[发明专利]多腔体液压缸及其控制系统和控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多腔体液压缸及其控制系统和控制方法。

背景技术

负载能力有限已成为制约移动机器人实用化的“瓶颈”问题，采用高功率密度的液压驱动提高移动机器人负载能力是目前世界各机器人研究机构普遍采用的方式，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，例如文献《Design and control of ranger:An energy-efficient,dynamic walking robot》、《Design principles for highly efficient quadrupeds and implementation on the MIT Cheetah robot.》、《4-legged bipedalrobot》都采用该类液压系统结构。该类液压系统结构效率低下。已报道的由美国国防预先研究局资助的BLEEX外骨骼液压驱动系统效率仅14％，浙江大学张彦廷博士的博士论文《基于混合动力与能量回收的液压挖掘机节能研究》表明，采用单泵源—多执行器液压驱动系统的挖掘机效率仅为40％。该类液压系统效率低下的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。移动机器人与挖掘机相比较，具有更多的执行器，系统动态性能要求更高，在同一个瞬时各个执行器输出的位移和力的差异更显著，不同时间同一个执行器输出的位移和力的变化更剧烈，其液压驱动系统效率会更低。

效率低下会导致系统发热严重，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。另外低效率还会导致完成同样的工作需要更多的能量(如汽油)，同样的工况下动力源的输出功率要求更高。因此低效率会严重影响移动机器人的负载能力和续航能力。

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。

因此研制多腔体液压缸对于提高移动机器人负载能力意义重大。同时多腔体液压缸可以用于提高使用多路阀控液压缸驱动的装备如各类工程机械的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有单泵源-多执行器液压系统效率低下问题提供一种通过液压缸多腔体设计，选择不同腔体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多腔体液压缸及其控制系统和控制方法。

本发明通过以下技术方案实现上述目的。

一种多腔体液压缸，包括复合缸筒和复合活塞杆，所述复合缸筒包括外缸筒和内缸筒，所述内缸筒与外缸筒同轴布设,所述内缸筒设置在外缸筒内，所述内缸筒与外缸筒的一端密封，另一端开口，所述复合活塞杆包括外活塞杆和内活塞杆，所述外活塞杆和所述内活塞杆的一端固联在一起，所述内活塞杆的另一端设置在内缸筒内且所述内活塞与所述内缸筒大小相匹配，所述外活塞杆的另一端设置在外缸筒与内缸筒之间的间隙中且所述外活塞与外缸筒与内缸筒之间的间隙大小相匹配，所述外活塞杆在外缸筒与内缸筒之间的间隙中形成的有杆腔为第三空腔C，无杆腔为第二空腔B，所述内活塞杆在内缸筒中形成的有杆腔为第四空腔D，无杆腔为第一空腔A，所述第一空腔A、第二空腔B、第三空腔C、第四空腔D均设有油路与外部控制油路连通。

所述复合缸筒通过压力传感器与端环连接，所述复合活塞杆上设有检测复合活塞杆负载力的负载力传感器。

所述内缸筒与外缸筒之间通过第一密封套筒密封。

所述外活塞杆与外缸筒内壁和内缸筒外壁之间通过第二密封套筒密封。

所述内缸筒与外缸筒之间通过第一端盖和第二端盖固连在一起。