微型电液直线作动器
技术领域
本专利涉及作动器技术领域，特别是涉及一种微型电液直线作动器。
背景技术
目前的机器人动力系统主要包括伺服电机及精密减速机组成的电机方案和液压驱动方案，其中，电机方案应用是目前的主流应用，主要用于工业机器人手臂，缺点是系统缺乏柔性，电机功率密度低，在某些场合动力不足；液压驱动方案的核心部件是油泵、伺服阀、油缸通过油路管道连接，系统柔性好、耐冲击、功率密度大，是机器人用动力的研发方向，但由于采用集中液压源，主动力泵带动十多路液压执行器集中式供能，体积大、重量大、硬件管路复杂，机器人负载液压零件后几乎没有过多的负荷能力进行有效的场景应用，特别是在仿生机器人、四足机器人、机器人关节、机器人手指等应用方面，由于驱动力要克服自重阻力，导致机器人手体积庞大、重量增加，动力损失大，应用受到很大限制，对于机器人手指由于系统复杂、体积大，在指尖上有效的抓取力非常小，甚至无法应用。
球形泵是近年来新发明的动力机械，与电机集成后可以实现超微型化和高压力，在机器人领域可实现串联式直接驱动，相比传统的线驱动、推杆电机驱动方式，具有大力矩、耐冲击、可超微型化等特点，为此，利用球形泵技术进行微型电液直线作动器研发有着广泛的应用前景。
发明内容
本专利的目的是设计一种微型电液直线作动器，集泵、电机和液压活塞一体，采用模块化设计，作为分布式液压源为机器人提供动力。
本专利的技术方案是：微型电液直线作动器，其特征是：包括作动器基体、球形泵单元和往复活塞机构，在作动器基体上设置有液压缸和缸套，液压缸和缸套均为一端开口的圆柱形容腔，往复活塞机构设置在液压缸内，液压缸的开口端设置有液压缸端盖，在伸出液压缸底部的活塞杆的端部设置有活塞杆铰接孔，在液压缸端盖上设置有作动器铰接孔；在缸套的开口端设置有电机端盖，球形泵和电机集成在缸套内组成球形泵单元；球形泵的两个进、排液孔分别与往复活塞机构的两个排、进液孔连通；所述电液直线作动器封装在一个密闭的弹性皮囊内，活塞杆端部从弹性皮囊中伸出；
所述往复活塞机构为双活塞杆机构，活塞一侧的活塞杆从液压缸的圆柱内腔底部的活塞杆过孔伸出，活塞另一侧活塞杆在液压缸端盖内滑动；
所述球形泵单元包括球形泵及电机，球形泵包括缸体、缸盖、球形泵活塞、转盘和主轴，缸盖与缸体通过套筒紧固连接，电机定子、套筒固定在缸套的内壁上，电机转子环绕在球形泵主轴的外圆周上，电机端盖固定连接在缸套的开口端，主轴的上端与球形泵套筒之间形成旋转支撑、球形泵主轴的下端与电机端盖之间形成旋转支撑；
缸盖与缸体连接形成球形内腔，在缸盖上设置有活塞轴孔和两个进、排液孔，球形泵活塞的活塞轴插入缸盖内的活塞轴孔内，球形泵活塞与转盘通过柱面铰链铰接后形成球形转子置于球形内腔内，球形泵活塞和转盘的球形表面与球形内腔形成密封动配合，转盘的转盘轴从缸体下端伸出，在主轴的上端面设置有滑槽，在转盘的转盘轴端部设置有滑靴，转盘轴上的滑靴与球形泵主轴上的滑槽相配，转盘轴上的滑靴插入球形泵主轴上的滑槽内，主轴转动时滑靴在滑槽内往复滑动。
本专利的优点是：采用分布式液压源作为驱动力，无需换向阀，可实现泵电机、缸一体化设计，系统中无需布置复杂的油路管道，体积小、功率密度大，增加了有效的液压动能输出和系统运动的柔性，能承受冲击载荷；采用模块化设计，便于批量化生产制造及保养维护，使用方便。
附图说明
图1是微型电液直线作动器第一实施例结构示意图；
图2是微型电液直线作动器第二实施例结构示意图；
图3是图1中E—E剖视图；
图4是图2中D—D剖视图；
图5是作动器基体结构示意图；
图6是液压缸端盖结构示意图；
图7是主轴结构主视图；
图8是主轴结构俯视图；
图9是球形泵活塞结构示意图；
图10是转盘结构示意图；
图中，1-弹性皮囊；2-电机端盖；3-作动器基体；4-电机定子；5-电机转子；6-主轴；7-转盘；8-缸体；9-球形泵活塞；10-缸盖；11-套筒；12- 活塞杆铰接孔；13-密封环；14-密封圈Ⅰ；15-活塞杆；16-活塞；17-密封圈Ⅴ；18-密封圈Ⅱ；19-液压缸端盖；20-密封圈Ⅲ；21-密封圈Ⅳ；22-第一进排液通道；23-第二进排液通道；24-作动器铰接孔；25-液压缸；26-球形泵缸套；61-滑槽；71-转盘轴；72-转盘销座；73-滑靴；91-活塞轴；92-活塞销座；101-第一进、排液孔；102-第二进、排液孔；
3A-作动器基体Ⅰ；4A-电机定子Ⅰ；5A-电机转子Ⅰ；6A-主轴Ⅰ。
具体实施方式
一、第一实施例：
如图1、图3、图5、图6所示，所述微型电液直线作动器为超微型结构，包括作动器基体3、球形泵单元和往复活塞机构，在作动器基体3上设置有液压缸25和缸套26，液压缸25和缸套26均为一端开口的圆柱形容腔；液压缸25 的开口端设置有液压缸端盖19，在液压缸端盖19与液压缸25配合处设置有密封圈Ⅲ20；往复活塞机构为双活塞杆机构，往复活塞机构设置在液压缸25内，活塞16的直径与液压缸25的圆柱形内腔直径相配，在活塞16与液压缸25配合处设置有活塞密封圈Ⅴ17，活塞16一侧的活塞杆15从液压缸25的圆柱形内腔底部的活塞杆过孔伸出，在活塞杆15与作动器基体3上过孔配合处设置有密封圈Ⅰ14，另一侧活塞杆15在液压缸端盖19中心的孔内滑动，在活塞杆15与液压缸端盖19配合处设置有密封圈Ⅱ18，在液压缸端盖19上的活塞杆孔的底部设置有平衡孔，平衡孔连通到弹性皮囊1与作动器基体3所形成的间隙；在伸出液压缸25底部的活塞杆15的端部设置有活塞杆铰接孔12，用于活塞杆15 的端部与其他零件铰接传递动力；在液压缸端盖19上设置有作动器铰接孔24，用于微型电液直线作动器与其他零件铰接。
球形泵和电机集成在球形泵缸套内组成球形泵单元，在缸套26的开口端设置有电机端盖2；球形泵包括缸体8、缸盖10、球形泵活塞9、转盘7和球形泵主轴6，缸盖10与缸体8都具有半球形内腔，连接形成球形内腔，缸盖10与缸体8组合后，套筒11通过热装过盈配合的方式紧固在缸盖10与缸体8的外圆周上，套筒11再通过热装过盈配合紧固在缸套26的圆柱形容腔底部的内圆周上；在缸盖10上设置有活塞轴孔和两个进、排液孔，由于球形泵可正反转运行，当电机正转时第一进、排液孔101为进液孔，第二进、排液孔102为排液孔，则电机反转时第一进、排液孔101为排液孔，第二进、排液孔102为进液孔。
球形泵活塞9与转盘7通过柱面铰链铰接后形成球形转子置于球形内腔内，电机定子4线圈绕组固定在球形泵缸套圆柱形容腔的开口端内壁上，电机转子5 的硅钢片环绕在主轴6的外圆周上，电机端盖2通过热装过盈配合固定连接在球形泵缸套圆柱形容腔的开口端，球形泵主轴6的上端与球形泵套筒11之间形成旋转支撑，主轴6的下端与电机端盖2之间形成旋转支撑；具体为在主轴6 的上端与套筒11配合处设置滑动配合形成主轴6的上端旋转支撑；在主轴6的下端设置中心轴孔，在电机端盖2上设置有与主轴6的下端的中心轴孔相配的支撑轴，所述支撑轴可在所述中心轴孔内旋转从而形成球形泵主轴6的下端旋转支撑。
所述电液直线作动器封装在一个密闭的充满液压油的弹性皮囊1内，活塞杆15端部从弹性皮囊1中伸出；在伸出弹性皮囊1的活塞杆15端部与弹性皮囊1连接处设置有伸缩套和密封环13，密封环13固定卡持在活塞杆15的头部，伸缩套连接在密封环13和弹性皮囊1之间。为了安装方便实际应用中把液压缸端盖19上的动作器铰接孔24从弹性皮囊1中裸露出来，在液压缸端盖19与弹性皮囊1配合处之间设置密封圈Ⅵ21。
如图9到图10所示，球形泵活塞9具有球形顶面、两个成一定角度的侧面和在两侧面下部的半圆柱形活塞销座92，所述活塞球形顶面与所述球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合；在活塞球形顶面中央凸出一活塞轴91，活塞轴91的轴线通过活塞球形顶面的球心；球形泵转盘7具有在其上部与活塞销座 92相对应的转盘销座72，该球形泵转盘7的上部和下端面之间的外周面为转盘球面，转盘球面与所述球形内腔具有相同的球心并紧贴球形内腔形成密封动配合；所述转盘销座72为与活塞销座92相配的半圆柱凹槽，在转盘7的下端中心凸出一转盘轴71，转盘轴71通过转盘球面的球心，在转盘7的转盘轴71的端部设置有滑靴73；其中，转盘销座72的半圆柱凹槽的高度略高于半圆柱的中心线，即半圆柱凹槽的凹槽深度尺寸略大于半圆柱半径，活塞销座92的半圆柱需要从圆柱端部插入转盘销座72的半圆柱凹槽内形成柱面铰链；本实施例中的柱面铰链为“C”型套结构，转盘7的转盘销座72凹槽部分的圆弧包覆在活塞销座92的外圆柱面上，形成可绕圆柱中心线的转动。实际应用中，柱面铰链也可以是其他柱面形式形成的铰接。
转盘7的转盘轴71从缸体8下端开口伸出后与主轴6的上端面活动连接，如图7到图8所示，在球形泵主轴6的上端面设置有滑槽61，滑靴73与滑槽 61相配，转盘轴71上的滑靴73插入主轴6上的滑槽61内滑动。所述活塞轴孔和转盘轴71的轴线都通过所述球形内腔的球心，活塞轴孔和转盘轴71的轴线夹角为α；
球形泵的主轴6旋转时，带动转盘7和球形泵活塞9在球形泵的球形内腔内旋转，转盘7的滑靴71在主轴6的滑槽61内往复摆动，转盘7和球形泵活塞9相对摆动，在所述转盘7的上端面、所述球形泵活塞9的两侧面与所述球形内腔之间形成容积交替变化的V1工作室和V2工作室；缸盖10的两个进、排液孔分别与往复活塞机构活塞16两侧的两个工作室上的排、进液孔通过设置在作动器基体3内的第一进排液通道22和第二进排液通道23连通(在往复活塞机构活塞两侧的两个工作室上设置有进、排液孔，一个工作室为进液孔则另一个工作室为排液孔，球形泵的排液孔与往复活塞机构的进液孔连通，球形泵的进液孔与往复活塞机构的排液孔连通)，即球形泵的缸盖10上两个进、排液孔分别与往复活塞机构活塞16两侧的工作腔接通。
二、第二实施例：
如图2、图4所示，本专利的第二实施例中，除主轴Ⅰ6A、作动器基体Ⅰ3A、电机定子Ⅰ4A和电机转子Ⅰ5A与第一实施例略有不同外，其他完全相同；在第二实施例中，主轴Ⅰ6A的相对于第一实施例中主轴6轴径较小，电机定子Ⅰ4A 与电机转子Ⅰ5A相对于第一实施例中电机定子4与电机转子5轴向尺寸较短，电机转子Ⅰ5A设置在主轴Ⅰ6A下端轴外圆周上，电机定子Ⅰ4A与电机转子5Ⅰ A在径向相对布置；电机定子Ⅰ4A与作动器基体Ⅰ3A相适配，电机定子Ⅰ4A固定设置在作动器基体Ⅰ3A的球形泵缸套的开口端圆柱内腔的内壁上；这种结构可以压缩球形泵单元主轴径向方向的尺寸。
而在第一实施例中，主轴6径向尺寸较大，球形泵的套筒11连同缸体8、缸盖10更多的包容在主轴6的上端形成的容腔内，电子转子5和电机定子4的轴向长度尺寸大，在主轴6的全轴向长度上形成电磁力，在相同的体积下，第一实施例结构形式有利于球形泵获得更大的电机扭矩和驱动力。所以，第一实施例为本专利最优选结构。
