于上述描述可知， 在上述步行控制过程中， 控制单元用于在液压机械腿1处于支 撑态时， 控制高压油泵21工作至输出油压高于高压溢流。

30、阀26的溢流油压， 与控制控制执行 器4工作而为液压缸3供给高压油液； 用于在液压机械腿处于摆动态时， 控制低压油泵22工 作至输出油压高于低压溢流阀28的溢流油压， 与控制控制执行器4工作而为液压缸3供给低 压油液； 及用于在所需油压低于高压溢流阀26及低压溢流阀28的溢流油压时， 基于压力传 感器25与压力传感器27所输出的压力检测数据， 改变泵驱动电机的转速。 0045 本发明基于上述结构与控制方法的改进， 采用高低压两级供油方式， 降低阀口节 流损失； 采用液压泵恒压变转速控制， 降低液压系统溢流损失； 采用独立负载口控制， 消除 比例阀进出口耦合， 提高了系统的响应， 降低了比例阀上的能量损失； 从而能有效地降低能 耗， 使之更能适应多足步行机器人的需要。 说明书 5/5 页 8 CN 111608972 A 8 图1 说明书附图 1/3 页 9 CN 111608972 A 9 图2 说明书附图 2/3 页 10 CN 111608972 A 10 图3 说明书附图 3/3 页 11 CN 111608972 A 11 。