[发明专利]液压致动器系统

说明书

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(Hydraulic Actuator System)”的序列号为61/693,463的美国临时申请案的权益。

背景技术

本发明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BIG DOG及iRobot的PACKBOT生产线)无例外地使用以上解决方案(1)或(2)。

发明内容

本发明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。

本发明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。

本发明具有若干个优点。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。