專利名稱：兩足機器人智能泵閥的協同控制方法與執行器裝置的制作方法
兩足機器人智能泵閥的協同控制方法與執行器裝置
技術領域：
本發明涉及一種基于微控制器智能控制算法的小功率液壓執行器，用于兩足機器 人控制，內容涉及電液控制技術領域。
背景技術：
現代機器人的控制技術要求執行器具有控制性好、能耗低、輸出力大和小型輕量 化的特點。典型的機器人執行器驅動方式有電動機直接驅動和電液驅動兩種型式，而具有 大的負重功能的機器人為了減輕自身重量和能源消耗，提高自身的功率重量比，執行器多 選用電液驅動方式。目前電液控制執行器主要有閥控與泵控兩種系統工作方式，閥控系統 具有精度高和響應速度快的控制特性，而泵控系統則有轉換效率高和控制精度適中的特 點。由于閥控系統節流控制損失，大大降低了系統效率并且引起系統發熱。相比閥控系統 20 30 %的低能量轉換效率，雖然泵控系統具有80 90 %的高能效比，但是容積控制方式 的泵控系統由于響應速度相對較低，應用領域受到局限，通常應用于大功率液壓系統。因此 無論是閥控技術還是泵控技術驅動的傳統液壓缸執行器，均還無法很好地適應機器人控制 的小型執行器所要求的高速輕量化、輸出力大、可控性好和能耗低的要求。
發明內容本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種兩足機器人智能泵閥的協同控 制方法與執行器裝置。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的本發明的目的之一是提供兩足機器人智能泵閥的協同控制方法，其具體步驟為 采用微控制器MCU實時采樣兩足機器人的足底壓力變化和工作狀態，通過系統辨識算法辨 識出當前狀態和需要施加的控制量，采用智能控制算法實時控制伺服閥的閥口開度，同時 通過控制液壓泵電動機的轉速來控制系統的流量，降低系統的節流損失，達到系統載荷匹 配和節能的效果。本發明的目的之二是提供一種兩足機器人智能泵閥的執行器裝置，包含復位彈簧 與傳感單元的液壓缸，液壓缸內安裝有傳感單元，在液壓缸的有桿腔內安裝有復位彈簧，液 壓缸無桿腔與受微控制器MCU控制的泵閥混合控制系統相連接；基于微控制器MCU的功率 控制單元按照事先編制好的程序，在智能控制算法的控制作用下，控制伺服閥開口和油泵 電動機轉速產生的容積變化，使得執行器裝置協同工作。所述泵閥混合控制系統的第一種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控 制的機器人執行器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸與 直流電機連接，單向閥與穩壓的蓄能器、壓力傳感器及進油伺服閥連接，進油伺服閥與單出 桿液壓缸及回油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連接，單出桿液壓缸的傳感單元通過信號 線與控制器連接，控制器通過信號線與穩定壓力檢測信號的壓力傳感器連接，控制器還通 過控制線與直流電機、進油伺服閥和回油伺服閥連接。
所述泵閥混合控制系統的第二種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控 制的機器人執行器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸與 直流電機連接，單向閥與單出桿液壓缸及回油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連接，單出桿 液壓缸的傳感單元通過信號線與控制器連接，控制器通過控制線與直流電機和回油伺服閥 連接。所述泵閥混合控制系統的第三種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控制的機器人執行器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸 與直流電機連接，單向閥與單出桿液壓缸、蓄能器及回油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連 接，單出桿液壓缸的傳感單元通過信號線與控制器連接，控制器通過控制線與直流電機和 回油伺服閥連接。基于微控制器MCU的功率控制單元按照事先編制好的程序，完成智能控制算法的 協同功能，控制執行器工作。智能控制算法的主要功能是(1)辨識出系統力反饋控制需要 的有關控制參數；(2)實時控制伺服閥的閥口開度和控制液壓泵容積變化；(3)通過控制系 統的節流損失，達到系統載荷匹配和節能的效果。對于不同負載重量的機器人的使用要求，本發明提出了 3種執行器控制方案。這 3種控制方案相同的技術要點簡述如下(1)都是泵閥協同控制；(2)使用了共性的數字液 壓控制技術；(3)能夠滿足機器人執行器所要求的柔順性的控制特點；(4)與單純的閥控液 壓系統相比較，具有明顯的降低能源消耗的特點；(5)與通常的泵控液壓系統相比較，又共 同具有閥控系統的控制準確和反應靈敏的特點。通過選擇3種不同的配置方案，可以使之 適合不同負載的機器人的應用場合和需要。與現有技術相比，本發明的積極效果是(1)本發明使用復位彈簧簡化了液壓缸回程運動的控制；(2)本發明直接檢測在液壓缸內的傳感單元信號，可靠性提高；(3)本發明采用伺服閥節流控制和容積控制的混合控制方式，控制響應快；(4)本發明采用伺服閥節流控制和容積控制的混合控制方式的系統取消了溢流 閥，降低了節流損耗，提高了系統效率；(5)本發明的系統具有蓄能器，提高了系統的被動柔順性。
附圖1是本發明的單出桿液壓缸示意圖；附圖2是本發明的方案一實施示意圖；附圖3是本發明的方案二實施示意圖；附圖4是本發明的方案三實施示意圖；附圖中的標記分別為1、單出桿液壓缸，2、傳感單元，3、復位彈簧，4、油箱，5、單向 泵，6、單向閥，7、直流電機，8、蓄能器，9、壓力傳感器，10、進油伺服閥，11、回油伺服閥，12、 控制器，13、蓄能器。
具體實施方式以下提供本發明一種兩足機器人智能泵閥的協同控制方法與執行器裝置的具體實施方式
。兩足機器人智能泵閥協同控制方法，其具體步驟為采用微控制器MCU實時采樣兩足機器人的足底壓力變化和工作狀態，通過系統辨識算法辨識出當前狀態和需要施加的 控制量，采用智能控制算法實時控制伺服閥的閥口開度，同時通過控制液壓泵電動機的轉 速來控制系統的流量，降低系統的節流損失，達到系統載荷匹配和節能的效果。一種兩足機器人執行器裝置，包含復位彈簧3與傳感單元2的單出桿液壓缸1，所 述單出桿液壓缸1上裝有傳感單元2，所述單出桿液壓缸1有桿腔內安裝有復位彈簧3，所 述單出桿液壓缸1無桿腔與泵閥混合控制液壓系統連接，請參見附圖1。所述泵閥混合控制系統的第一種控制方案簡述如下，一種以泵閥混合控制方法控 制的機器人執行器，油箱4與單向泵5進油口連接，所述單向泵5出油口與單向閥6連接， 單向泵5轉軸與直流電機7連接，所述單向閥6與蓄能器8、壓力傳感器9及進油伺服閥10 連接，所述進油伺服閥10與單出桿液壓缸1及回油伺服閥11連接，所述回油伺服閥11與 油箱4連接，所述單出桿液壓缸1的傳感單元2通過信號線與控制器12連接，所述控制器 12通過信號線與壓力傳感器8連接，所述控制器12還通過控制線與直流電機7、進油伺服 閥10的控制端及回油伺服閥11的控制端連接，請參見附圖2。當控制器12收到對單出桿液壓缸1的控制命令時，控制器12通過壓力傳感器9 檢測蓄能器8內的壓力，與預設工作壓力進行比較，若蓄能器8內壓力低于預設工作壓力， 則控制器12驅動直流電機7旋轉，直流電機7帶動單向泵5同步旋轉將油箱4內液壓油經 過單向閥6打入蓄能器8形成系統工作油壓，之后控制器12將控制命令與單出桿液壓缸1 的傳感單元2的信號進行比較，比較的誤差通過智能控制算法處理后轉換為脈寬調制控制 信號發送到進油伺服閥10及回油伺服閥11，當誤差為負時進油伺服閥10打開使蓄能器8 與單出桿液壓缸1連接提高油壓，當誤差為正時回油伺服閥11打開使油箱4與單出桿液壓 缸1連接降低油壓，從而實現對單出桿液壓缸1內油壓的控制，同時傳感單元2會將單出桿 液壓缸1的實時狀態反饋給控制器12，直到誤差信號小于內部死區范圍，控制器12停止輸 出控制信號。所述泵閥混合控制系統的第二種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控 制的機器人執行器，油箱4與單向泵5進油口連接，所述單向泵5出油口與單向閥6連接、 轉軸與直流電機7連接，所述單向閥6與單出桿液壓缸1及回油伺服閥11連接，所述回油 伺服閥11與油箱4連接，所述單出桿液壓缸1的傳感單元2通過信號線與控制器12連接， 所述控制器12通過控制線與直流電機7及回油伺服閥11連接，請參見附圖3。當控制器12收到對液壓缸1的控制命令時，控制器12將控制命令與單出桿液壓 缸1的傳感單元2的信號進行比較，比較的誤差通過智能控制算法處理后轉換為脈寬調制 控制信號發送到直流電機7與回油伺服閥11，當誤差為負時直流電機7帶動單向泵5同步 旋轉，將油箱4內液壓油經過單向閥6打入單出桿液壓缸1中，當誤差為正時回油伺服閥11 打開使油箱4與單出桿液壓缸1連接降低油壓，從而實現對單出桿液壓缸1內油壓的控制， 同時傳感單元2會將單出桿液壓缸1的實時狀態反饋給控制器12，直到誤差信號小于內部 死區范圍，控制器12停止輸出控制信號。所述泵閥混合控制系統的第三種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控 制的機器人執行器，油箱4與單向泵5進油口連接，所述單向泵5出油口與單向閥6連接、轉軸與直流電機7連接，所述單向閥6與單出桿液壓缸1、蓄能器13及回油伺服閥11連接， 所述回油伺服閥11與油箱4連接，所述單出桿液壓缸1的傳感單元2通過信號線與控制器 12連接，所述控制器12通過控制線與直流電機7及回油伺服閥11連接，請參見附圖4。 當控制器12收到對液壓缸1的控制命令時，控制器12將控制命令與單出桿液壓 缸1的傳感單元2的信號進行比較，比較的誤差通過智能控制算法處理后轉換為脈寬調制 控制信號發送到直流電機7與回油伺服閥11，當誤差為負時直流電機7帶動單向泵5同步 旋轉，將油箱4內液壓油經過單向閥6打入單出桿液壓缸1及蓄能器13中，當誤差為正時 回油伺服閥11打開使油箱4與單出桿液壓缸1及蓄能器13連接降低油壓，從而實現對單 出桿液壓缸1內油壓的控制，同時傳感單元2會將單出桿液壓缸1的實時狀態反饋給控制 器12，直到誤差信號小于內部死區范圍，控制器12停止輸出控制信號，當單出桿液壓缸1受 到負載波動時，蓄能器13降低液壓系統的剛度，使單出桿液壓缸1動作平穩。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人 員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為 本發明的保護范圍內。
權利要求
兩足機器人智能泵閥的協同控制方法，其特征在于，具體步驟為采用微控制器MCU實時采樣兩足機器人的足底壓力變化和工作狀態，通過系統辨識算法辨識出當前狀態和需要施加的控制量，采用智能控制算法實時控制伺服閥的閥口開度，同時通過控制液壓泵電動機的轉速來控制系統的流量。
2.兩足機器人智能泵閥的執行器裝置，其特征在于，包含復位彈簧與傳感單元的液壓 缸，液壓缸內安裝有傳感單元，在液壓缸的有桿腔內安裝有復位彈簧，液壓缸無桿腔與受微 控制器MCU控制的泵閥混合控制系統相連接；基于微控制器MCU的功率控制單元按照事先 編制好的程序，在智能控制算法的控制作用下，控制伺服閥開口和油泵電動機轉速產生的 容積變化，使得執行器裝置協同工作。
3.如權利要求2所述的兩足機器人智能泵閥的執行器裝置，其特征在于，所述的泵閥 混合控制系統的第一種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控制的機器人執行 器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸與直流電機連接， 單向閥與穩壓的蓄能器、壓力傳感器及進油伺服閥連接，進油伺服閥與單出桿液壓缸及回 油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連接，單出桿液壓缸的傳感單元通過信號線與控制器連 接，控制器通過信號線與穩定壓力檢測信號的壓力傳感器連接，控制器還通過控制線與直 流電機、進油伺服閥和回油伺服閥連接。
4.如權利要求2所述的兩足機器人智能泵閥的執行器裝置，其特征在于，所述的泵閥 混合控制系統的第二種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控制的機器人執行 器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸與直流電機連接， 單向閥與單出桿液壓缸及回油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連接，單出桿液壓缸的傳感 單元通過信號線與控制器連接，控制器通過控制線與直流電機和回油伺服閥連接。
5.如權利要求2所述的兩足機器人智能泵閥的執行器裝置，其特征在于，所述的泵閥 混合控制系統的第三種控制方案簡述如下一種以泵閥混合控制方法控制的機器人執行 器，油箱與單向泵進油口連接，單向泵出油口與單向閥連接，單向泵轉軸與直流電機連接， 單向閥與單出桿液壓缸、蓄能器及回油伺服閥連接，回油伺服閥與油箱連接，單出桿液壓缸 的傳感單元通過信號線與控制器連接，控制器通過控制線與直流電機和回油伺服閥連接。
全文摘要
本發明涉及兩足機器人智能泵閥的協同控制方法與執行器裝置，具體步驟為采用微控制器MCU實時采樣兩足機器人的足底壓力變化和工作狀態，通過系統辨識算法辨識出當前狀態和需要施加的控制量，采用智能控制算法實時控制伺服閥的閥口開度，同時通過控制液壓泵電動機的轉速來控制系統的流量；本發明的優點使用復位彈簧簡化了液壓缸回程運動的控制；直接檢測在液壓缸內的傳感單元信號，可靠性提高；采用伺服閥節流控制和容積控制的混合控制方式，控制響應快；采用伺服閥節流控制和容積控制的混合控制方式的系統取消了溢流閥，降低了節流損耗，提高了系統效率；系統具有蓄能器，提高了系統的被動柔順性。
文檔編號F15B21/08GK101806317SQ20101011205
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月23日 優先權日2010年2月23日
發明者凌正陽, 孫波, 曹恒, 曹頔, 朱鈞, 王煒 申請人:華東理工大學