外文翻譯--電液混合的動力單元 中文版.doc

野外勤務機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器人需要同時具備電氣和液壓的動力源。液壓動力用于運動，同時，電力用于電腦，傳感器，和其它外圍設備。一臺內(nèi)燃機用于主運動是因為汽油具有很高的能量密度。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。索引關鍵詞移動動力源，液壓動力，動力發(fā)生，野戰(zhàn)勤務機器人，BLEEXI.介紹通常大多數(shù)人工攀爬和野外機器人系統(tǒng)都通過鏈帶和沉重的電池系統(tǒng)作為動力裝置的。為了讓機器人裝置獲得高能的自主行動又不受導線和重型電池的束縛，一種緊湊的，用來同時提供機械驅動力，計算機的電力，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器人的電源。日本本田公司研制的仿人機器人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，他被設想用在機器人系統(tǒng)上。以往的工作中加州大學伯克利分校主要集中在以單元推進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。簡單是單元推進劑的最主要的優(yōu)勢。該系統(tǒng)不需要預混合，空氣壓縮，點火，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堆就能完成。但是只有相對來說較低的特定能量密度，實體要求和安全特征和大量的燃料消耗阻礙了我們進一步追求單元推進劑動力單元在機器人方面的應用。看4，5單元推進劑的另一種新的用處是燃料可以直接轉變成機械能。內(nèi)燃機（IC）發(fā)動機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)燃機發(fā)動機來構成一個結構緊湊，質(zhì)量輕的動力源。實際上這就是內(nèi)燃機發(fā)動機作為汽車，推土機，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器人和其他野外的車輛只工作很短的幾個小時。事實上很多野外和勤務機器人系統(tǒng)已經(jīng)嘗試使用內(nèi)燃機發(fā)動機作為他們的主要動力。6-8不幸的是，內(nèi)燃機發(fā)動機太吵了。盡管我們相信當前小容量的市場需求和小內(nèi)燃機發(fā)動機的低需求阻礙了野外機器人的高效靜音微型的發(fā)動機系統(tǒng)技術的發(fā)展。但是大容量野外移動機器人系統(tǒng)會帶來靜音高效的內(nèi)燃機發(fā)動機動力單元的發(fā)展。實際上，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)燃機電力單元用于非機器人領域的戶外應用，優(yōu)化的消聲器結構在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用于機器人領域的電液混合動力單元的技術難點。盡管這個動力單元的說明是源于BLEEX的操作需要9-11，但是這些設計準則同樣適用于其他機器人領域。建筑，液壓，電力等，冷卻系統(tǒng)和控制會詳細的描述。實驗數(shù)據(jù)是表明系統(tǒng)性能的。II.HEPU的說明設計一個野外移動機器人系統(tǒng)的要求是機器人的功能，尺寸，機動速度和它的有效載荷能力。這個混合動力單元的設計是為了BLEEX計劃的需要9-11。在設計了幾個電力單元之后，我們開始意識到，移動機器人系統(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)野外機器人系統(tǒng)對設計的影響是，需要考慮在野外運動時的承載能力。雖然許多步行系統(tǒng)12,13設計師只考慮他們的自重。但是BLEEX是設計用來承載額外的負重的?？墒?，高壓液壓經(jīng)常會導致少量的動力損失，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)該機器人的速度特點來計算。高速運動導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)的基礎上的經(jīng)驗建議需要使用接近220瓦的電力提供給車載機器人計算機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總結了電源裝置的詳細說明。表1BLEEX的液壓動力單元(HEPU)的詳細說明液壓流體動力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結構HEPU是為了提供電液動力而設計的。它使用一種緊湊的二沖程反向雙汽缸內(nèi)燃機發(fā)動機來完成全角度操作。圖1和圖2展示了發(fā)動機（1）如何驅動一個單一的軸（2），為一個用來發(fā)電的發(fā)電機（3），用來使空氣循環(huán)的散熱風扇（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構。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氣隔開。一個碳纖維膽連接到儲能器氣體那一邊，用來儲存氮氣。總的來說，這個儲氣量是相當大的，當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。從驅動器流出來的液壓油被分為兩路。大學38%的液壓油轉向去冷卻發(fā)動機氣缸。一個熱交換器（12）在液壓油到達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.機械動力的產(chǎn)生二沖程反氣缸內(nèi)燃機（型號80B2RV,ZDZ模型發(fā)動機制造）在8200轉/分轉速下能產(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)動機具有80的體積并且僅有2千克（4.4磅）的質(zhì)量。因為齒輪泵限制于6300轉的最大轉速，并且因為我們不打算在這個動力單元里使用任何傳動減速器，所以我們被迫使發(fā)動機在低于最小功率的速度下工作。這樣發(fā)動機可以在6300轉/分的轉速下產(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)動機在更低的速度會有比使用高速小發(fā)動機更小的噪音。發(fā)動機是安裝在它油門上的伺服電機控制的。發(fā)動機直接驅動發(fā)電機，散熱風扇和齒輪泵。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速6300轉/分鐘的情況下傳遞20.2升/分鐘（5.3加侖/分）V.控制結構用一個固定排量的泵在恒定的速度運行來保持不變的工作壓力，需要一種獨特的控制方法。一個儲能器安裝在泵的出口處為驅動器和功能機構提供流量就像電容器能補償瞬態(tài)峰值電流一樣。液壓壓力被壓力傳感器讀取。計算機控制電磁閥來保持壓力。當壓力到達預設值（6.9兆帕的情況下），計算機驅動電磁閥移動到圖1中的A位置來讓液壓油流向郵箱。當液壓流被伺服閥和驅動器消耗時，為了防止儲能器降壓，計算機驅動電磁閥移動到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/