液压致动器系统技术方案

本发明专利技术涉及控制液压致动系统(50)，所述液压致动系统(50)具有至少一个自由度、原动机(101)、至少一个致动模块(110、120、130)及控制器(103)，其中每一致动模块(110、120、130)包含：越中心可变排量泵(112及113；601；801)，其具有经配置以从所述原动机(101)给所述泵提供动力的动力输入连接及用于使所述泵的排量变化的排量变化输入；排量变化致动器(111、121、131)，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；输出致动器(115)，其与所述泵直接通信，所述输出致动器(115)经配置以驱动对应自由度；及至少一个传感器(116、126)，其确立表示所述输出致动器(115)的力或运动的反馈测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】液压致动器系统相关申请案的交叉参考本申请案主张2012年8月27日提出申请、标题为“液压致动器系统(HydraulicActuatorSystem)”的序列号为61/693,463的美国临时申请案的权益。
技术介绍
本专利技术涉及一种用于移动机器人的高效率、低质量液压致动系统，且一般来说涉及移动平台，其中交流电源的缺乏需要特别注意总体致动器系统效率。已花费巨大努力尝试使固定的工业液压致动系统适应于移动需要，但这些系统通常具有不良效率，仅在与内燃机一起使用时才站得住脚。当今的目前最佳技术解决方案是使用低效率液压伺服阀。虽然这些阀具有超常控制性能，但其具有极低效率且因此不适合于电池供电的系统。甚至在其中效率并非要求的应用中，较好效率可引起显著能量节省且减少热负载。移动机器人致动器中的目前最佳技术是以下两个种类中的一者：(1)使用高比率传动装置(例如谐波驱动或滚珠螺杆)的耦合到受控制的每一轴线的电动机；或(2)与液压蓄能器并行地驱动液压泵以在每一轴线处形成恒定压力液压供应轨及液压伺服阀的电动机。选项(1)是较简单解决方案但由于传动装置而在轴线处产生高惯性，但此传动装置对于电动机的性质是基本的且不可被避免直到具有实质上低于铜的电阻的导体可用于电动机设计中。选项(2)提供更好性能，但以在电池供电的应用中不可容许的效率(实质上由于伺服阀)。尽管其它致动器(例如电活性聚合物及气动人工肌肉以及其它气动或仿肌肉致动器)提供其它解决路径，但其尚未达到其中其可用于密集移动应用中的状态。主要商业努力及因商业意图而设计的研究平台(例如本田的ASIMO、波士顿动力公司BIGDOG及iRobot的PACKBOT生产线)无例外地使用以上解决方案(1)或(2)。
技术实现思路
本专利技术系统涉及采用具有高于电动传动系的效率的理论效率的液压致动器。致动系统基于微型可变排量液压泵。可变排量泵在液压技术中是众所周知的。与固定排量泵一样地，可变排量泵将旋转轴运动转换成液压流体运动，但不同于固定排量泵，可变排量泵具有旋转轴输入及控制泵的排量的额外输入。可变排量泵已在液压系统中用于提供纯粹机械系统控制，通常以通过将使泵排量变化的机构连接到对抗系统压力的弹簧而维持恒定压力供应。一些可变排量泵是越中心可变排量泵，也就是说排量可减小到零(此时泵不产生流量)且继续超过零，使得液压流体流动的方向可纯粹地通过使泵排量变化而反转。存在可经设计为越中心可变排量液压泵的许多类别的液压泵，包含径向活塞泵、轴向活塞泵及叶片泵。本专利技术使用单个可变排量液压泵来驱动受控制的每一轴线。每一可变排量泵的动力输入轴连接到公共旋转驱动轴，且每一可变排量泵具有控制可变排量泵的排量的个别电动机。公共驱动轴连接到充当原动机的一个驱动电动机。在N个轴线的典型配置中，将存在一个驱动电动机及N个致动模块。每一致动模块将具有一个泵、一个控制马达及一个输出致动器。所述驱动马达为系统提供所有机械动力。每一控制马达必须仅提供克服摩擦力及泵的必须经移动以便使排量变化的部分的惯性所需要的力。一般来说，系统压力不妨碍泵排量机构，或妨碍泵排量机构的系统压力的分量是非常小的，且因此控制马达不需要克服系统压力。如果适当地设计系统，那么必须由控制马达克服以便改变泵排量的负载可是相当小的。在经优化泵设计的情况下，此致动系统可达成类似大小的液压伺服阀系统的控制带宽。当然，系统可运行为单轴线系统，且此布置在特定应用中可是有利的，但其独特优点中的许多优点随着轴线的数目增加而有利地按比例缩放。本专利技术具有若干个优点。与使用伺服阀的液压系统一样地，轴线处的重量仅是致动器，例如液压缸或液压马达。然而，系统并非如通过耗散阀中的动力来控制而是通过使泵的排量变化以得到所要致动器输出来控制。通过将泵定位为接近零排量，输出致动器可有效地用作双向控制的阻尼器以减速或保持位置而不论轴线上的负载如何。此外，施加到致动器的所有负载通过可变排量泵反射回到由单个马达驱动的单个驱动轴上。公共驱动布置具有四个原则优点：1.1.由单个原动机产生用于使输出致动器移动的所有能量。如果原动机是内燃机那么此是必要的。当原动机是电动机时，单个电动机将比数个小电动机更高效地产生动力。2.原动机及驱动轴的惯性帮助吸收峰值负载。在直接驱动电系统中；额外惯性减小致动带宽，从而需要更小的较低效率的马达。3.由输出致动器产生的能量机械地传送到驱动轴且接着在不转换为电能的情况下直接传送到其它输出致动器。因此，甚至在原动机无法产生动力时(如在引擎的情形中)再生是可能的。如果净总计的所有输出致动器产生与其所吸收相比更多的动力，且原动机可使电力再生，那么电力可传回到电力供应器。4.原动机的速度可在控制器继续控制输出致动器的运动时变化，只要原动机的速度足以产生每一输出致动器所需要的流量(已知与所述致动器相关联的可变排量泵的最大排量)。因此，原动机的速度是可用于通过高电平过程优化的自由变量且速率可是变化的以便最大化效率、最小化噪声、提供更高流动速率的周期以允许快速操纵及/或在不活动周期期间节省电力。存在本专利技术的改进其能力及效率的若干个特征，且这些特征通常适用而无论本专利技术中所使用的泵的类型。然而，从在连同附图一起进行时对优选实施例的以下详细说明将更容易地明了本专利技术的额外目标特征及优点，其中在数个视图中相似元件符号指代对应部件。附图说明图1是根据本专利技术的包含液压致动器系统的负重机器人的视图；图2是包含三个致动模块的总体系统的视图；图3是旋转速度随时间而变的曲线图，所述曲线图证明可如何使用原动机的多个旋转速度；图4是由控制器施加以调节图3中所展示的旋转速度的控制努力的曲线图；图5是图解说明用于改进系统的性能的简单启发法的流程图；图6是向致动系统指示其应以数个模式中的哪一模式操作的外部信号的曲线图；图7是采用本专利技术的致动器系统的假肢膝盖布置的示意图；图8是具有弯曲安装的外壳(带本专利技术的特定优点的布置)的泵的视图；图9是具有一个公共外壳的负载平衡泵的视图；及图10是具有两个经链接外壳的负载平衡泵的视图。具体实施方式下文详细地描述具有广泛应用的高效率液压致动的新方法。在描述中，出于解释的目的，陈述大量具体细节以便提供对本专利技术的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将显而易见，本专利技术可不借助这些具体细节来实践。在优选实施例中，致动系统可用于控制移动机器人负重机器人。负重机器人可用于各种应用，例如帮助健全人运载额外重量及使得无法使用其下肢的下身麻痹患者能够行走。参考图1，负重机器人10具有左腿21及右腿22，每一条腿具有经配置以分别致动所述腿的膝盖及臀部的液压缸30及31。四个液压缸与形成负重机器人10的躯干60的一部分的致动系统50通信。致动系统50是本专利技术的主要目标，这是因为致动系统50克服已知技术的重大限制。参考图2，在一个示范性实施例中，展示能够给三个自由度提供动力的致动系统50。原动机(在此情形中，电动机101)基于来自控制器103的信号而使驱动轴102旋转。实际上，此布置将需要轴承、支撑结构及外包壳，但由于这些并非本专利技术的目标且在此项技术中很好地被理解，因此其等未在此处被展示。展示耦合到驱动轴102的三个致动模块110、120及130。每一致动模块优选地为相当的。在所展示的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于以液压方式致动至少一个自由度的系统，所述系统包括：原动机及至少一个致动模块，每一致动模块包含：(1)越中心可变排量泵，所述泵具有：(a)动力输入连接，其经配置以从所述原动机给所述泵提供动力；及(b)排量变化输入，其用于使所述泵的排量变化；及(2)排量变化致动器，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；(3)输出致动器，其与所述泵直接通信，所述输出致动器经配置以驱动对应自由度；及(4)反馈测量，其表示所述输出致动器的力或运动，所述反馈测量是由至少一个传感器构造；及控制器，其经配置以控制所述原动机及所述排量变化致动器，其中所述控制器使用所述反馈测量来通过控制所述排量变化致动器调节所述输出致动器的所述力或运动。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.08.27 US 61/693,4631.一种用于以液压方式致动移动机器人装置中的至少一个自由度的系统，所述系统包括：由电池驱动的电动机构成的原动机及至少两个致动模块，每一致动模块包含：(1)越中心可变排量泵，所述泵具有：(a)动力输入连接，其经配置以从所述原动机给所述泵提供动力，所述动力输入连接对于所述至少两个致动模块是公共的；及(b)排量变化输入，其用于使所述泵的排量变化；及(2)由电池驱动的电动机构成的排量变化致动器，其经配置以调制所述泵的所述排量变化输入；(3)液压输出致动器，其与所述泵直接通信，所述输出致动器经配置以驱动对应自由度；及(4)反馈测量，其表示所述输出致动器的力或运动，所述反馈测量是由至少一个传感器构造；及控制器，其经配置以控制所述原动机及每一所述排量变化致动器，其中，对于所述至少两个致动模块中的每一者，所述控制器使用所述反馈测量来通过控制相关联的所述排量变化致动器以调节相应的所述输出致动器的所述力或运动。2.根据权利要求1所述的系统，其中所述原动机产生旋转运动，且所述控制器控制所述旋转运动的速度以最大化从相应的所述可变排量泵传送的动力，其中控制所述输出致动器的所述力或运动导致从相应的所述可变排量泵传送动力。3.根据权利要求1所述的系统，其中所述原动机产生旋转运动，且所述控制器进一步控制所述原动机的运动。4.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机的角速度控制为大体上恒定。5.根据权利要求1所述的系统，其中所述输出致动器具有有限行程。6.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器依以下三种模式控制所述原动机：(1)当所述原动机的角速度大体上低于低设置点时产生动力，(2)当所述原动机的所述角速度大体上高于所述低设置点但低于高设置点时不产生动力，及(3)当所述原动机的所述角速度大体上高于所述高设置点时吸收动力。7.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，其中所述旋转速度是通过以下步骤来选择：(1)所述控制器将每一所述输出致动器所需的流量除以其对应可变排量泵的最大排量，从而得出用于所述致动模块的所需原动机速度，(2)所述控制器计算最大速度，所述最大速度是所述所需原动机速度中的每一者的绝对值的最大值，及(3)所述控制器将所述旋转速度确立为稍微大于所述最大速度。8.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器控制所述原动机的旋转速度且从所述移动机器人装置接收外部信号，且基于所述外部信号，所述控制器在至少两个不同值之间改变所述原动机的所述旋转速度，其中较低值对应于所述移动机器人装置处于静止状态中且较高值对应于所述移动机器人装置处于活动状态中。9.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，所述控制器包含所述致动系统中的动力损失模型，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化动力损失。10.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最大化所述泵的寿命。11.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化音量。12.根据权利要求11所述的系统，其中所述音量是在特定频率范围内最小化。13.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最大化调节所述输出致动器的所述力或运动的性能。14.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述控制器确立所述旋转速度以最小化调节所述输出致动器的所述力或运动所消耗的动力量。15.根据权利要求3所述的系统，其中所述控制器将所述原动机控制为旋转速度，且所述移动机器人装置用信号向所述控制器通知所述控制器应使用数个优化模式中的哪一优化模式以...

【专利技术属性】
技术研发人员：库尔特·阿蒙森，拉斯·安戈尔德，大卫·沙因曼，蒂姆·斯威夫特，丹尼尔·P·诺尔博，罗伯特·莫尔，乔纳森·比尔德，凯尔·埃德尔伯格，
申请(专利权)人：埃克苏仿生公司，
类型：发明
国别省市：美国;US