野外勤務(wù)機(jī)器人的電液混合動力單元KurtAmundson,JustinRaade,NathanHarding,andH.Kazerooni美國加利福尼亞州，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校，郵編94720,摘要一臺自給能量的液壓式移動野外機(jī)器人需要同時具備電氣和液壓的動力源。液壓動力用于運(yùn)動，同時，電力用于電腦，傳感器，和其它外圍設(shè)備。一臺內(nèi)燃機(jī)用于主運(yùn)動是因?yàn)槠途哂泻芨叩哪芰棵芏?。電液混合動力單元（簡稱HEPU）的一個基本要求是它必須輸出恒壓液壓動力和恒壓電力。一臺機(jī)載電腦使用一個壓力傳感器和一個速度傳感器，并通過液壓電磁閥和發(fā)動機(jī)油門來控制壓力和電壓。這種速度控制同樣會引起具有可預(yù)知頻率帶的系統(tǒng)噪音，這樣是為了顧及到最佳的減聲器設(shè)計。這種動力源的一種新穎的特征是它的冷卻系統(tǒng)，它的液壓油用來給發(fā)動機(jī)汽缸冷卻。一些電液單元已經(jīng)建成并且在伯克利下肢外骨骼（簡稱BLEEX，詳見/bleex.htm）上得到成功應(yīng)用。一個動力單元原型重27千克，能輸出功率為2.3千瓦（3.0馬力）壓強(qiáng)6.9兆帕（1000磅/平方英寸）的液壓動力以及220瓦15伏的直流電。索引關(guān)鍵詞移動動力源，液壓動力，動力發(fā)生，野戰(zhàn)勤務(wù)機(jī)器人，BLEEXI.介紹通常大多數(shù)人工攀爬和野外機(jī)器人系統(tǒng)都通過鏈帶和沉重的電池系統(tǒng)作為動力裝置的。為了讓機(jī)器人裝置獲得高能的自主行動又不受導(dǎo)線和重型電池的束縛，一種緊湊的，用來同時提供機(jī)械驅(qū)動力，計算機(jī)的電力，和控制的移動電力單元是必需的。電池是一種常見的移動機(jī)器人的電源。日本本田公司研制的仿人機(jī)器人ASIMO1中裝備的鎳氫電池就是這樣一個例子。但是，電池只具備一個很低特定能量密度（能量/質(zhì)量）：高性能鋰電池也只有0.5兆焦/千克2。由于只有很低的特定能量密度，電池就會變得越來越大越來越重，除非操作時間變短，或者機(jī)器人系統(tǒng)只需要較少的電能。比起電池，燃料具有更高的特定能量密度，他被設(shè)想用在機(jī)器人系統(tǒng)上。以往的工作中加州大學(xué)伯克利分校主要集中在以單元推進(jìn)劑作為動力的自由活塞式液壓泵2,3這個系統(tǒng)的液壓動力是由90%的濃縮過氧化氫分解得來的。單元推進(jìn)劑比電池具有更高的能量，但是90%的濃縮過氧化氫具有的特定能量密度只有1.2兆焦/千克，明顯少于燃料，比如汽油的44兆焦/千克。簡單是單元推進(jìn)劑的最主要的優(yōu)勢。該系統(tǒng)不需要預(yù)混合，空氣壓縮，點(diǎn)火，或者冷卻系統(tǒng)。僅僅只需要控制通過電磁閥的單元推進(jìn)劑燃料的數(shù)量，憑借電腦創(chuàng)建兩個合適的具有不同壓力的反應(yīng)堆就能完成。但是只有相對來說較低的特定能量密度，實(shí)體要求和安全特征和大量的燃料消耗阻礙了我們進(jìn)一步追求單元推進(jìn)劑動力單元在機(jī)器人方面的應(yīng)用?？?，5單元推進(jìn)劑的另一種新的用處是燃料可以直接轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。內(nèi)燃機(jī)（IC）發(fā)動機(jī)使用特定能量密度很高的汽油，這里所描述的動力裝置采用一種二沖程反向雙汽缸內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)來構(gòu)成一個結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕的動力源。實(shí)際上這就是內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)作為汽車，推土機(jī)，摩托車和其他輪式車輛的主要動力源的原因。我們猜想野外移動機(jī)器人和其他野外的車輛只工作很短的幾個小時。事實(shí)上很多野外和勤務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)已經(jīng)嘗試使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)作為他們的主要動力。6-8不幸的是，內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)太吵了。盡管我們相信當(dāng)前小容量的市場需求和小內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)的低需求阻礙了野外機(jī)器人的高效靜音微型的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展。但是大容量野外移動機(jī)器人系統(tǒng)會帶來靜音高效的內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)動力單元的發(fā)展。實(shí)際上，本田和雅馬哈已經(jīng)開發(fā)了又小又高效安靜的便攜式內(nèi)燃機(jī)電力單元用于非機(jī)器人領(lǐng)域的戶外應(yīng)用，優(yōu)化的消聲器結(jié)構(gòu)在5英尺的情況下只測得75分貝的噪音。本文闡述了一些基本的應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域的電液混合動力單元的技術(shù)難點(diǎn)。盡管這個動力單元的說明是源于BLEEX的操作需要9-11，但是這些設(shè)計準(zhǔn)則同樣適用于其他機(jī)器人領(lǐng)域。建筑，液壓，電力等，冷卻系統(tǒng)和控制會詳細(xì)的描述。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是表明系統(tǒng)性能的。II.HEPU的說明設(shè)計一個野外移動機(jī)器人系統(tǒng)的要求是機(jī)器人的功能，尺寸，機(jī)動速度和它的有效載荷能力。這個混合動力單元的設(shè)計是為了BLEEX計劃的需要9-11。在設(shè)計了幾個電力單元之后，我們開始意識到，移動機(jī)器人系統(tǒng)和BLEEX有相同的質(zhì)量和尺寸，所以只需要相同特征而命名不同的動力源而已。BLEEX和其他大多數(shù)野外機(jī)器人系統(tǒng)對設(shè)計的影響是，需要考慮在野外運(yùn)動時的承載能力。雖然許多步行系統(tǒng)12,13設(shè)計師只考慮他們的自重。但是BLEEX是設(shè)計用來承載額外的負(fù)重的?？墒?，高壓液壓經(jīng)常會導(dǎo)致少量的動力損失，我們選擇6.9兆帕（1000磅/平方英寸）作為系統(tǒng)壓力。這就使那些需要在野外工作和也許更人性化的機(jī)器人系統(tǒng)有更合理的液壓元件。我們建議使用更高的工作壓力（例如20.7兆帕，或者3000磅/平方英寸）如果安全合適的液壓傳送組建可以和系統(tǒng)相匹配。液壓流量通常根據(jù)該機(jī)器人的速度特點(diǎn)來計算。高速運(yùn)動導(dǎo)致大量液壓流量需求。在這個BLEEX工程的例子中，步行速度從CGA(現(xiàn)場步態(tài)分析)得到的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致20升/分（5.2加侖/分）的液壓流量。我們建立在各種外骨骼系統(tǒng)的基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)建議需要使用接近220瓦的電力提供給車載機(jī)器人計算機(jī)和傳感器再加上動力單元傳感器和控制器。HEPU系統(tǒng)的目標(biāo)質(zhì)量是23千克（50磅），來提供顯著的有效載荷能力。表1總結(jié)了電源裝置的詳細(xì)說明。表1BLEEX的液壓動力單元(HEPU)的詳細(xì)說明液壓流體動力230千瓦（3.0馬力）電力220瓦液壓流量20升/分（5.2加侖/分）工作壓力6.9兆帕（1000磅/平方英寸）目標(biāo)質(zhì)量23千克（50磅）最大噪音等級1.5米（5英尺）情況下75分貝III.綜合HEPU結(jié)構(gòu)HEPU是為了提供電液動力而設(shè)計的。它使用一種緊湊的二沖程反向雙汽缸內(nèi)燃機(jī)發(fā)動機(jī)來完成全角度操作。圖1和圖2展示了發(fā)動機(jī)（1）如何驅(qū)動一個單一的軸（2），為一個用來發(fā)電的發(fā)電機(jī)（3），用來使空氣循環(huán)的散熱風(fēng)扇（4），以及提供液壓動力的齒輪泵(5)提供動力。這種單一軸的設(shè)計巧妙地避免了在多軸傳動系統(tǒng)種常見的噪音和重型帶傳動結(jié)構(gòu)。一個液壓電磁閥（7）調(diào)控液壓流的指向，從齒輪泵到儲能器（10）或者到液壓油箱（13）。儲能器由一個鋁制的汽缸組成，汽缸被一個自由的活塞把液壓油和氮?dú)飧糸_。一個碳纖維膽連接到儲能器氣體那一邊，用來儲存氮?dú)??？偟膩碚f，這個儲氣量是相當(dāng)大的，當(dāng)液壓油的壓力波動存在的情況在，壓力波動會更小。壓力傳感器（9）為控制器測量液壓油的壓力。一根歧管（6）設(shè)計成同時連接電磁閥（7）和過濾器（8）。一種新穎的液體冷卻方案利用回流的液壓油本身來冷卻發(fā)動機(jī)。從驅(qū)動器流出來的液壓油被分為兩路。大學(xué)38%的液壓油轉(zhuǎn)向去冷卻發(fā)動機(jī)氣缸。一個熱交換器（12）在液壓油到達(dá)液壓油箱之前清除其中的熱量，然后和剩下的62%液壓油混合。IV.機(jī)械動力的產(chǎn)生二沖程反氣缸內(nèi)燃機(jī)（型號80B2RV,ZDZ模型發(fā)動機(jī)制造）在8200轉(zhuǎn)/分轉(zhuǎn)速下能產(chǎn)生6千萬（8.1馬力）的軸功率，它是用作動力單元主要的原動力。這種發(fā)動機(jī)具有80的體積并且僅有2千克（4.4磅）的質(zhì)量。因?yàn)辇X輪泵限制于6300轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速，并且因?yàn)槲覀儾淮蛩阍谶@個動力單元里使用任何傳動減速器，所以我們被迫使發(fā)動機(jī)在低于最小功率的速度下工作。這樣發(fā)動機(jī)可以在6300轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生大約3.06千瓦（4馬力）的動力，它已經(jīng)高于所需的動力（2.5千瓦或者3.4馬力）。一般來說，使用一臺更大的發(fā)動機(jī)在更低的速度會有比使用高速小發(fā)動機(jī)更小的噪音。發(fā)動機(jī)是安裝在它油門上的伺服電機(jī)控制的。發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)，散熱風(fēng)扇和齒輪泵。泵（型號WP03-B1B-032L-20MA12，Haldex制造）一個循環(huán)排量3.2因此理論上他能在他的最大轉(zhuǎn)速6300轉(zhuǎn)/分鐘的情況下傳遞20.2升/分鐘（5.3加侖/分）V.控制結(jié)構(gòu)用一個固定排量的泵在恒定的速度運(yùn)行來保持不變的工作壓力，需要一種獨(dú)特的控制方法。一個儲能器安裝在泵的出口處為驅(qū)動器和功能機(jī)構(gòu)提供流量就像電容器能補(bǔ)償瞬態(tài)峰值電流一樣。液壓壓力被壓力傳感器讀取。計算機(jī)控制電磁閥來保持壓力。當(dāng)壓力到達(dá)預(yù)設(shè)值（6.9兆帕的情況下），計算機(jī)驅(qū)動電磁閥移動到圖1中的A位置來讓液壓油流向郵箱。當(dāng)液壓流被伺服閥和驅(qū)動器消耗時，為了防止儲能器降壓，計算機(jī)驅(qū)動電磁閥移動到B位置，讓液壓油流向儲能器。這種基于壓力測量的電磁閥的調(diào)節(jié)，使得這個系統(tǒng)能夠輸出一個近似恒壓。儲能器的操作壓力被維持在6.9+/-0.2兆帕（1000+/-30磅/