一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统
技术领域
本发明属于机器人驱动系统领域，更具体地，涉及一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统。
背景技术
移动机器人作为一个高度综合的复杂系统，涉及到机构学、仿生学、人工智能和几何方法等众多学科。近年来，国内外的研究学者和科研机构对仿人机器人进行了大量研究。然而，对于动力系统目前的研究较少，一些移动机器人采用的是外部电源，直接使用外接电缆对机器人进行供电，另一部分机器人所用内置动力系统存在着质量大、功率低的问题，这样就对机器人的运动造成了负面影响，限制了机器人的运动范围和负载能力，且削弱了其续航能力，使机器人无法适应实际社会生产需要。
动力驱动系统是机器人运动和执行任务的基础，选择合理的驱动方式能够有效提升机器人的机动性能和负载能力。相比于电驱动系统，液压驱动系统具有比功率大、输出力大、高带宽、响应快和抗干扰能力强等特性，适于构建环境适应性要求高的仿人移动机器人。使用外接电源供电，会使移动机器人的移动范围和应用场景大大受到限制；采用内置能源驱动，相比外接能源具有明显的优势，可以极大程度地提升机器人活动范围，使移动机器人可以独立地完成各种任务。现有技术中，还缺乏通过将液压动力系统与机器人运动轨迹结合起来，为机器人提供高功率液压动力来源，从而满足其运动和执行任务的要求的动力输出系统。
因此本领域亟待提出一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统，以改善移动机器人的运动性能，更好地实现人机合作和多机协同作业。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统，其中结合移动机器人自身的特征及其液压动力输出系统的工艺特点，相应设计了一种适用于移动机器人的高功率密度的液压动力输出系统，并对其关键组件如控制器模块、电机、液压泵、阀块、低压蓄能器以及高压蓄能器的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可根据移动机器人的预定动作来判断其所需的液压油流量，进而实时调控电机的转速，为机器人提供高功率液压动力来源以满足其运动和执行任务的要求，从而改善移动机器人的运动性能，更好地实现人机合作和多机协同作业。
为实现上述目的，本发明提出了一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统，包括控制模块、电机、液压泵和阀块，其中，
所述控制模块通过通信线路与电机连接，用于根据移动机器人的预定动作产生的流量需求实现对电机的转速进行在线调整，并向所述电机发送调整信号，所述电机的功率输出端与所述液压泵连接，所述液压泵的进油口与所述阀块的低压油路连接，所述液压泵的进油口与所述阀块的高压油路连接，所述低压蓄能器设于所述阀块的低压油路上，所述电机根据所述调整信号驱动所述液压泵动作，并将所述低压蓄能器中的液压油行充能后输送至所述阀块的高压油路，所述阀块将充能后的液压油输出至移动机器人的伺服阀以驱动控制机器人运动的油缸动作；
所述阀块的高压油路上还连接有高压蓄能器，用于在所述液压泵功率突变时，对所述阀块的高压油路中液压油的能量进行实时补偿，以缓冲液压动力输出系统工作时的震荡和冲击。
作为进一步优选的，所述控制模块包括PID控制器和模糊控制器，其中，所述PID控制器用于对所述电机的转速进行在线调整，同时，还需采用模糊控制器通过监测转速偏差值ek与转速偏差的变化率Δek对所述PID控制器参数进行修正，从而修正PID控制器的输出，以得到PID控制器在对所述电机的转速进行在线调整时所需的转述比例系数修正量ΔKp与转述积分系数修正量ΔKi。
作为进一步优选的，所述模糊控制器中的每个模糊变量的隶属函数为高斯函数，所述每个模糊变量均包括7个模糊子集：负大NB、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM以及正大PB。
作为进一步优选的，所述液压泵的出油口与所述高压蓄能器之间的高压油路上还设有单向阀；所述单向阀与所述高压蓄能器之间的高压油路上设有过滤器。
作为进一步优选的，所述阀块上还插装有卸荷阀和溢流阀。
作为进一步优选的，所述阀块的低压油路的回油及经溢流阀调节后出来的液压油均通过设于所述阀块上的液压油风冷却器进行冷却后输送至所述低压蓄能器。
作为进一步优选的，所述电机设置有两个，两个所述电机均为航模变转速控制的直流无刷电机，两个所述电机均配备有一个电机风扇。
作为进一步优选的，所述高压蓄能器为高压隔膜式蓄能器，其在预充定量的氮气后通过过渡结构集成于阀块上。
作为进一步优选的，所述阀块上的各个工艺孔均采用ED密封堵头。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明可根据移动机器人的预定动作产生的流量需求实现对电机的转速进行在线调整，跟根据调整后的流量来匹配电机的转速以及需要进行充能的液压油，然后将充能后的液压油输出至移动机器人的伺服阀以驱动控制机器人运动的油缸动作，以实现为移动机器人提供高功率液压动力来源以满足其运动和执行任务的要求，从而改善移动机器人的运动性能，更好地实现人机合作和多机协同作业。
2.本发明在对转速进行在线调整时，还需采用模糊控制器对PID控制器输出的转速偏差值ek与转速偏差的变化率Δek进行修正，从而使得其能更快的获取期望的转速。
3.电机设置有两个，一方面可优化整体空间，便于整体结构的设计；另一方面，在输出要求不高的时候进行轮换工作，提高电机寿命。
附图说明
图1是本发明涉及的一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统的三维结构示意图；
图2是图1的主视图；
图3是本发明涉及的一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统的系统原理图；
图4是本发明涉及的一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统的外形尺寸图；
图5是图4的俯视图；
图6是本发明涉及的控制模块调整电机转速的原理图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-高压过滤器；2-压力计；3-卸荷阀；4-电机风扇；5-电机；6-低压蓄能器；7-阀块；8-液压泵；9-液压油风冷却器；10-高压蓄能器；11-溢流阀。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
由于移动足式机器人运动时伴随着整体的振动，并且机器人步行运动时会使空气进入系统油液中从而导致各种不良后果，同时机器人运动所需流量和油压较大，市面上目前满足性能要求的电机、泵产品体积和质量较大，不符合移动机器人动力源的小型化需求，因而本发明为了解决上述问题，所述控制模块通过通信线路与电机5连接，用于根据移动机器人的预定动作产生的流量需求实现对电机5的转速进行在线调整，并向所述电机5发送调整信号，所述电机5的功率输出端与所述液压泵8连接，所述液压泵8的进油口与所述阀块7的低压油路连接，所述液压泵8的进油口与所述阀块7的高压油路连接，所述低压蓄能器6设于所述阀块7的低压油路上，所述电机5根据所述调整信号驱动所述液压泵8动作，并将所述低压蓄能器6中的液压油行充能后输送至所述阀块7的高压油路，所述阀块7将充能后的液压油输出至移动机器人的伺服阀以驱动控制机器人运动的油缸动作；
所述阀块7的高压油路上还连接有高压蓄能器10，用于在所述液压泵8功率突变时，对所述阀块7的高压油路中液压油的能量进行实时补偿，以缓冲液压动力输出系统工作时的震荡和冲击。
具体而言，如图1、图2及图3所示，本发明一种高功率密度的移动机器人液压动力输出系统包括高压过滤器1、压力计2、卸荷阀3、电机风扇4、电机5、低压蓄能器6、阀块7、液压泵8、液压油风冷却器9、高压蓄能器10和溢流阀11。其中，本发明的整体外形如图1、图2所示，整个动力单元由阀块7与机器人背箱用螺钉连接，悬挂在机器人背部，阀块7的下部增加尼龙支架作为辅助支撑，外部能源采用2块22V航模电池串联当作44.4伏使用，储电量及其密度均较高。原理图的具体实现如图3所示，在本发明中，考虑到移动足式机器人运动时伴随着整体的振动，并且机器人步行运动时会使空气进入系统油液中从而导致各种不良后果，本发明使用自增压油箱来为系统供油，又由于移动机器人的特殊性，需要减小器件体积，本发明选用低压蓄能器6，对其进行减重设计：承压元件采用高强度铝合金替代通用元件的钢材，在更高的安全系数下，大幅降低重量，气囊采用市场标准产品的通用元件，以求达到同等质量和寿命。同时，低压蓄能器是并阀块7的低压油路上，用于作为油箱给系统补充油，还用于将阀块7的回油储存起来，再供给液压泵。在本发明中,液压动力输出系统采用法兰安装到阀块7上的方式，无需管路连接，作为油箱，其容积由机器人运动执行液压件、蓄能器、温度变化导致的最大系统油量差确定，预充气体压力由预充氮气压力以及最小最大液压状态下氮气的体积和压力计算出。
通过电机5驱动液压泵8来为液压油充能，由于机器人运动所需流量和油压较大，目前满足性能要求的电机、泵产品体积和质量较大，不符合移动机器人动力源的小型化需求，因此，本发明将其拆分为两组电机-泵的组合，在满足性能要求的情况下，也减小了液压动力源整体的体积，此处采用的电机选用航模变转速控制的直流无刷电机，具有体积小、重量轻、功率高的优点，电机通过分电板连接电池，由于电流较大，产热较高，因此每个电机配置一个高速冷却风扇，外接24伏电源，对电机进行风冷。模糊-PID控制器基于对机器人动作的预判，根据对机器人动作的预判来设定系统流量需求，控制器通过电调来调节电机转速，从而调节液压泵的转速，从而满足移动足式机器人在不同运动场景下的流量需求，达到输出流量随着系统实际需求变化而变化的节能目的。模糊-PID控制器通过电机5驱动液压泵8来为液压油充能的过程具体如下：
如图6所示，本发明的PID控制器的性能依赖于比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd三个参数，因此，本发明通过模糊控制器对三个参数进行实时调节，来获得期望的控制效果。
根据多次操作的经验准则与一般控制系统的响应特性，本发明中自适应模糊PID控制器分为以下四种情况：
Ⅰ当系统偏差|ek|比较大时，不管Δek的变化趋势如何，PID控制器输出最大值，使得系统迅速的调整减小偏差。
Ⅱ当ekΔek>0时，系统的偏差ek朝着绝对值减小的方向变化，此时PID控制器输出最小值，一方面保证系统的稳定输出，一方面进一步减小系统的偏差。
Ⅲ当ekΔek<0时，系统的偏差ek朝着绝对值增大的方向变化，此时PID控制器应该输出最大值，以减小系统的偏差。
Ⅳ当|ek|减小时，此时在控制器中引入积分环节，消除系统的稳态误差。
本发明使用PI控制器对所选用航模变转速控制的直流无刷电机的转速进行控制，模糊控制器的输入为偏差值ek与偏差的变化率Δek，输出为比例系数修正量ΔKp与积分系数修正量ΔKi。PID控制器输入为系统的偏差ek与修正量ΔKp、ΔKi，模糊控制器根据不同阶段系统的响应特性，实时输出不同的修正量ΔKp、ΔKi，实现其在线调整功能。
本发明中，设定系统偏差ek，偏差变化率Δek的论域均为[-10000 10000]，[-1000010000]，由于动力系统原动件使用航模变转速控制的直流无刷电机，设定ΔKp为[-0.150.15]、ΔKi为[-0.008 0.008]。模糊控制器中的每个模糊变量的隶属函数为高斯函数，每个模糊变量对应7个模糊子集分别为：NB(负大)、NM(负中)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)、模糊变量的隶属度函数，ΔKp模糊规则表如表1所示，ΔKi模糊规则表如表2所示。
表1 ΔKp模糊规则表
表2 ΔKi模糊规则表
在实际运算当中，需要给定比例系数Kp、积分系数Ki的初始值，输入PID控制器中的值分别为K′p与K′i，其中：
K′p＝Kp+ΔKp
K′i＝Ki+ΔKi
在Matlab/Simulink中设计模糊控制器，在模糊逻辑运算中，与方法设置为取小，或方法设置为取大，蕴含设置为取小，聚合设置为取大，清晰化设置为面积中心法。系统在运行时，经过模糊化、逻辑推理、清晰化等过程，完成PID控制器参数自动校正的过程，最终在保证系统响应特性的前提下，使得航模电机的转数在负载端固定的前提下，能够快速且稳定的到达期望转速。
这种电机控制方法对比传统的伺服控制大幅降低了发热，可以延长电池的使用寿命，对比同等功率的伺服电机则大幅降低了重量。液压泵8为轴向油口齿轮泵，其出油口和进油口由安装螺钉压倒阀块上，无需任何管接头。单向阀选用超小型特殊设计产品，集成在泵的出口，即阀块的高压油路上，防止高压油倒灌入泵，引起泵反转而损坏其他元件；考虑到机器人中的伺服阀的液压油清洁度要求，将法兰连接的高压过滤器1直接集成于阀块7的高压油路上。进一步的，为了缓冲液压泵8的流量突然变化造成的振荡和冲击，需要加入高压蓄能器10，其选用高压隔膜式蓄能器，具有重量较轻、安装方便、灵敏度高、作用大等优点，其预充氮气体积可通过预充氮气压力以及最小最大液压状态下氮气的体积和压力计算出，高压蓄能器10预充一定压力后，用过渡接头集成于阀块7的高压油路上。
卸荷阀3由外部24V电源控制接通和断开。可电控也可手动实现接通高低压回路，使整个系统不再动作，达到安全的目的。溢流阀11可外部手动调节系统压力，用于保证输出压力，卸荷阀3和溢流阀11均插装在阀块7上。压力计2集成在阀块7上，数显式设计可直接观测压力表的读数，也可以将信号传递到电脑上进行分析。在阀块7的出油口处连接高压油管将经过上述功能调节后的压力油输送到系统的伺服阀，驱动控制机器人运动的油缸动作，实现相应功能。整个系统的回油和溢流阀11出来的油一起通过液压油风冷却器9进行降温，然后回到低压蓄能器6。各个部件基本为螺纹插装或者螺栓法兰连接固定在阀块7上，之间的油路连接在阀块内部完成，不需要管路。阀块7采用高强度铝合金，工艺孔均采用ED密封堵头。
如图4和图5所示，本发明液压动力输出系统的整体尺寸可控制为：横向长度为400mm～500mm，纵向长度为500mm～600mm，厚度为100mm～200mm。本发明一个实施例最终液压动力输出系统的整体尺寸如图4所示，横向长度为405mm，纵向长度为524.5mm，厚度为138.35mm。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
