數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)在仿生足式機器人中的應(yīng)用

白 晶， 秦現(xiàn)生， 伍彬藝

(西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院， 陜西 西安 710072)

數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)在仿生足式機器人中的應(yīng)用

白 晶， 秦現(xiàn)生， 伍彬藝

(西北工業(yè)大學(xué) 機電學(xué)院， 陜西 西安 710072)

仿生足式機器人關(guān)節(jié)普遍采用傳統(tǒng)液壓驅(qū)動方式，由于其能量效率不高，無法滿足機器人高負載能力和自主連續(xù)工作時間的應(yīng)用要求。在對機器人關(guān)節(jié)運動進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字液壓的關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對其所需流量和能量效率進行分析和仿真。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)液壓相比，數(shù)字液壓能減少關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)所需流量，從而提高能量效率。

仿生足式機器人;關(guān)節(jié)驅(qū)動;數(shù)字液壓;能量效率

仿生足式機器人[1-2]與輪式和履帶式機器人相比，具有更強的環(huán)境感知和地形適應(yīng)能力，可以相對容易地跨過比較大的障礙，在戰(zhàn)地、反恐、搶險救援、空間探索、危險環(huán)境作業(yè)等場合有廣泛的應(yīng)用前景和顯著的優(yōu)勢，已成為機器人學(xué)中一個引人注目的研究領(lǐng)域，各國都投入大量的經(jīng)費和人員進行研究。由于機器人主要適合工作在人所不及的外部環(huán)境或危險場所，在攜帶的能源有限的情況下，搭載更多設(shè)備和延長自主連續(xù)工作時間就顯得尤為重要，如何提高驅(qū)動系統(tǒng)的能量效率，從而增加平臺承載能力和自主連續(xù)工作時間就成為了關(guān)注的焦點。

目前仿生足式機器人的驅(qū)動系統(tǒng)一般采用電動、氣動、傳統(tǒng)液壓或其組合形式[3]。電動驅(qū)動系統(tǒng)由于其技術(shù)先進性和低廉的價格而成為機器人領(lǐng)域中最常見的驅(qū)動器，但存在輸出功率小、減速齒輪等傳動部件容易磨損的問題。相對電動驅(qū)動系統(tǒng)，傳統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的輸出功率、高帶寬、快響應(yīng)以及一定程度上的精準性。因此，仿生足式機器人在大功率的應(yīng)用場合下一般采用液壓驅(qū)動，但傳統(tǒng)液壓驅(qū)動存在能量效率較低的問題，影響了仿生足式機器人承載能力和自主連續(xù)工作時間，進而限制了仿生足式機器人的使用范圍。因此，研究和設(shè)計高能量效率的機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)

數(shù)字液壓簡單來說是將液壓元件直接數(shù)字化, 通過接收數(shù)字控制器發(fā)出的脈沖信號和計算機發(fā)出的脈沖信號, 實現(xiàn)可靠工作。一般來講, 數(shù)字液壓元件包括數(shù)字泵、數(shù)字閥、數(shù)字液壓缸和數(shù)字液壓馬達。

1.1數(shù)字液壓的特點和優(yōu)勢

a.輸出流量量化。

數(shù)字液壓能根據(jù)液壓執(zhí)行器的速度需要，通過對并聯(lián)單向閥的狀態(tài)控制來調(diào)節(jié)輸出流量，其流量輸出量化的特性能有效提高驅(qū)動裝置的能量效率。

b.反應(yīng)時間短。

其系統(tǒng)的反應(yīng)時間主要取決于簡單單向閥的反應(yīng)時間，反應(yīng)時間短。

c.冗余度高。

并聯(lián)單向閥的結(jié)構(gòu)方式具有較大的冗余性，單個單向閥故障只會降低驅(qū)動系統(tǒng)的性能，而不會導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效，冗余度高。

數(shù)字液壓輸出流量量化、響應(yīng)時間短、容錯能力強的特性，使其具有能量效率高、反應(yīng)速度快、任務(wù)可靠性高的優(yōu)勢。

1.2數(shù)字液壓的研究現(xiàn)狀

芬蘭坦佩雷技術(shù)大學(xué)對數(shù)字液壓的基本原理、實現(xiàn)方法、自身特性進行了分析，并對其應(yīng)用領(lǐng)域和面臨的挑戰(zhàn)進行了介紹[4-5]。國內(nèi)研究機構(gòu)如浙江大學(xué)[6]、海軍工程大學(xué)[7]等對數(shù)字液壓的研究主要集中在數(shù)字泵、數(shù)字閥、數(shù)字缸等液壓元件的基本原理、功能實現(xiàn)上。

2 仿生足式機器人數(shù)字液壓驅(qū)動原理及實現(xiàn)

與傳統(tǒng)伺服液壓相比，數(shù)字液壓輸出流量量化的特性使其具有較高的能量效率。采用數(shù)字液壓驅(qū)動，能顯著增加仿生足式機器人負載能力和自主連續(xù)工作時間，拓展其應(yīng)用范圍和提高完成多樣化任務(wù)的能力?？紤]到與傳統(tǒng)液壓元器件的兼容性，本文主要采用基于數(shù)字流量控制單元的液壓驅(qū)動方法。

2.1數(shù)字流量控制單元

數(shù)字流量控制單元(DFCU)是將數(shù)字雙向閥并行連接起來，其流通面積是所有閥的流通面積之和，其原理圖如圖1所示。這樣，就可以通過改變每個雙向閥的狀態(tài)來調(diào)節(jié)數(shù)字流量控制單元的流通面積，從而改變流量。如采用二進制編碼，閥的流通面積成倍數(shù)關(guān)系，由N個并行連接的閥組成的數(shù)字流量控制單元有2N個狀態(tài)，其最大流量為2N-1，流量變化最小為1。三位流量控制單元的流量輸出如圖2所示。

2.2仿生足式機器人運動分析

仿生足式機器人的每條腿包含3個自由度：髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、髖關(guān)節(jié)的伸縮、膝關(guān)節(jié)的伸縮。當機器腿運動時，執(zhí)行器帶動髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)到一定的角度，然后髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的執(zhí)行器伸長或縮短，增加或減小髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度。通過對3個執(zhí)行器的協(xié)同控制，仿生足式機器人能夠動態(tài)地適應(yīng)變化的地形。

2.3系統(tǒng)組成及工作原理

由于仿生足式機器人4條腿具有相同的結(jié)構(gòu)，所以本文只對其中一條腿的情況進行研究。圖3所示為所設(shè)計的基于數(shù)字流量控制單元的液壓驅(qū)動系統(tǒng)，主要由封閉式油箱、液壓泵、溢流閥、流量指示器、蓄能器、三位數(shù)字流量控制單元、數(shù)字液壓缸、單向節(jié)流閥和高壓過濾器等組成。在系統(tǒng)中，電磁溢流閥僅作為安全閥使用；單向閥用于防止高壓油回流；蓄能器吸收壓力脈動并起到能量調(diào)節(jié)的作用，以補償由于泵源慣性大而造成的流量匹配延遲；高壓過濾器防止油液中的雜質(zhì)進入系統(tǒng)工作回路；流量指示器壓力傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)進行監(jiān)測和預(yù)警。基于數(shù)字流量控制單元的液壓關(guān)節(jié)驅(qū)動技術(shù)的原理是：泵產(chǎn)生的壓力油經(jīng)過數(shù)字流量控制單元到達液壓油缸和馬達，驅(qū)動負載作直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，壓力油再經(jīng)單向閥、高壓過濾器流回油箱。液壓缸的壓力取決于負載所受載荷，液壓缸的速度調(diào)節(jié)可以通過對數(shù)字流量單元的控制來實現(xiàn)。

3 能量效率分析仿真

建立機器腿的運動模型，采用AMESIM軟件分別對采用傳統(tǒng)伺服液壓驅(qū)動系統(tǒng)和基于數(shù)字流量控制單元的液壓驅(qū)動系統(tǒng)所需的流量和能量效率進行分析。機器腿的一次伸長和收縮作為一個運動周期，以50個運動周期所需的平均流量值作為試驗數(shù)據(jù)。從得到的實驗數(shù)據(jù)可知，與采用傳統(tǒng)伺服液壓相比，數(shù)字液壓所需流量減少了40%。

液壓驅(qū)動系統(tǒng)的輸出功率是壓力和輸出流量的函數(shù)。為了計算液壓系統(tǒng)的能量效率η，畫出了基本的液壓系統(tǒng)組成圖(圖4)。其中：PS是泵的輸出壓力，QS是泵的輸出流量；QSV是流入閥系統(tǒng)的流量；PL，QL為負載的壓力和流量；P1，Q1為液壓缸活塞一側(cè)的壓力和流量，P2，Q2為液壓缸桿側(cè)的壓力和流量。

求解液壓系統(tǒng)能量效率公式為：

PL=P1-P2

QSV=QS-QL

根據(jù)前面得到的所需流量數(shù)據(jù)對比關(guān)系和上面的推導(dǎo)公式可知，仿生足式機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)采用數(shù)字液壓能大大提高系統(tǒng)的能量效率。

4 結(jié)束語

通過采用數(shù)字流量控制單元，設(shè)計實現(xiàn)了仿生足式機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)，對其組成和工作原理進行了介紹，并通過實驗和仿真對該系統(tǒng)的流量和能量效率進行了分析。得到的數(shù)據(jù)表明：相對傳統(tǒng)伺服液壓系統(tǒng)，在仿生足式機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動中采用數(shù)字液壓，能有效提高驅(qū)動系統(tǒng)的能量效率，從而拓展其應(yīng)用范圍。

[1] 吉愛紅，戴振東，周來水. 仿生機器人的研究進展[J]. 機器人，2005，27(3):284 - 288.

[2]StilmanM,OlsonJ,GlossW.Dynamicallystablehumanoidrobotformobilemanipulation[C]//Proceedingsofthe2007IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.AtlantaUSA:RoboticsandAutomation,2010:211-215.

[3] 楊明，王宏佳，楊煬，等. 仿人機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動微型伺服系統(tǒng)[J]. 電氣傳動，2011，41(10) :49-54.

[4]MarnerW.Modernconceptforthedigitalcontrolofhydraulicgears[J].ComputerApplicationsintheAutomotiveIndustry/AdvancedControlinAutomotiveTechnology, 1989, 6(2):433-455 .

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[6] 張斌，徐兵，楊華勇，等. 基于虛擬樣機技術(shù)的數(shù)字式柱塞泵控制特性研究[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報，2010，44(1)：1-6.

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The implication of digital hydraulic drive technology in bionic legged robot

BAI Jing, QIN Xiansheng, WU Binyi

(Northwestern Polytechnical University, Shaanxi Xi'an, 710071, China)

The traditional hydraulic drive method is generally used in bionic robot joint. Its energy efficiency is low, and unable for meeting the application requirements of robot high load capacity and long continuous working time independent. It analyzes the joint motion of bionic legged robot, presents a method to realize the joint driving system through the use of digital hydraulic, and simulates the required flow and energy efficiency of this system, compares with the traditional hydraulic driving system. The result shows that the digital hydraulic can reduce flow rate required and improve the energy efficiency.

bionic legged robot; joint driving; digital hydraulic; energy efficiency

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.014

2015-01-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275413)

白晶(1978—)，女，甘肅白銀人,西北工業(yè)大學(xué)講師，博士,主要研究方向為復(fù)雜機電產(chǎn)品模塊化設(shè)計及智能數(shù)控系統(tǒng)模塊化。

TP224

A

2095-509X(2015)02-0056-03