[发明专利]可控变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种可控变截面液压缸及其液压控制系统和控制方法。

背景技术

近年来移动机器人在结构、感知、路径规划和控制等领域得到了长足的发展，实现了娱乐服务、人机互动、极端环境侦查等复杂功能，但是能源和驱动技术发展滞后，导致移动机器人负载能力有限，制约了移动机器人的实用化。现有研究表明，当动力源的输出压力超过3.5MPa时，同功率的液压驱动系统比纯机电驱动系统具有更高的功率密度。采用液压驱动系统是提高负载能力的有效途径。目前许多研究单位开始尝试用液压动力系统来驱动移动机器人，如美国波士顿动力公司研制的BIGDOG、petman，意大利理工大学的KenKenⅡ液压驱动四足机器人，另外由中国863高技术研究发展计划资助的高性能四足机器人项目明确提出要采用液压驱动系统。

由于重量和体积的限制，移动机器人的液压驱动系统采用的都是单泵源—多执行器系统结构。该类液压驱动系统效率非常低下，主要原因是各执行器的负载在同一时刻都不相同，并且同一执行器在不同时刻负载也不相同，一个泵源不能同时与多个执行器的负载进行功率匹配，一般选择大功率执行器负载进行匹配，由此导致其他执行器支路出现大量节流耗损，造成效率低下。

效率低下会造成如下问题：动力源的功率要求高，动力源的重量和体积会上升；完成同样的工作需要的能量(如汽油)增加，重量增加；系统液压元件性能指标要求会提高，液压元件的重量和体积会增加；系统发热会更严重，冷却系统的功率就会变大，冷却系统的体积和重量就会增加。因此效率低下会严重影响移动机器人的负载能力。

现有提高单泵源—多执行器液压驱动系统效率的方法很多，如进回油独立节流控制、电液混合动力和能量回收技术、负载敏感泵控技术、液压变压器等。这些技术节能效果有限、并且没有考虑系统的体积和重量，难以在移动机器人上使用。

根据负载实时改变液压缸的有效作用面积，使得各个执行器支路的负载压力都与泵源的输出压力接近，通过泵的变量自适应机构来自动调节泵的输出流量与各支路负载流量之和匹配，从而实现泵的输出功率与各支路负载功率之和匹配，有效提高系统效率。

因此研制可控变截面液压缸对于提高移动机器人负载能力意义重大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种可有效提高移动机器人液压驱动系统效率，可通过选择多级液压缸不同腔体截至、与高压油路导通或与低压油路导通来实现油源压力与负载压力的匹配，最终达到提高液压系统效率目的的变截面液压缸及其液压控制系统。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。

一种变截面液压缸，包括缸筒、一级活塞和二级活塞，所述一级活塞包括一级活塞杆和缸筒，所述一级活塞杆通过活塞环和端盖密封安装在所述缸筒内，所述二级活塞包括所述一级活塞杆和二级活塞杆，所述一级活塞杆的内部空心，所述一级活塞杆作为二级活塞杆的缸筒，所述二级活塞杆通过活塞环和端盖密封安装在所述一级活塞杆内，所述二级活塞杆内部设有所述二级无杆腔油路和二级有杆腔油路，所述二级无杆腔油路将外部油路与所述二级活塞无杆腔连通，所述二级有杆腔油路将外部油路与所述二级活塞有杆腔连通。

一种变截面液压缸的液压控制系统，一级活塞无杆腔、一级活塞有杆腔、二级活塞无杆腔和二级活塞有杆腔分别与第一开关阀的油口C1、第二开关阀的油口C2、第三开关阀的油口C3和第四开关阀的油口C4连接，所述第一开关阀和第二开关阀与第一伺服阀连接，所述第三开关阀和第四开关阀与第二伺服阀连接，所述第一开关阀的油口A1、所述第二开关阀的油口B2和所述第一伺服阀的油口VA1连通，所述第一开关阀的油口B1、所述第二开关阀的油口A2和所述第一伺服阀的油口VB1连通，所述第三开关阀的油口A3、所述第四开关阀的油口B4和所述第二伺服阀的油口VA2口连通，所述第三开关阀的油口B3、所述第四开关阀的油口A4和所述第二伺服阀的油口VB2连通，所述第一伺服阀的高压进油口P1和所述第二伺服阀的高压进油口P2与恒压变量泵8和安全溢流阀9构成的动力源的高压出油口连通，所述第一伺服阀的低压回油口T1和所述第二伺服阀的低压回油口T2与油箱连通。

所述开关阀为两位三通电磁开关阀，所述伺服阀为三位四通伺服阀。