[發明專利]液壓致動器系統

有效

• 申請號: 201380044651.4
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN104582910B
• 公開（公告）日: 2016-11-16
• 發明（設計）人: 庫爾特·阿蒙森;拉斯·安戈爾德;大衛·沙因曼;蒂姆·斯威夫特;丹尼爾·P·諾爾博;羅伯特·莫爾;喬納森·比爾德;凱爾·埃德爾伯格
• 申請（專利權）人: 埃克蘇仿生公司
• 主分類號: B25J9/14
• 分類號: B25J9/14
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司 11287
• 代理人: 齊楊

相關申請案的交叉參考

本申請案主張2012年8月27日提出申請、標題為“液壓致動器系統(Hydraulic?Actuator?System)”的序列號為61/693,463的美國臨時申請案的權益。

背景技術

本發明涉及一種用于移動機器人的高效率、低質量液壓致動系統，且一般來說涉及移動平臺，其中交流電源的缺乏需要特別注意總體致動器系統效率。

已花費巨大努力嘗試使固定的工業液壓致動系統適應于移動需要，但這些系統通常具有不良效率，僅在與內燃機一起使用時才站得住腳。當今的目前最佳技術解決方案是使用低效率液壓伺服閥。雖然這些閥具有超常控制性能，但其具有極低效率且因此不適合于電池供電的系統。甚至在其中效率并非要求的應用中，較好效率可引起顯著能量節省且減少熱負載。

移動機器人致動器中的目前最佳技術是以下兩個種類中的一者：(1)使用高比率傳動裝置(例如諧波驅動或滾珠螺桿)的耦合到受控制的每一軸線的電動機；或(2)與液壓蓄能器并行地驅動液壓泵以在每一軸線處形成恒定壓力液壓供應軌及液壓伺服閥的電動機。選項(1)是較簡單解決方案但由于傳動裝置而在軸線處產生高慣性，但此傳動裝置對于電動機的性質是基本的且不可被避免直到具有實質上低于銅的電阻的導體可用于電動機設計中。選項(2)提供更好性能，但以在電池供電的應用中不可容許的效率(實質上由于伺服閥)。盡管其它致動器(例如電活性聚合物及氣動人工肌肉以及其它氣動或仿肌肉致動器)提供其它解決路徑，但其尚未達到其中其可用于密集移動應用中的狀態。主要商業努力及因商業意圖而設計的研究平臺(例如本田的ASIMO、波士頓動力公司BIG?DOG及iRobot的PACKBOT生產線)無例外地使用以上解決方案(1)或(2)。

發明內容

本發明系統涉及采用具有高于電動傳動系的效率的理論效率的液壓致動器。致動系統基于微型可變排量液壓泵?？勺兣帕勘迷谝簤杭夹g中是眾所周知的。與固定排量泵一樣地，可變排量泵將旋轉軸運動轉換成液壓流體運動，但不同于固定排量泵，可變排量泵具有旋轉軸輸入及控制泵的排量的額外輸入?？勺兣帕勘靡言谝簤合到y中用于提供純粹機械系統控制，通常以通過將使泵排量變化的機構連接到對抗系統壓力的彈簧而維持恒定壓力供應。一些可變排量泵是越中心可變排量泵，也就是說排量可減小到零(此時泵不產生流量)且繼續超過零，使得液壓流體流動的方向可純粹地通過使泵排量變化而反轉。存在可經設計為越中心可變排量液壓泵的許多類別的液壓泵，包含徑向活塞泵、軸向活塞泵及葉片泵。

本發明使用單個可變排量液壓泵來驅動受控制的每一軸線。每一可變排量泵的動力輸入軸連接到公共旋轉驅動軸，且每一可變排量泵具有控制可變排量泵的排量的個別電動機。公共驅動軸連接到充當原動機的一個驅動電動機。在N個軸線的典型配置中，將存在一個驅動電動機及N個致動模塊。每一致動模塊將具有一個泵、一個控制馬達及一個輸出致動器。所述驅動馬達為系統提供所有機械動力。每一控制馬達必須僅提供克服摩擦力及泵的必須經移動以便使排量變化的部分的慣性所需要的力。一般來說，系統壓力不妨礙泵排量機構，或妨礙泵排量機構的系統壓力的分量是非常小的，且因此控制馬達不需要克服系統壓力。如果適當地設計系統，那么必須由控制馬達克服以便改變泵排量的負載可是相當小的。在經優化泵設計的情況下，此致動系統可達成類似大小的液壓伺服閥系統的控制帶寬。當然，系統可運行為單軸線系統，且此布置在特定應用中可是有利的，但其獨特優點中的許多優點隨著軸線的數目增加而有利地按比例縮放。

本發明具有若干個優點。與使用伺服閥的液壓系統一樣地，軸線處的重量僅是致動器，例如液壓缸或液壓馬達。然而，系統并非如通過耗散閥中的動力來控制而是通過使泵的排量變化以得到所要致動器輸出來控制。通過將泵定位為接近零排量，輸出致動器可有效地用作雙向控制的阻尼器以減速或保持位置而不論軸線上的負載如何。此外，施加到致動器的所有負載通過可變排量泵反射回到由單個馬達驅動的單個驅動軸上。公共驅動布置具有四個原則優點：

1.1.由單個原動機產生用于使輸出致動器移動的所有能量。如果原動機是內燃機那么此是必要的。當原動機是電動機時，單個電動機將比數個小電動機更高效地產生動力。

2.原動機及驅動軸的慣性幫助吸收峰值負載。在直接驅動電系統中；額外慣性減小致動帶寬，從而需要更小的較低效率的馬達。