CN106313096B - 基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节 - Google Patents

Abstract

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统构成闭环控制系统，电检测系统包括在检测轴上安装的脉冲式旋转编码器和旋转电位器、以及细分角度检测电路，旋转电位器的转轴和脉冲式旋转编码器的动环通过弹性联轴器固定连接，通过单片机和细分角度电压检测电路检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应的电位器电压，进而检测出脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度的精确角度值，从而可高精度地驱动机器人的转动关节的转动。

Description

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节

技术领域

本发明涉及一种机器人用液压驱动关节。

背景技术

我国的机器人企业多为加工组装，关键核心技术缺乏，机器人中的三个关键核心部件(高性能交流伺服电机、精密减速器、控制器)长期依赖进口，特别是精密减速器几乎被日本的帝人、HRAMonic两家公司所垄断，售价居高不下，直接推高了我国机器人产品的生产成本，降低了产品的市场竞争力，使我国机器人的发展只局限在加工、组装方面，并面临着产业空心化的风险。

对机器人来说，转动关节要求扭矩大、回转精度高。常用的方法是采用精密机械减速装置(如谐波减速器、RV减速机等)，通过大减速比获得大扭矩，通过零件的精密制造获得高的回转精度，通过零件间的预紧获得必要的刚度。

影响减速装置回转精度的主要因素是该减速装置的反向回差。减速装置的反向回差大小取决于其组成零件的加工精度、装配精度以及相互啮合零件间的预紧。高精度零件的加工和高精度的装配势必造成高制造成本，相互啮合零件间的预紧一方面增加了装配的难度，另一方面会增加零件的磨损。此外，减速装置使用一段时间后，由于相互啮合零件间啮合面的磨损将增大所述反向回差，从而导致该减速装置无法正常使用，因此，从国外进口的机器人在使用几年后，由于定位精度不够而淘汰的例子常有发生。

发明内容

本发明针对现有的机器人用转动关节的上述不足，提供一种无需采用减速装置、转角控制精度高、转动扭矩大的基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，所述闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统；所述单片机通过所述电机驱动器控制伺服电机转动，所述伺服电机驱动所述双向螺杆泵内的螺杆正向或反向旋转，所述双向螺杆泵具有位于一侧的第一输出端和位于另一侧的第二输出端，所述摆动液压缸的内腔由叶片分隔成第一液压腔和第二液压腔，所述双向螺杆泵的第一输出端通过第一管路和摆动液压缸的第一液压腔连通，所述双向螺杆泵的第二输出端通过第二管路和摆动液压缸的第二液压腔连通，当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，双向螺杆泵从其第一输出端出油，推动摆动液压缸的叶片正向转动后从第二输出端回油，当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，双向螺杆泵从其第二输出端出油，推动摆动液压缸的叶片反向转动后从第一输出端回油，所述双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成闭式液压系统；所述摆动液压缸的输出轴连接机器人的转动关节，摆动液压缸的输出轴还通过传动比为1:1的钢带传动机构连接一检测轴，该钢带传动机构的传动带采用没有伸缩弹性的钢材质以保证瞬时传动比为1:1，从而保证摆动液压缸的输出轴和所述检测轴的转角的瞬间一致；

所述电检测系统包括套装在所述检测轴上的脉冲式旋转编码器、转轴与脉冲式旋转编码器的动环通过弹性联轴器固接的旋转电位器、用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应电位器电压的细分角度电压检测电路，所述旋转电位器的电阻体两端连接标准电平，旋转电位器的滑动端由所述转轴带动在所述电阻体上转动滑行，旋转电位器的滑动端与电阻体的电压负极之间构成Vin，所述脉冲式旋转编码器可检测其分辨率内实际转角所对应的整刻度角度，整刻度角度外的细分角度由所述旋转电位器、细分角度电压检测电路、以及单片机获得，所述细分角度电压检测电路包括用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度所对应的电位器电压V(i)以及所述检测轴的实际转角所对应的电位器电压Vin的主检测电路、螺杆正向旋转时用于放大Vin与V(i)之间差值的第一差动电压放大电路、螺杆反向旋转时用于放大V(i)与Vin之间差值的第二差动电压放大电路；

所述主检测电路包括电压比较器、第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器、第四电压跟随器、第五电压跟随器，所述电压比较器的同相端连接由所述单片机通过D/A转换模块或PWM产生模块产生的V(i)，所述电压比较器的反相端连接第一电压跟随器的输出端，当该电压比较器的同相端电压大于反相端电压时，电压比较器的输出端输出高电平，当该电压比较器的同相端电压小于反相端电压时，电压比较器的输出端输出低电平，所述第一电压跟随器的正输入端连接所述旋转电位器的滑动端的输出电压Vin，第一电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述电压比较器的同相端还连接第二电压跟随器的正输入端，第二电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第二电压跟随器的输出端连接第三电压跟随器的正输入端，第三电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述第一电压跟随器的输出端连接第四电压跟随器的正输入端，第四电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第四电压跟随器的输出端连接第五电压跟随器的正输入端，第五电压跟随器的负输入端直接连接其输出端；

所述脉冲式旋转编码器的每个整刻度角度对应的旋转电位器的电压值可以预先得到，并存储到所述单片机的RAM内的表格里面，具体做法是，使伺服电机驱动双向螺杆泵的螺杆转动，使摆动液压缸的输出轴转动到脉冲式旋转编码器的整刻度角度i时，使摆动液压缸停止转动，此时该整刻度角度对应的电位器电压值为Vin，然后通过单片机调节所述D/A转换模块的输入数字量或者所述PWM产生模块的占空比，产生逐渐增大的电压V(i)，所述电压比较器的输出端通过限流电阻R1连接所述单片机的普通I/O口，当单片机检测到该普通I/O口的输入端TEST从低电平0突变为高电平1时，单片机停止调节V(i)，该突变时刻的V(i)即为该整刻度角度所对应的电位器电压值，然后再将对应此整刻度角度的V(i)和对应的脉冲数i保存到单片机的RAM内的表格里，依此做法检测脉冲式旋转编码器的下一整刻度角度对应的电压V(i+1)，直到检测完脉冲式旋转编码器所有的整刻度角度对应的电压值，这样就在单片机的RAM内预先建立了脉冲式旋转编码器的所有整刻度角度对应的电压值和相应脉冲数i的表格；

所述脉冲式旋转编码器的输出连接至单片机的计数器的外部输入端口，计数器采用边沿中断触发工作方式，可以捕捉正反转情况下脉冲式旋转编码器待检测相的脉冲个数，当计数器检测到第i个脉冲时，单片机从RAM内预存的表格中调出第i个脉冲对应的电位器电压V(i)，因此在计数器对脉冲的检测作用下，每当所述检测轴转到脉冲式旋转编码器的每个脉冲i的检测边沿，单片机都可以从RAM内预存的表格中调出每个脉冲i的检测边沿所对应的电位器电压V(i)；

所述脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度所对应的电位器电压值通过所述第一差动电压放大电路和第二差动电压放大电路得到，所述第一差动电压放大电路包括第一运算放大器，所述第四电压跟随器的输出端通过R2连接第一运算放大器的同相端，第一运算放大器的同相端还通过R3接地，所述第二电压跟随器的输出端通过R2’连接第一运算放大器的反相端，此时使所述主检测电路的单片机输出的V(i)为已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第一运算放大器的反相端和第一运算放大器的输出端之间连接R4，第一运算放大器的输出端通过R5连接所述单片机的第一A/D转换口，该第一差动电压放大电路的放大倍数为R4/R2’，所述第二差动电压放大电路包括第二运算放大器，所述第五电压跟随器的输出端通过R6连接第二运算放大器的同相端，此时使所述主检测电路的单片机的输出V(i)为已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第二运算放大器的同相端还通过R7接地，所述第三电压跟随器的输出端通过R6’连接第二运算放大器的反相端，第二运算放大器的反相端和第二运算放大器的输出端之间连接R8，第二运算放大器的输出端通过R9连接所述单片机的第二A/D转换口，该第二差动电压放大电路的放大倍数为R8/R6’；

当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin大于或等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第一差动电压放大电路检测该Vin与V(i)的电压差并放大，再经过单片机的第一A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第一差动电压放大电路的放大倍数即为正转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin小于或等于已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第二差动电压放大电路检测该V(i)与Vin的电压差并放大，再经过单片机的第二A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第二差动电压放大电路的放大倍数即为反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；

如上，正转情况下和反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量已获知，之后，单片机根据与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量与该两个整刻度角度的角度差值的比值等于细分角度对应的电位器电压值的数字量与细分角度的角度值的比值的线性关系，计算出细分角度的精确角度值，其中，与所述细分角度最接近的两个整刻度角度分别所对应的电压值由计数器计算脉冲数后从单片机的RAM内的表格中获取并取差值，这两个电压值的差值再连接单片机内的一A/D转换模块，该A/D转换模块的模数转换比和单片机的所述第一A/D转换口和第二A/D转换口相同，该A/D转换模块的输出端即为与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量，于是，所述检测轴的实际转动角度值可精确获知，具体为，正转情况下的实际转动角度值等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值加上细分角度值，反转情况下的实际转动角度值等于已正反角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值减去细分角度值；

当与摆动液压缸的输出轴固连的转动关节输出外力矩时，由于有力矩输出，摆动液压缸的第一液压腔和第二液压腔之间存在液压油的压力差，会使双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成的闭式液压系统产生一定泄露，因此所述伺服电机使双向螺杆泵转动给定转角、同时液压油驱动摆动液压缸的输出轴发生转动的过程中，最终得到的摆动液压缸的输出轴的角度和预先期望的角度之间存在一定误差，由于检测轴的转角也即摆动液压缸的输出轴的转角如上所述可精确检测到，单片机会根据上述误差向所述电机驱动器发出使伺服电机继续转动的脉冲，从而使伺服电机带动双向螺杆泵的螺杆转动而向摆动液压缸继续供油，角度未达到时使摆动液压缸的输出轴继续正向转动，角度超出时使摆动液压缸的输出轴反向回转，直到检测到所述检测轴转动到指定转角位置，此时摆动液压缸的输出轴也转动到指定转角位置，误差消除，单片机停止向所述电机驱动器输送脉冲。

所述闭环控制系统的第一管路和第二管路为软管，所述闭环控制系统还包括支承板和支架，支承板用于和摆动液压缸的缸体固定以及和检测轴通过轴承可转动连接，该支承板和所述支架固定连接，支架用于固定脉冲式旋转编码器的静止部分以及固定旋转电位器的静止部分，所述支承板或者具有用于支撑的落地脚，或者支承板也可以是一个转动关节的一部分。

优选的，所述D/A转换模块以及PWM产生模块为所述单片机的自带模块。

基于闭环控制的机器人用精密液压驱动腰关节和臂关节，包括两组所述的闭环控制系统，两组所述的闭环控制系统分别对腰关节和臂关节进行控制，其中，腰关节为直角板，直角板包括水平板以及和水平板垂直的竖向板，水平板和一组闭环控制系统的摆动液压缸的输出轴固定连接，该摆动液压缸的输出轴驱动水平板水平转动，由于第一管路和第二管路为软管，水平板带动与其一体的竖向板一同水平转动，竖向板固定在另一组闭环控制系统的摆动液压缸的缸体上，于是在水平板的带动下，竖向板带动其对应组的摆动液压缸水平转动，该摆动液压缸的输出轴固定连接臂关节，于是腰关节被驱动水平转动的同时带动臂关节水平转动；另一方面，臂关节由于和所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸的输出轴固定连接，所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸可以驱动臂关节在竖向转动，于是，臂关节既随腰关节一起水平转动，自身也可发生竖向转动，符合机器人模拟人体运动的规律；

与腰关节对应的一组闭环控制系统的摆动液压缸固定在一所述支承板上，该支承板具有用于支撑的落地脚，于是与其对应的一组闭环控制系统的摆动液压缸可以得到固定，该摆动液压缸的输出轴固定连接腰关节，该腰关节的竖向板与另一组闭环控制系统的摆动液压缸的缸体固定连接，因此另一组闭环控制系统的摆动液压缸也可以得到支撑。

本发明的有益效果在于：

1、通过单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统构成闭环控制系统，电检测系统包括在检测轴上安装的脉冲式旋转编码器和旋转电位器、以及细分角度检测电路，脉冲式旋转编码器的动环和旋转电位器的转轴之间通过弹性联轴器固接，通过单片机和细分角度电压检测电路检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应的电位器电压，进而检测出脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度的精确角度值，从而可高精度地驱动机器人的转动关节转动到给定角度。此外，双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成的闭式液压系统的驱动力矩大，因此转动关节的转动力矩大。

2、细分角度电压检测电路包括用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度所对应的电位器电压V(i)以及输出所述检测轴的实际转角所对应的电位器电压Vin的主检测电路、螺杆正向旋转时用于放大Vin与V(i)之间差值的第一差动电压放大电路、螺杆反向旋转时用于放大V(i)与Vin之间差值的第二差动电压放大电路。通过第一差动电压放大电路和第二差动电压放大电路将细分角度放大后，可以提高细分角度的检测精度。

3、摆动液压缸的输出轴通过传动比为1:1的钢带传动机构连接检测轴，钢带传动机构的传动带采用没有伸缩弹性的钢材质以保证瞬时传动比为1:1，从而保证摆动液压缸的输出轴和所述检测轴的转角的瞬间精确一致。

4、脉冲式旋转编码器的动环和旋转电位器的转轴之间通过弹性联轴器固定连接，以防止二者刚性连接时，且有少许位置误差的情况下，脉冲式旋转编码器和旋转电位器憋死，弹性联轴器可以避免二者的损坏。

附图说明

图1为本发明基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节的结构图之一。

图2为本发明基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节的结构图之二。

图3为本发明的细分角度电压检测电路的主检测电路的原理图。

图4为本发明的细分角度电压检测电路的第一差动电压放大电路的原理图。

图5为本发明的细分角度电压检测电路的第二差动电压放大电路的原理图。

图6为本发明基于闭环控制的机器人用精密液压驱动腰关节和臂关节的结构图。

图7为脉冲式旋转编码器的一种输出脉冲图。

图8为本发明一种实施例的摆动液压缸的去除上盖后的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1、图2所示，基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，所述闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机1、双向螺杆泵2、摆动液压缸3、以及检测摆动液压缸3的输出轴的精确转动角度的电检测系统；所述单片机通过所述电机驱动器控制伺服电机1转动，所述伺服电机1驱动所述双向螺杆泵2内的螺杆正向或反向旋转，所述双向螺杆泵2具有位于一侧的第一输出端21和位于另一侧的第二输出端22，所述摆动液压缸3的内腔由叶片31分隔成第一液压腔32和第二液压腔33，所述双向螺杆泵2的第一输出端21通过第一管路4和摆动液压缸3的第一液压腔32连通，所述双向螺杆泵2的第二输出端22通过第二管路5和摆动液压缸3的第二液压腔33连通，当双向螺杆泵2的螺杆正向旋转时，双向螺杆泵2从其第一输出端21出油，液压油从第一液压腔32进入摆动液压缸3，推动摆动液压缸3的叶片31正向转动也即使摆动液压缸3的输出轴34正向转动后从双向螺杆泵2的第二输出端22回油，当双向螺杆泵2的螺杆反向旋转时，双向螺杆泵从其第二输出端22出油，液压油从第二液压腔33进入摆动液压缸3，推动摆动液压缸3的叶片31反向转动也即使摆动液压缸3的输出轴34反向转动后后从双向螺杆泵2的第一输出端21回油，所述双向螺杆泵2、第一管路4、第二管路5、摆动液压缸3构成闭式液压系统。

所述摆动液压缸3的输出轴连接机器人的一个转动关节，摆动液压缸3的输出轴34还通过传动比为1:1的钢带传动机构6连接一检测轴7，因为用于机器人精密关节的转角检测，要求检测精确度很高，为了保证检测轴7所检测的转角和摆动液压缸3的输出轴的转角的精确一致，该钢带传动机构6的传动带采用没有伸缩弹性的钢材质以保证瞬时传动比为1:1，皮带则不可，从而保证摆动液压缸3的输出轴和所述检测轴7的转角的瞬间一致，该钢带传动机构6包括与摆动液压缸3的输出轴同心连接的主动带轮61、与检测轴7同心连接的从动带轮62，主动带轮61和从动带轮62通过钢带63传动连接。

所述电检测系统用于检测摆动液压缸3的输出轴的精确转动角度，电检测系统包括脉冲式旋转编码器8、旋转电位器9、细分角度电压检测电路，所述脉冲式旋转编码器8套装在所述检测轴6上，脉冲式旋转编码器8的动环通过弹性联轴器10与旋转电位器9的转轴固定连接，细分角度电压检测电路用于检测脉冲式旋转编码器8的整刻度角度外的细分角度所对应的旋转电位器9的电压。脉冲式旋转编码器8的整刻度角度是指整光栅刻度盘的整刻度对应的转动角度，比如，360线的脉冲式旋转编码器，其为360脉冲/转，则其相邻整刻度角度之间为1°,而1000脉冲/转的脉冲式旋转编码器，其相邻整刻度角度之间为0.36°，脉冲式旋转编码器8的整刻度角度可以通过脉冲数读知，而整刻度角度之间的细分角度无法得知。本发明的细分角度是指超出整刻度角度之外的角度，比如360线的脉冲式旋转编码器，细分角度则小于1度。本发明的细分角度电压检测电路则用于检测整刻度角度外的细分角度所对应的旋转电位器9的电压。

脉冲式旋转编码器的动环和旋转电位器的转轴之间通过弹性联轴器固定连接，其原因是，脉冲式旋转编码器和旋转电位器为精密器件，编码器的动环和旋转电位器的转轴所受的轴向力及径向力都有严格规定，不能超过，否则会损坏其内部零件或影响其性能。如果二者刚性连接，在有少许位置误差的情况下，脉冲式旋转编码器8和旋转电位器9容易憋死，使二者内的内部零件易发生损害，而弹性联轴器10可以使脉冲式旋转编码器8和旋转电位器9的转轴弹性连接，可以避免二者的损坏。

所述旋转电位器9的电阻体两端连接标准电平，旋转电位器9的滑动端由旋转电位器9的转轴带动在所述电阻体上转动滑行，旋转电位器9的滑动端与电阻体的电压负极之间构成Vin，所述脉冲式旋转编码器8可检测其分辨率内实际转角所对应的整刻度角度，整刻度角度外的细分角度由所述旋转电位器9、细分角度电压检测电路、以及单片机获得，所述细分角度电压检测电路包括用于检测脉冲式旋转编码器8的整刻度角度所对应的电位器电压V(i)以及所述检测轴7的实际转角所对应的电位器电压Vin的主检测电路、螺杆正向旋转时用于放大Vin与V(i)之间差值的第一差动电压放大电路、螺杆反向旋转时用于放大V(i)与Vin之间差值的第二差动电压放大电路。

如图3所示，所述主检测电路包括电压比较器U1、第一电压跟随器U2、第二电压跟随器U3、第三电压跟随器U4、第四电压跟随器U5、第五电压跟随器U6，第一、第二、第三、第四、第五电压跟随器的输出端均与其负输入端直接连接，第一、第二、第三、第四、第五电压跟随器的输出端均输出与各自的正输入端相同的电压。

所述电压比较器U1的同相端连接由所述单片机通过D/A转换模块或PWM产生模块产生的V(i)，所述电压比较器U1的反相端连接第一电压跟随器U2的输出端，当该电压比较器U1的同相端电压大于反相端电压时，电压比较器U1的输出端输出高电平1，当该电压比较器U1的同相端电压小于反相端电压时，电压比较器U1的输出端输出低电平0，所述第一电压跟随器U2的正输入端连接所述旋转电位器9的滑动端的输出电压Vin，第一电压跟随器U2的负输入端直接连接其输出端，所述电压比较器U1的同相端还连接第二电压跟随器U3的正输入端，第二电压跟随器U3的负输入端直接连接其输出端，第二电压跟随器的输出端连接第三电压跟随器U4的正输入端，第三电压跟随器U4的负输入端直接连接其输出端，所述第一电压跟随器U2的输出端连接第四电压跟随器U5的正输入端，第四电压跟随器U5的负输入端直接连接其输出端，第四电压跟随器U5的输出端连接第五电压跟随器U6的正输入端，第五电压跟随器U6的负输入端直接连接其输出端。

所述脉冲式旋转编码器8的每个整刻度角度对应的旋转电位器9的电压值可以预先得到，并存储到所述单片机的RAM内的表格里面，具体做法是，使伺服电机1驱动双向螺杆泵2的螺杆转动，使摆动液压缸3的输出轴转动到脉冲式旋转编码器8的整刻度角度i时(起始时的整刻度角度为0，此后的一个整刻度角度为1，依此递增，i对应为编码器输出的脉冲数)，使摆动液压缸3停止转动，此时该整刻度角度对应的电位器电压值为Vin，然后通过单片机调节D/A转换模块的输入数字量或者PWM产生模块的占空比，产生逐渐增大的电压V(i)，所述电压比较器U1的输出端通过限流电阻R1连接所述单片机的普通I/O口，当单片机检测到该普通I/O口的输入端TEST从低电平0突变为高电平1时，单片机停止调节V(i)，该突变时刻的V(i)即为该整刻度角度所对应的电位器电压值，然后再将对应此整刻度角度的V(i)和对应的脉冲数i保存到单片机的RAM内的表格里，依此做法检测脉冲式旋转编码器8的下一整刻度角度对应的电压V(i+1)，直到检测完脉冲式旋转编码器8所有的整刻度角度对应的电压值，这样就在单片机的RAM内预先建立了脉冲式旋转编码器8的所有整刻度角度对应的电压值和相应脉冲数i的表格。

所述脉冲式旋转编码器8的输出连接至单片机的计数器的外部输入端口，计数器采用边沿中断触发工作方式，可以捕捉正反转情况下脉冲式旋转编码器8待检测相的脉冲个数，当计数器检测到第i个脉冲时，单片机从RAM内预存的表格中调出第i个脉冲对应的电位器电压V(i)，因此在计数器对脉冲的检测作用下，每当所述检测轴7转到脉冲式旋转编码器8的每个脉冲i的检测边沿，单片机都可以从RAM内预存的表格中调出每个脉冲i的检测边沿所对应的电位器电压V(i)。脉冲式旋转编码器的一种输出脉冲的解释如下。

图7为脉冲式旋转编码器的一种输出脉冲图。该输出脉冲图有A相、B相、和C相，C相作为零位参考，在零位时B相超前A相90度，所以判断伺服电机为反转(简称CCW)，单片机的计数器要计算的脉冲数为B相脉冲数，此时采用上升沿触发方式计算脉冲数，在零位时脉冲数i＝0，此后每到一个B相的上升沿，i加1，从而计算出脉冲数i。

如图4和图5所示，所述脉冲式旋转编码器8的整刻度角度之外的细分角度所对应的电位器电压值通过所述第一差动电压放大电路和第二差动电压放大电路得到，所述第一差动电压放大电路包括第一运算放大器U7，所述第四电压跟随器U5的输出端通过R2连接第一运算放大器U7的同相端，第一运算放大器U7的同相端还通过R3接地，所述第二电压跟随器U3的输出端通过R2’连接第一运算放大器U7的反相端，此时使所述主检测电路的单片机输出的V(i)为已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第一运算放大器U7的反相端和第一运算放大器U7的输出端之间连接R4，第一运算放大器U7的输出端通过R5连接所述单片机的第一A/D转换口，该第一差动电压放大电路的放大倍数为R4/R2’，所述第二差动电压放大电路包括第二运算放大器U8，所述第五电压跟随器U6的输出端通过R6连接第二运算放大器U8的同相端，此时使所述主检测电路的单片机的输出V(i)为已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第二运算放大器U8的同相端还通过R7接地，所述第三电压跟随器U4的输出端通过R6’连接第二运算放大器U8的反相端，第二运算放大器U8的反相端和第二运算放大器U8的输出端之间连接R8，第二运算放大器U8的输出端通过R9连接所述单片机的第二A/D转换口，该第二差动电压放大电路的放大倍数为R8/R6’。

当双向螺杆泵2的螺杆正向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin大于或等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第一差动电压放大电路检测该Vin与V(i)的电压差并放大，再经过单片机的第一A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第一差动电压放大电路的放大倍数即为正转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；当双向螺杆泵2的螺杆反向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin小于或等于已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第二差动电压放大电路检测该V(i)与Vin的电压差并放大，再经过单片机的第二A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第二差动电压放大电路的放大倍数即为反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量。

如上，正转情况下和反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量已获知，之后，单片机根据与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量与该两个整刻度角度的角度差值的比值等于细分角度对应的电位器电压值的数字量与细分角度的角度值的比值的线性关系，也即，，计算出细分角度的精确角度值，其中，与所述细分角度最接近的两个整刻度角度分别所对应的电压值由计数器计算脉冲数后从单片机的RAM内的表格中获取并取差值，这两个电压值的差值再连接单片机内的一A/D转换模块，该A/D转换模块的模数转换比和单片机的所述第一A/D转换口和第二A/D转换口相同，该A/D转换模块的输出端即为与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量，于是，所述检测轴的实际转动角度值可精确获知，具体为，正转情况下的实际转动角度值等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值加上细分角度值，反转情况下的实际转动角度值等于已正反角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值减去细分角度值。

当与摆动液压缸3的输出轴固连的转动关节输出外力矩时，由于有力矩输出，摆动液压缸3的第一液压腔32和第二液压腔33之间存在液压油的压力差，会使双向螺杆泵2、第一管路4、第二管路5、摆动液压缸3构成的闭式液压系统产生一定泄露，因此所述伺服电机1使双向螺杆泵2转动给定转角、同时液压油驱动摆动液压缸3的输出轴发生转动的过程中，最终得到的摆动液压缸3的输出轴的角度和预先期望的角度之间存在一定误差，由于检测轴7的转角也即摆动液压缸3的输出轴的转角如上所述可精确检测到，单片机会根据上述误差向所述电机驱动器发出使伺服电机1继续转动的脉冲，从而使伺服电机1带动双向螺杆泵2的螺杆转动而向摆动液压缸3继续供油，角度未达到时使摆动液压缸3的输出轴继续正向转动，角度超出时使摆动液压缸3的输出轴反向回转，直到检测到所述检测轴7转动到指定转角位置，此时摆动液压缸3的输出轴也转动到指定转角位置，误差消除，单片机停止向所述电机驱动器输送脉冲。

由于双向螺杆泵2、第一管路4、第二管路5、摆动液压缸3构成的闭式液压系统总会存在一定泄露，在后续弥补误差的过程中，当伺服电机1使双向螺杆泵2转动产生的补油量与双向螺杆泵2、第一管路4、第二管路5、摆动液压缸3构成的闭式液压系统的泄漏量相等时，误差就维持在允许的微小范围内，闭环控制系统达到动态平衡。

所述闭环控制系统的第一管路4和第二管路5为软管，机器人用精密液压驱动关节的所述闭环控制系统，还包括支承板11和支架12，支承板11用于和摆动液压缸3的缸体固定以及和检测轴7通过轴承可转动连接，该支承板11和所述支架12通过螺钉固定连接，支架12用于固定脉冲式旋转编码器8的静止部分以及固定旋转电位器9的静止部分。所述支承板11或者具有用于支撑的落地脚，或者支承板11也可以是一个转动关节的一部分。

图6为本发明基于闭环控制的机器人用精密液压驱动腰关节和臂关节的结构图。该结构由两组所述闭环控制系统括分别对腰关节20和臂关节30进行控制，其中，腰关节20为直角板，直角板包括水平板201以及和水平板201垂直的竖向板202，水平板201和一组闭环控制系统的摆动液压缸3的输出轴固定连接，该摆动液压缸3的输出轴驱动水平板201水平转动，由于第一管路4和第二管路5为软管，水平板201带动与其一体的竖向板202一同水平转动，竖向板202固定在另一组闭环控制系统的摆动液压缸3的缸体上，于是在水平板201的带动下，竖向板202带动其对应组的摆动液压缸3水平转动，该摆动液压缸的输出轴固定连接臂关节30，于是腰关节20被驱动水平转动的同时也带动臂关节30水平转动；另一方面，臂关节30由于和所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸3的输出轴固定连接，所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸3可以驱动臂关节30在竖向转动。于是，臂关节30既随腰关节20一起水平转动，自身也可发生竖向转动，符合机器人模拟人体运动的规律。

与腰关节20对应的一组闭环控制系统的摆动液压缸3固定在一所述支承板11上，该支承板11具有用于支撑的落地脚(图中未示出)，于是与其对应的一组闭环控制系统的的摆动液压缸3可以得到固定，该摆动液压缸3的输出轴固定连接腰关节20，由于该腰关节20的竖向板202与另一组闭环控制系统的摆动液压缸3的缸体固定连接，因此另一组闭环控制系统的摆动液压缸3也可以得到支撑。

图8为本发明一种实施例的摆动液压缸的去除上盖后的俯视图。叶片31与输出轴34固定连接，321为与第一液压腔32对应的第一液压腔进油口，331为与第二液压腔33对应的第二液压腔进油口，叶片31在由第一液压腔进油口321或第二液压腔进油口331进入的液压油作用下发生正向旋转或反向旋转，带动输出轴34发生正向旋转或反向旋转，35为阻挡叶片31旋转运动的挡板。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，比如钢带传动机构的钢带可以替换成其他材质的无伸缩弹性的传动带，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，包括闭环控制系统和用于机器人的转动关节，所述闭环控制系统包括单片机、电机驱动器、伺服电机、双向螺杆泵、摆动液压缸、以及检测摆动液压缸的输出轴的精确转动角度的电检测系统；所述单片机通过所述电机驱动器控制伺服电机转动，所述伺服电机驱动所述双向螺杆泵内的螺杆正向或反向旋转，所述双向螺杆泵具有位于一侧的第一输出端和位于另一侧的第二输出端，所述摆动液压缸的内腔由叶片分隔成第一液压腔和第二液压腔，所述双向螺杆泵的第一输出端通过第一管路和摆动液压缸的第一液压腔连通，所述双向螺杆泵的第二输出端通过第二管路和摆动液压缸的第二液压腔连通，当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，双向螺杆泵从其第一输出端出油，推动摆动液压缸的叶片正向转动后从第二输出端回油，当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，双向螺杆泵从其第二输出端出油，推动摆动液压缸的叶片反向转动后从第一输出端回油，所述双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成闭式液压系统；所述摆动液压缸的输出轴连接机器人的一个转动关节，摆动液压缸的输出轴还通过传动比为1:1的钢带传动机构连接一检测轴，该钢带传动机构的传动带采用没有伸缩弹性的钢材质以保证瞬时传动比为1:1，从而保证摆动液压缸的输出轴和所述检测轴的转角的瞬间一致；

所述电检测系统包括套装在所述检测轴上的脉冲式旋转编码器、转轴与脉冲式旋转编码器的动环通过弹性联轴器固接的旋转电位器、用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度外的细分角度所对应电位器电压的细分角度电压检测电路，所述旋转电位器的电阻体两端连接标准电平，旋转电位器的滑动端由所述转轴带动在所述电阻体上转动滑行，旋转电位器的滑动端与电阻体的电压负极之间构成Vin，所述脉冲式旋转编码器可检测其分辨率内实际转角所对应的整刻度角度，整刻度角度外的细分角度由所述旋转电位器、细分角度电压检测电路、以及单片机获得，所述细分角度电压检测电路包括用于检测脉冲式旋转编码器的整刻度角度所对应的电位器电压V(i)以及所述检测轴的实际转角所对应的电位器电压Vin的主检测电路、螺杆正向旋转时用于放大Vin与V(i)之间差值的第一差动电压放大电路、螺杆反向旋转时用于放大V(i)与Vin之间差值的第二差动电压放大电路；

所述主检测电路包括电压比较器、第一电压跟随器、第二电压跟随器、第三电压跟随器、第四电压跟随器、第五电压跟随器，所述电压比较器的同相端连接由所述单片机通过D/A转换模块或PWM产生模块产生的V(i)，所述电压比较器的反相端连接第一电压跟随器的输出端，当该电压比较器的同相端电压大于反相端电压时，电压比较器的输出端输出高电平，当该电压比较器的同相端电压小于反相端电压时，电压比较器的输出端输出低电平，所述第一电压跟随器的正输入端连接所述旋转电位器的滑动端的输出电压Vin，第一电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述电压比较器的同相端还连接第二电压跟随器的正输入端，第二电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第二电压跟随器的输出端连接第三电压跟随器的正输入端，第三电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，所述第一电压跟随器的输出端连接第四电压跟随器的正输入端，第四电压跟随器的负输入端直接连接其输出端，第四电压跟随器的输出端连接第五电压跟随器的正输入端，第五电压跟随器的负输入端直接连接其输出端；

所述脉冲式旋转编码器的每个整刻度角度对应的旋转电位器的电压值可以预先得到，并存储到所述单片机的RAM内的表格里面，具体做法是，使伺服电机驱动双向螺杆泵的螺杆转动，使摆动液压缸的输出轴转动到脉冲式旋转编码器的整刻度角度i时，使摆动液压缸停止转动，此时该整刻度角度对应的电位器电压值为Vin，然后通过单片机调节所述D/A转换模块的输入数字量或者所述PWM产生模块的占空比，产生逐渐增大的电压V(i)，所述电压比较器的输出端通过限流电阻R1连接所述单片机的普通I/O口，当单片机检测到该普通I/O口的输入端TEST从低电平0突变为高电平1时，单片机停止调节V(i)，该突变时刻的V(i)即为该整刻度角度所对应的电位器电压值，然后再将对应此整刻度角度的V(i)和对应的脉冲数i保存到单片机的RAM内的表格里，依此做法检测脉冲式旋转编码器的下一整刻度角度对应的电压V(i+1)，直到检测完脉冲式旋转编码器所有的整刻度角度对应的电压值，这样就在单片机的RAM内预先建立了脉冲式旋转编码器的所有整刻度角度对应的电压值和相应脉冲数i的表格；

所述脉冲式旋转编码器的输出连接至单片机的计数器的外部输入端口，计数器采用边沿中断触发工作方式，可以捕捉正反转情况下脉冲式旋转编码器待检测相的脉冲个数，当计数器检测到第i个脉冲时，单片机从RAM内预存的表格中调出第i个脉冲对应的电位器电压V(i)，因此在计数器对脉冲的检测作用下，每当所述检测轴转到脉冲式旋转编码器的每个脉冲i的检测边沿，单片机都可以从RAM内预存的表格中调出每个脉冲i的检测边沿所对应的电位器电压V(i)；

所述脉冲式旋转编码器的整刻度角度之外的细分角度所对应的电位器电压值通过所述第一差动电压放大电路和第二差动电压放大电路得到，所述第一差动电压放大电路包括第一运算放大器，所述第四电压跟随器的输出端通过R2连接第一运算放大器的同相端，第一运算放大器的同相端还通过R3接地，所述第二电压跟随器的输出端通过R2’连接第一运算放大器的反相端，此时使所述主检测电路的单片机输出的V(i)为已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第一运算放大器的反相端和第一运算放大器的输出端之间连接R4，第一运算放大器的输出端通过R5连接所述单片机的第一A/D转换口，该第一差动电压放大电路的放大倍数为R4/R2’，所述第二差动电压放大电路包括第二运算放大器，所述第五电压跟随器的输出端通过R6连接第二运算放大器的同相端，此时使所述主检测电路的单片机的输出V(i)为已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，第二运算放大器的同相端还通过R7接地，所述第三电压跟随器的输出端通过R6’连接第二运算放大器的反相端，第二运算放大器的反相端和第二运算放大器的输出端之间连接R8，第二运算放大器的输出端通过R9连接所述单片机的第二A/D转换口，该第二差动电压放大电路的放大倍数为R8/R6’；

当双向螺杆泵的螺杆正向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin大于或等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第一差动电压放大电路检测该Vin与V(i)的电压差并放大，再经过单片机的第一A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第一差动电压放大电路的放大倍数即为正转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；当双向螺杆泵的螺杆反向旋转时，实际转角对应的电位器电压Vin小于或等于已反转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的电位器电压V(i)，通过单片机调用RAM内的表格里脉冲数i对应的电位器电压可获得V(i)，采用第二差动电压放大电路检测该V(i)与Vin的电压差并放大，再经过单片机的第二A/D转换口可得到该放大电压差对应的数字量，该数字量除以第二差动电压放大电路的放大倍数即为反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量；

如上，正转情况下和反转情况下细分角度对应的电位器电压值的数字量已获知，之后，单片机根据与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量与该两个整刻度角度的角度差值的比值等于细分角度对应的电位器电压值的数字量与细分角度的角度值的比值的线性关系，计算出细分角度的精确角度值，其中，与所述细分角度最接近的两个整刻度角度分别所对应的电压值由计数器计算脉冲数后从单片机的RAM内的表格中获取并取差值，这两个电压值的差值再连接单片机内的一A/D转换模块，该A/D转换模块的模数转换比和单片机的所述第一A/D转换口和第二A/D转换口相同，该A/D转换模块的输出端即为与所述细分角度最接近的两个整刻度角度间的电压差的数字量，于是，所述检测轴的实际转动角度值可精确获知，具体为，正转情况下的实际转动角度值等于已正转角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值加上细分角度值，反转情况下的实际转动角度值等于已正反角度内与实际转角最邻近的整刻度角度对应的角度值减去细分角度值；

当与摆动液压缸的输出轴固连的转动关节输出外力矩时，由于有力矩输出，摆动液压缸的第一液压腔和第二液压腔之间存在液压油的压力差，会使双向螺杆泵、第一管路、第二管路、摆动液压缸构成的闭式液压系统产生一定泄露，因此所述伺服电机使双向螺杆泵转动给定转角、同时液压油驱动摆动液压缸的输出轴发生转动的过程中，最终得到的摆动液压缸的输出轴的角度和预先期望的角度之间存在一定误差，由于检测轴的转角也即摆动液压缸的输出轴的转角如上所述可精确检测到，单片机会根据上述误差向所述电机驱动器发出使伺服电机继续转动的脉冲，从而使伺服电机带动双向螺杆泵的螺杆转动而向摆动液压缸继续供油，角度未达到时使摆动液压缸的输出轴继续正向转动，角度超出时使摆动液压缸的输出轴反向回转，直到检测到所述检测轴转动到指定转角位置，此时摆动液压缸的输出轴也转动到指定转角位置，误差消除，单片机停止向所述电机驱动器输送脉冲。

2.如权利要求1所述的基于闭环控制的机器人用精密液压驱动关节，其特征在于：所述闭环控制系统的第一管路和第二管路为软管，所述闭环控制系统还包括支承板和支架，支承板用于和摆动液压缸的缸体固定以及和检测轴通过轴承可转动连接，该支承板和所述支架固定连接，支架用于固定脉冲式旋转编码器的静止部分以及固定旋转电位器的静止部分，所述支承板或者具有用于支撑的落地脚，或者支承板也可以是一个转动关节的一部分。

3.基于闭环控制的机器人用精密液压驱动腰关节和臂关节，其特征在于：包括两组如权利要求2所述的闭环控制系统，两组所述的闭环控制系统分别对腰关节和臂关节进行控制，其中，腰关节为直角板，直角板包括水平板以及和水平板垂直的竖向板，水平板和一组闭环控制系统的摆动液压缸的输出轴固定连接，该摆动液压缸的输出轴驱动水平板水平转动，由于第一管路和第二管路为软管，水平板带动与其一体的竖向板一同水平转动，竖向板固定在另一组闭环控制系统的摆动液压缸的缸体上，于是在水平板的带动下，竖向板带动其对应组的摆动液压缸水平转动，该摆动液压缸的输出轴固定连接臂关节，于是腰关节被驱动水平转动的同时带动臂关节水平转动；另一方面，臂关节由于和所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸的输出轴固定连接，所述另一组闭环控制系统的摆动液压缸可以驱动臂关节在竖向转动，于是，臂关节既随腰关节一起水平转动，自身也可发生竖向转动，符合机器人模拟人体运动的规律；

与腰关节对应的一组闭环控制系统的摆动液压缸固定在一所述支承板上，该支承板具有用于支撑的落地脚，于是与其对应的一组闭环控制系统的摆动液压缸可以得到固定，该摆动液压缸的输出轴固定连接腰关节，该腰关节的竖向板与另一组闭环控制系统的摆动液压缸的缸体固定连接，因此另一组闭环控制系统的摆动液压缸也可以得到支撑。