技术领域
[0001] 本
发明涉及机器人驱动系统技术领域，具体涉及一种新型机器人液压关节驱动系统。
背景技术
[0002]
工业机器人的驱动系统按驱动
力可分为液压、
气动、电动三大类，根据需要也可由这三种基本类型组合成的复合式的驱动系统。
[0003] 电动驱动系统：电驱机器人广泛采用伺服
电机作为动力源，在各个关节处由
伺服电机驱动其运动。由于交、直流伺服电机及其配套的伺服
驱动器(交流
变频器、直流脉冲宽度
调制器)的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量选用。这类系统
定位精度高、刚性好、承载能力强，但电驱机器人在驱
动能力、体积结构等方面存在不足，由于受限于电机的驱动力，大负载一般在关节处采用以减速机提高驱动力矩，导致了机器人体积结构庞大即电机功率/重量比小；同时机器人各关节处通过减速机、
齿轮等
啮合属于纯刚性链接，在快速启动或停止时容易产生较大刚性冲击，动作平
滑行较差，不具备缓冲性能。
[0004] 气动驱动系统：气动驱动系统一般采用压缩的空气作为动力源，关机处广泛采用伸缩式或旋转式
气缸作为动力执行元件；气动装置一般具备较好的缓冲性能即柔顺性好，同时其功率/重量比显著低于电驱系统，且动作平滑；但其驱动负载能力有限、气缸缩放运动受外界负载和冲击影响显著，导致不
稳定性。
[0005] 液压驱动系统相对电驱和气动驱动其独特优势在于：液压系统其功率
密度高，具备较大的驱动力且瞬时爆发力大，特别适合于重负载情况；同时其布局结构相对紧凑，使得外形尺寸相对较小；液压系统具备自润滑性能、耐冲击性、耐震动，此特点是电驱等刚性机械结构所不具备的；同时具备灵活的无级变速以及过载保护等。液压驱动有其自身限制条件：进行
能量转换，速度控制在多数情况下采用节流调速，能量损失大、利用率低。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提供一种新型机器人液压关节驱动系统，解决现有液压驱动系统能量损失大的问题，同时满足相响应速度。
[0007] 本发明通过下述技术方案实现：
[0008] 一种新型机器人液压关节驱动系统，包括电机、
液压泵和双作用
活塞杆缸，所述电机与
液压泵连接，所述液压泵与双作用
活塞杆缸之间并联形成有进油路和回油路，所述进油路上自液压泵到双作用活塞杆缸依次设置有第一高压蓄能机构、第二高压蓄能机构和第一比例
阀或第一
伺服阀，所述第一高压蓄能机构包括形成第一回路的第一
单向阀和第一高压
蓄能器，所述第一回路通过第一三位四通电磁换向阀与进油路连通，所述第二高压蓄能机构包括形成第二回路的第二单向阀和第二
高压蓄能器，所述第二回路通过第二三位四通电磁换向阀与进油路连通。
[0009] 机器人的需求特点对其关节驱动系统提出了较高的要求，包括响应速度、控制精度、抗干扰能力和功率密度等，特别是对高功率密度提出了较高要求。
[0010] 机器人液压关节具有驱动力大、响应快和适应冲击能力强等优点，主要采用定量伺服(比例)控制系统，具有溢流损失大、节流损失大和总效率低的不足。为了保证驱动系统的响应速度、提高液压驱动系统的功率密度，本发明结合液压蓄能和比例控制等思路，提出一种新型机器人液压关节驱动系统。
[0011] 本发明所述驱动系统包括2个蓄能机构，分别为第一高压蓄能机构、第二高压蓄能机构，优选地，驱动系统也可以设置大于2个蓄能机构，且本发明采用第一
比例阀或第一伺服阀进行油量的控制。
[0012] 本发明的工作原理：
[0013] 机器人运动之前，利用液压泵对其中一个蓄能器(第一高压蓄能器或第一高压蓄能器)充液。充夜时，三位四通电磁换向阀(第一三位四通电磁换向阀或第二三位四通电磁换向阀)处于左位(图示的左侧)。
[0014] 机器人运动时，充液完成后的高压蓄能器(第一高压蓄能器或第一高压蓄能器)释放油液，三位四通电磁换向阀(第一三位四通电磁换向阀或第二三位四通电磁换向阀)处于右位(图示的右侧)。油液流量由第一伺服阀或者第一比例阀控制，避免溢流损失。在其中一个蓄能器释放油液时，另外一个蓄能器由液压泵充液，充液完成后，液压泵卸荷或者电机停转以便节能。通过蓄能器的交替充液和放液，保证系统的正常供液，同时驱动液压关节运动。液压泵充液时系统压力稳定，不受机器人运动工况的影响，使得电机功率稳定、避免大
电流放电，所述双作用活塞杆缸为驱动件，能够带动液压关节运动。
[0015] 本发明所述驱动系统通过设置两个高压蓄能器，两个高压蓄能器交替进行充液和放液，保证系统的正常供液，同时驱动液压关节运动。压泵充液时系统压力稳定，不受机器人运动工况的影响，使得电机功率稳定、避免大电流放电，能够有效避免能量损失，并且，采用油液流量由第一伺服阀或者第一比例阀控制，避免溢流损失。
[0016] 本发明所述驱动系统与普通关节液压系统相比，泵的
排量更小、电机功率更小，从而使得驱动系统能耗更低。
[0017] 同时，发明所述驱动系统由于驱动系统功率减小、执行元件回油功率损失减小并且避免了系统的溢流损失，因此液压驱动系统的
热损失大大降低，可以取消
散热器，降低成本、提高整机功率密度。
[0018] 进一步地，第一回路还包括第一
增压器，所述第一
增压器设置在第一高压蓄能器后端。
[0019] 本发明所述后端是相对液油的流动方向而言。
[0020] 本发明通过在第一回路上设置第一增压器，能够确保第一高压蓄能的高效释放能量。
[0021] 进一步地，第二回路还包括第二增压器，所述第二增压器设置在第二高压蓄能器后端。
[0022] 本发明所述后端是相对液油的流动方向而言。
[0023] 本发明通过在第二回路上设置第二增压器，能够确保第二高压蓄能的高效释放能量。
[0024] 进一步地，回油路上设置有第二比例阀或第二伺服阀。
[0025] 即本发明采用的是双比例阀(伺服阀)：采用双比例阀(伺服阀)代替单比例阀(伺服阀)，实现单独流量控制，避免了单比例阀在进出油路上的双节流损失，进一步提高驱动系统的工作效率。单独流量控制采用回油路节油控制，使得
机器人关节在运动过程中具有液压阻尼从而使得运动更加平稳。(调速时，第一比例阀开口最大，利用第二比例阀开口调节进行流量控制。)
[0026] 进一步地，回油路上设置有低压蓄能器，所述双作用活塞杆缸与第一比例阀或第一伺服阀设置有三位四通换向阀。
[0027] 本发明设置低压蓄能器的优点在于：如果机器人在运动过程中受到负载冲击，通过油路切换可以用低压蓄能器吸收冲击。在
制动过程中，可以通过高压蓄能器回收部分运动能量。
[0028] 具体地：
[0029] 吸收冲击过程：机器人在在运动过程中，三位四通换向阀工作在下位，双作用活塞杆缸向下运动，在此过程中如果负载不稳定或收到刚性撞击，会导致双作用活塞杆缸的下端压力会产生
波动，与此相通的低压蓄能器能够吸收压力波动，维持整个油路的压力稳定，在一定程度上吸收了由外部引起的冲击震动。
[0030] 回收部分运动能量的过程：回收运动能能是在制动过程中回收的，在制动时，双作用活塞杆缸的下部油腔被压缩且压力较高以此提供制动力，在制动时三位四通换向阀工作在上位，双作用活塞杆缸下部的高压油经由第一比例阀第一伺服阀设流进高压蓄能器(第一高压蓄能或第二高压蓄能)进行能量回收，同时低压蓄能器能够提供回油路以及双作用活塞杆缸上部的供油。
[0031] 进一步地，进油路和回油路之间设置有先导型溢流阀。
[0032] 所述先导型溢流阀的设置能够确保系统安全，防止压力过高。
[0033] 具体地，当液压泵的出油口压力达到先导式溢流阀的调定压力时，先导式溢流阀处于工作状态即导通，使得液压泵的出口压力维持在调定压力不再继续上升，起到
安全阀的作用。
[0034] 本发明与
现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0035] 1、本发明所述驱动系统与普通关节液压系统相比，泵的排量更小、电机功率更小，从而使得驱动系统能耗更低，能够有效避免能量损失。
[0036] 2、本发明采用双比例阀(伺服阀)代替单比例阀(伺服阀)，实现单独流量控制，避免了单比例阀在进出油路上的双节流损失，进一步提高驱动系统的工作效率。单独流量控制采用回油路节油控制，使得机器人关节在运动过程中具有液压阻尼从而使得运动更加平稳
[0037] 3、本发明由于驱动系统功率减小、执行元件回油功率损失减小并且避免了系统的溢流损失，因此液压驱动系统的热损失大大降低，可以取消
散热器，降低成本、提高整机功率密度。
附图说明
[0038] 此处所说明的附图用来提供对本发明
实施例的进一步理解，构成本
申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
[0039] 图1是机器人液压关节驱动系统的结构示意图。
[0040] 附图中标记及对应的零部件名称：
[0041] 1-电机，2-液压泵，3-先导型溢流阀，4-第一三位四通电磁换向阀，5-第一单向阀，6-第一高压蓄能器，7-第一增压器，8-第二单向阀，9-第二高压蓄能器，10-第二增压器，11-第二三位四通电磁换向阀，12-第一比例阀，13-双作用活塞杆缸，14-第二比例阀，15-低压蓄能器，16-三位四通换向阀。
具体实施方式
[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0043] 实施例1：
[0044] 如图1所示，一种新型机器人液压关节驱动系统，包括电机1、液压泵2和双作用活塞杆缸13，所述电机1与液压泵2连接，所述液压泵2与双作用活塞杆缸13之间并联形成有进油路和回油路，所述进油路上自液压泵2到双作用活塞杆缸13依次设置有第一高压蓄能机构、第二高压蓄能机构和第一比例阀12或第一伺服阀，所述第一高压蓄能机构包括形成第一回路的第一单向阀5和第一高压蓄能器6，所述第一回路通过第一三位四通电磁换向阀4与进油路连通，所述第二高压蓄能机构包括形成第二回路的第二单向阀8和第二高压蓄能器9，所述第二回路通过第二三位四通电磁换向阀11与进油路连通。
[0045] 实施例2：
[0046] 如图1所示，本实施例基于实施例1，所述第一回路还包括第一增压器7，所述第一增压器7设置在第一高压蓄能器6后端，所述第二回路还包括第二增压器10，所述第二增压器10设置在第二高压蓄能器9后端。
[0047] 实施例3：
[0048] 如图1所示，本实施例基于实施例1或实施例2，所述回油路上设置有第二比例阀14或第二伺服阀。
[0049] 实施例4：
[0050] 如图1所示，本实施例基于实施例3，所述回油路上设置有低压蓄能器15，所述双作用活塞杆缸13与第一比例阀12或第一伺服阀设置有三位四通换向阀16，所述进油路和回油路之间设置有先导型溢流阀3。
[0051] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
