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野外勤务机器人的电液混合动力单元KURTAMUNDSON,JUSTINRAADE,NATHANHARDING,ANDHKAZEROONI美国加利福尼亚州,加利福尼亚大学伯克利分校,邮编94720EXOBERKELEYEDU,HTTP//BLEEXMEBERKELEYEDU摘要–一台自给能量的液压式移动野外机器人需要同时具备电气和液压的动力源。液压动力用于运动,同时,电力用于电脑,传感器,和其它外围设备。一台内燃机用于主运动是因为汽油具有很高的能量密度。电液混合动力单元(简称HEPU)的一个基本要求是它必须输出恒压液压动力和恒压电力。一台机载电脑使用一个压力传感器和一个速度传感器,并通过液压电磁阀和发动机油门来控制压力和电压。这种速度控制同样会引起具有可预知频率带的系统噪音,这样是为了顾及到最佳的减声器设计。这种动力源的一种新颖的特征是它的冷却系统,它的液压油用来给发动机汽缸冷却。一些电液单元已经建成并且在伯克利下肢外骨骼(简称BLEEX,详见BLEEXMEBERKELEYEDU/BLEEXHTM)上得到成功应用。一个动力单元原型重27千克,能输出功率为23千瓦(30马力)压强69兆帕(1000磅/平方英寸)的液压动力以及220瓦15伏的直流电。索引关键词–移动动力源,液压动力,动力发生,野战勤务机器人,BLEEXI介绍通常大多数人工攀爬和野外机器人系统都通过链带和沉重的电池系统作为动力装置的。为了让机器人装置获得高能的自主行动又不受导线和重型电池的束缚,一种紧凑的,用来同时提供机械驱动力,计算机的电力,和控制的移动电力单元是必需的。电池是一种常见的移动机器人的电源。日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO1中装备的镍氢电池就是这样一个例子。但是,电池只具备一个很低特定能量密度(能量/质量)高性能锂电池也只有05兆焦/千克2。由于只有很低的特定能量密度,电池就会变得越来越大越来越重,除非操作时间变短,或者机器人系统只需要较少的电能。比起电池,燃料具有更高的特定能量密度,他被设想用在机器人系统上。以往的工作中加州大学伯克利分校主要集中在以单元推进剂作为动力的自由活塞式液压泵2,3这个系统的液压动力是由90的浓缩过氧化氢分解得来的。单元推进剂比电池具有更高的能量,但是90的浓缩过氧化氢具有的特定能量密度只有12兆焦/千克,明显少于燃料,比如汽油的44兆焦/千克。简单是单元推进剂的最主要的优势。该系统不需要预混合,空气压缩,点火,或者冷却系统。仅仅只需要控制通过电磁阀的单元推进剂燃料的数量,凭借电脑创建两个合适的具有不同压力的反应堆就能完成。但是只有相对来说较低的特定能量密度,实体要求和安全特征和大量的燃料消耗阻碍了我们进一步追求单元推进剂动力单元在机器人方面的应用。看4,5单元推进剂的另一种新的用处是燃料可以直接转变成机械能。内燃机(IC)发动机使用特定能量密度很高的汽油,这里所描述的动力装置采用一种二冲程反向双汽缸内燃机发动机来构成一个结构紧凑,质量轻的动力源。实际上这就是内燃机发动机作为汽车,推土机,摩托车和其他轮式车辆的主要动力源的原因。我们猜想野外移动机器人和其他野外的车辆只工作很短的几个小时。事实上很多野外和勤务机器人系统已经尝试使用内燃机发动机作为他们的主要动力。68不幸的是,内燃机发动机太吵了。尽管我们相信当前小容量的市场需求和小内燃机发动机的低需求阻碍了野外机器人的高效静音微型的发动机系统技术的发展。但是大容量野外移动机器人系统会带来静音高效的内燃机发动机动力单元的发展。实际上,本田和雅马哈已经开发了又小又高效安静的便携式内燃机电力单元用于非机器人领域的户外应用,优化的消声器结构在5英尺的情况下只测得75分贝的噪音。本文阐述了一些基本的应用于机器人领域的电液混合动力单元的技术难点。尽管这个动力单元的说明是源于BLEEX的操作需要911,但是这些设计准则同样适用于其他机器人领域。建筑,液压,电力等,冷却系统和控制会详细的描述。实验数据是表明系统性能的。IIHEPU的说明设计一个野外移动机器人系统的要求是机器人的功能,尺寸,机动速度和它的有效载荷能力。这个混合动力单元的设计是为了BLEEX计划的需要911。在设计了几个电力单元之后,我们开始意识到,移动机器人系统和BLEEX有相同的质量和尺寸,所以只需要相同特征而命名不同的动力源而已。BLEEX和其他大多数野外机器人系统对设计的影响是,需要考虑在野外运动时的承载能力。虽然许多步行系统12,13设计师只考虑他们的自重。但是BLEEX是设计用来承载额外的负重的。可是,高压液压经常会导致少量的动力损失,我们选择69兆帕(1000磅/平方英寸)作为系统压力。这就使那些需要在野外工作和也许更人性化的机器人系统有更合理的液压元件。我们建议使用更高的工作压力(例如207兆帕,或者3000磅/平方英寸)如果安全合适的液压传送组建可以和系统相匹配。液压流量通常根据该机器人的速度特点来计算。高速运动导致大量液压流量需求。在这个BLEEX工程的例子中,步行速度从CGA现场步态分析得到的数据,导致20升/分(52加仑/分)的液压流量。我们建立在各种外骨骼系统的基础上的经验建议需要使用接近220瓦的电力提供给车载机器人计算机和传感器再加上动力单元传感器和控制器。HEPU系统的目标质量是23千克(50磅),来提供显著的有效载荷能力。表1总结了电源装置的详细说明。表1BLEEX的液压动力单元HEPU的详细说明液压流体动力230千瓦(30马力)电力220瓦液压流量20升/分(52加仑/分)工作压力69兆帕(1000磅/平方英寸)目标质量23千克(50磅)最大噪音等级15米(5英尺)情况下75分贝III综合HEPU结构HEPU是为了提供电液动力而设计的。它使用一种紧凑的二冲程反向双汽缸内燃机发动机来完成全角度操作。图1和图2展示了发动机(1)如何驱动一个单一的轴(2),为一个用来发电的发电机(3),用来使空气循环的散热风扇(4),以及提供液压动力的齿轮泵5提供动力。这种单一轴的设计巧妙地避免了在多轴传动系统种常见的噪音和重型带传动结构。一个液压电磁阀(7)调控液压流的指向,从齿轮泵到储能器(10)或者到液压油箱(13)。储能器由一个铝制的汽缸组成,汽缸被一个自由的活塞把液压油和氮气隔开。一个碳纤维胆连接到储能器气体那一边,用来储存氮气。总的来说,这个储气量是相当大的,当液压油的压力波动存在的情况在,压力波动会更小。压力传感器(9)为控制器测量液压油的压力。一根歧管(6)设计成同时连接电磁阀(7)和过滤器(8)。一种新颖的液体冷却方案利用回流的液压油本身来冷却发动机。从驱动器流出来的液压油被分为两路。大学38的液压油转向去冷却发动机气缸。一个热交换器(12)在液压油到达液压油箱之前清除其中的热量,然后和剩下的62液压油混合。IV机械动力的产生二冲程反气缸内燃机(型号80B2RV,ZDZ模型发动机制造)在8200转/分转速下能产生6千万(81马力)的轴功率,它是用作动力单元主要的原动力。这种发动机具有80的体积并且仅有2千克(44磅)的质量。因为齿轮泵限制于6300转的最大转速,并且因为我们不打算在这个动力单元里使用任何传动减速器,所以我们被迫使发动机在低于最小功率的速度下工作。这样发动机可以在6300转/分的转速下产生大约306千瓦(4马力)的动力,它已经高于所需的动力(25千瓦或者34马力)。一般来说,使用一台更大的发动机在更低的速度会有比使用高速小发动机更小的噪音。发动机是安装在它油门上的伺服电机控制的。发动机直接驱动发电机,散热风扇和齿轮泵。泵(型号WP03B1B032L20MA12,HALDEX制造)一个循环排量32因此理论上他能在他的最大转速6300转/分钟的情况下传递202升/分钟(53加仑/分)V控制结构用一个固定排量的泵在恒定的速度运行来保持不变的工作压力,需要一种独特的控制方法。一个储能器安装在泵的出口处为驱动器和功能机构提供流量就像电容器能补偿瞬态峰值电流一样。液压压力被压力传感器读取。计算机控制电磁阀来保持压力。当压力到达预设值(69兆帕的情况下),计算机驱动电磁阀移动到图1中的A位置来让液压油流向邮箱。当液压流被伺服阀和驱动器消耗时,为了防止储能器降压,计算机驱动电磁阀移动到B位置,让液压油流向储能器。这种基于压力测量的电磁阀的调节,使得这个系统能够输出一个近似恒压。储能器的操作压力被维持在69/02兆帕(1000/30磅/平方英寸)这个压力带内。当电磁阀引导液压油流向油箱时,发动机的转速会迅速增加。与之相反的是当阀门引导液压油流向储能器时,发动机的转速会迅速下降甚至可能停转。发动机转速的变化会引起变化频率的排气声,那样不利于最佳地减少噪声。此外,发动机转速的变化会导致一个很大的电压变化。另外发动机的高转速会损坏泵。根据上述理由,希望控制发动机有恒定转速。这就是为什么决定维持每分钟6300
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