一种可实现720度旋转的液压油缸驱动机器人关节及其扭矩感知方法与流程

本发明涉及重载工业机器人、特种工程机械、大型自动化回转装备，具体涉及一种基于ngw单排行星轮系逆向增速传动的液压油缸驱动机器人关节，尤其涉及兼容双油缸、四油缸两种驱动配置，依托油压、行程、编码器多源数据融合，无需高精度专用扭矩传感器，即可实现±360°全覆盖、720°全域旋转及大扭矩稳定输出的液压关节机构及高精度扭矩实时感知与控制方法。

背景技术：

1、现阶段重载机器人回转关节主流采用伺服电机搭配rv减速机、行星减速机的机电驱动方案，该类方案普遍存在扭矩输出上限低、抗冲击能力弱、短时过载性能差、断电无自锁功能等固有缺陷，难以适配重型、冲击性、持续负载作业场景。液压驱动关节凭借功率密度大、过载倍率高、自锁性能优良、环境适应性强等优势，已成为重载回转关节的核心发展方向，但现有液压重载机器人关节仍存在多项关键技术短板，严重制约行业规模化推广应用。

2、现有液压重载机器人关节具体存在如下技术缺陷：

3、（1）驱动配置固化，场景适配性差。现有液压关节多采用固定单油缸或四油缸驱动结构，无法根据负载等级、安装空间灵活切换驱动布局；低载工况下四油缸驱动资源冗余、能耗偏高，狭小轻量化安装场景无法适配四油缸布置，使用灵活性极差。

4、（2）驱动受力不均，部件寿命短。传统液压关节采用单油缸或对称双油缸单点、两点驱动，驱动点位单一，载荷集中于局部啮合区域，导致行星架周向受力不均衡、局部接触应力超标，不仅限制关节扭矩输出上限，还易引发齿面磨损、崩齿、齿条形变等零部件失效问题。

5、（3）扭矩、摆角、体积无法兼顾。常规重载摆动关节结构中，驱动扭矩、旋转角度、整体体积三者相互制约，若提升扭矩与摆角参数，必须增大油缸行程和缸径，无法满足重载装备扁平化、紧凑型、低成本集成安装需求。

6、（4）大角度旋转依赖超长油缸行程。传统齿条直驱式液压关节无角度放大结构，油缸直线行程直接决定关节最大摆角；为实现±360°超大角度双向回转，需配置定制化超长行程油缸，不仅加工难度大、制造成本高，还存在密封漏油风险高、动态响应迟缓等问题，适配场景严重受限。

7、（5）扭矩感知成本高、精度稳定性差。目前高精度重载关节多搭载进口专用大扭矩动态传感器采集负载数据，该类传感器售价昂贵、抗振动能力弱、恶劣环境适应性差；部分设备依托电机电流间接估算扭矩，受传动背隙、弹性形变、油液压力脉动影响极大，存在感知滞后、稳态误差高的问题，难以满足高精度闭环控制需求。

8、（6）系统刚度低、运行平稳性差。单点、两点固定式驱动结构在大惯量负载、高频启停、频繁换向工况下，传动链易产生周期性扭振、径向偏摆现象，运动平稳性不足，无法实现高精度力位协同控制。

9、综上所述，目前行业内缺乏一款可兼容双油缸/四油缸灵活切换、依托短行程油缸实现±360°（720°）全范围旋转、感知精度高、生产成本低、运行可靠性强的重载液压机器人关节。基于此，本发明结合ngw行星轮系增速特性、多模式分布式驱动结构及低成本负荷感知算法，研发新型液压关节，解决上述行业痛点。

技术实现思路

1、3.1 发明目的

2、针对现有重载液压机器人关节驱动模式固化、旋转角度受限、油缸行程过大、扭矩感知成本高昂、受力集中、系统稳定性差等技术缺陷，本发明提供一种可实现720度旋转的液压油缸驱动机器人关节及其扭矩感知方法。本发明核心依托ngw单排行星轮系逆向增速特性构建角度放大机构，设计可兼容双油缸轻量化、四油缸重载的通用一体化安装结构，适配不同负载与安装场景；为各油缸独立油腔配置嵌入式油压传感器提升感知灵敏度，舍弃高成本专用大扭矩传感器，通过融合油缸油压、活塞行程、主轴编码器三类基础低成本信号，实现高精度扭矩解算与闭环控制，在降低生产成本的同时，大幅提升复杂工况下关节的运行稳定性与检测精度。

3、3.2 技术方案

4、为实现上述目的，本发明提供一种可实现720度旋转的液压油缸驱动机器人关节，包括机架、行星轮系模块、驱动模块以及感知控制模块。

5、所述行星轮系模块为标准化单排ngw型行星传动结构，是实现短行程大角度输出的核心部件，包括外齿圈、中心轮、若干行星轮及圆盘式行星架；所述外齿圈为内齿结构，固定安装于机架内侧作为绝对固定基准；所述行星轮通过重载轴承对应装配在行星架的行星轴外侧；所述中心轮布置于行星轮系中心位置，通过主轴转动支撑于机架上，构成关节动力输出端；所述行星架可相对机架自由旋转，作为行星轮系动力输入构件。

6、所述驱动模块采用模块组合设计，兼容两种可互换驱动配置模式，两种模式安装接口、控制逻辑完全统一，可根据负载等级与安装空间灵活选配，互不冲突、适配性强。

7、模式一、双油缸轻量化驱动模式：配置两个规格一致的短行程齿条油缸，两个油缸沿行星架同一径向直径呈180°对称对置布置，适用于中小负载、狭小安装空间场景，结构精简、能耗更低。

8、模式二、四油缸重载驱动模式：配置四个规格一致的短行程齿条油缸，分为两组独立驱动单元；第一组两个齿条油缸沿行星架第一直径方向180°对置布置，第二组两个齿条油缸沿行星架第二直径方向180°对置布置，两组油缸轴线夹角优选90°，适用于超大负载工况，实现载荷多点分摊、提升系统整体刚度。

9、所述行星架外缘一体式加工驱动齿圈，双油缸或四油缸的输出齿条均与驱动齿圈外啮合，通过油缸协同差动伸缩，驱动行星架做小角度限定往复摆动，全程采用短行程油缸即可满足驱动需求，从根源上降低油缸加工难度与密封失效风险。

10、所述行星轮系采用专属逆向增大输出角度工作模式，工作逻辑为外齿圈固定锁止、行星架低速小角度主动输入、中心轮大角度从动输出；其传动比（中心轮主动--行星架的减速比）计算公式为：ic-s=ns/nc=(zs+zr)/zs；式中，ic-s为整体传动比，ns为中心轮转速，nc为行星架转速，zs为中心轮齿数，zr为外齿圈齿数；因外齿圈齿数zr始终大于中心轮齿数zs，按增速（行星架输入中心轮输出，行星架--中心轮主动的速比）传动比is-c=nc/n＜1，形成恒定增速放大结构，可将行星架小幅摆动角度成倍放大，以油缸微小直线行程，实现输出端±360°全覆盖、总720°连续双向旋转，有效提升关节响应速度。

11、所述感知控制模块摒弃传统高成本专用大扭矩动态传感器，仅由嵌入式压力传感器、内置行程传感器、高精度绝对值编码器与液压电控单元组成；每个齿条油缸的独立油腔内部均嵌装高频嵌入式压力传感器，用于采集高精度油压数据；每个齿条油缸内部内置行程传感器，实时采集活塞伸缩行程与位置状态；高精度绝对值编码器同轴安装于中心轮主轴端部，采集输出端实时转角、转速数据；所有传感部件均与液压电控单元电性连接，依托多源低成本信号融合算法，实现无专用扭矩传感器条件下的高精度扭矩解算与力位闭环控制。

12、进一步的，所述行星架最大摆动角度限制在±110°以内，配套短行程齿条油缸即可完成驱动；依托ngw行星轮系3.4~3.8倍可调增速比，可将行星架±110°小幅输入摆角，放大为输出端±360°完整回转角度，整机总转角可达720°，无需配置超长行程油缸，结构紧凑性大幅提升。

13、进一步的，所述齿条油缸采用差动供油控制方式，对置油缸同步联动工作，可完全抵消单侧径向分力，仅保留周向驱动力矩，有效提升行星架运行稳定性与传动精度。

14、本发明第二方面提供一种重载液压驱动机器人关节扭矩实时感知方法，适配双油缸、四油缸两种驱动模式，无需配置高精度专用大扭矩传感器，具体包含以下步骤：

15、s1、多源数据同步采集：液压电控单元同步调用多路嵌入式压力传感器、内置行程传感器，分别采集对应驱动模式下各齿条油缸双腔高精度油压数据与活塞实时伸缩行程位置数据，油压数据经滤波降噪处理，提升数据信噪比；同时通过高精度绝对值编码器采集中心轮实时角位置、转速数据。

16、s2、单缸驱动力计算：根据油缸内外油腔油压差值、活塞有效受压面积，计算单根齿条原始输出推力，同时结合活塞实时行程位置增设偏差补偿系数，修正活塞偏载、油液压缩性带来的推力误差，提升推力计算精度。

17、s3、输入扭矩合成：根据设备当前的双油缸或四油缸驱动模式，结合驱动齿圈分度圆半径，叠加各组油缸周向驱动力矩，精准求解行星架实时输入扭矩。

18、s4、输出扭矩解算：结合ngw行星轮系固定逆向增速传动比，匹配齿轮啮合损耗、轴承摩擦损耗、角度位置补偿参数，精准解算中心轮输出端实时负载扭矩。

19、s5、力位闭环调控：电控单元比对实时扭矩、转角参数与预设目标参数，动态调节各组油缸供油压力与伸缩行程，实现扭矩、位置双闭环高精度协同控制。

20、3.3 有益效果

21、与现有技术相比，本发明具备如下显著有益效果：

22、（1）短行程实现超大摆角，突破结构制约。本发明创新采用ngw行星轮系逆向增速工作逻辑，以短行程齿条油缸驱动行星架小幅摆动，经3.4~3.8倍角度放大后，实现输出端±360°双向全覆盖、总720°连续旋转，彻底解决传统液压关节需超长油缸行程才能实现大角度回转的行业痛点，大幅缩减油缸轴向尺寸，降低油缸加工、密封及后期维护成本。

23、（2）双模式兼容适配，全场景覆盖。本发明驱动模块采用模块化组合设计，可自由切换双油缸轻量化、四油缸重载两种工作模式；双油缸模式结构精简、能耗更低，适配中小负载、狭小安装空间；四油缸模式多点分摊载荷、扭矩上限高、系统刚度强，适配超大负载工况，两种模式接口与控制逻辑通用，无需改动机体结构，场景适配范围极广。

24、（3）无专用扭矩传感器，降本且可靠性高。本发明舍弃价格高昂、抗振性差、易损坏的专用大扭矩动态传感器，融合高精度油压、活塞行程、主轴转角三类低成本高可靠传感信号，通过多源数据融合算法补偿传动背隙、弹性形变、摩擦损耗等误差，实现高精度扭矩解算；相较传统方案，整机硬件成本降低15%~30%，且基础传感器防护等级高、抗冲击、抗振动，可适配矿山、工地、户外等恶劣重载工况。

25、（4）多点载荷分摊，超大扭矩输出能力强。四油缸重载模式采用90°分布式对称驱动结构，四路动力同步作用于驱动齿圈，实现载荷多点均匀分摊，无需增大单缸缸径、加长油缸行程，即可大幅提升关节额定输出扭矩；双油缸模式兼顾常规重载场景的成本与性能，降低油缸设计制造难度，延长密封件使用寿命。

26、（5）结构高度集成，适配性优异。本发明采用多点分布式短行程驱动结构，替代传统大缸径、长行程单缸驱动结构，选用标准化小规格短行程油缸即可满足重载、大摆角需求，整机体积大幅缩减，布局规整，可适配狭小空间嵌入式安装场景。

27、（6）系统刚度高，运行平稳性好。双油缸180°对置驱动、四油缸90°四向对称驱动结构，可有效约束行星架偏摆、扭转自由度，大幅提升关节整体扭转刚度，有效抑制大惯量负载启停、换向过程中的扭振现象，结合行程-油压双反馈调控逻辑，显著提升关节运动平稳性与定位、控扭精度。

28、（7）延长传动部件使用寿命。多点对称啮合结构可均匀分摊齿面接触应力，避免局部应力集中，降低驱动齿圈、行星齿轮、油缸齿条的磨损速率；同时对称驱动结构可抵消大部分径向分力，减少轴承侧向载荷，结合ngw行星轮系载荷均分特性，全方位提升整机疲劳使用寿命。

29、（8）液压自锁安全，故障率低。液压驱动结构短时过载倍率可达2倍以上，抗冲击、抗过载性能远超机电减速方案；设备断电停机后可依靠油压保压自锁，无需额外配置电磁刹车装置，减少设备故障点位，进一步降低整机生产成本与维护成本。