足式機器人液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

李華瑩 晁智強 強一飛 魏偉 李勛

摘要：液壓系統(tǒng)是液壓足式機器人運動的核心。通過綜述現(xiàn)有典型液壓系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)其液壓系統(tǒng)的優(yōu)缺點，有助于之后開發(fā)新型液壓系統(tǒng)，彌補現(xiàn)有液壓系統(tǒng)不足。因此本文從提高液壓系統(tǒng)能量利用率、提高機器人續(xù)航能力的角度對比分析各種典型液壓系統(tǒng)，歸納現(xiàn)有模型的新型方法以及存在的問題，總結(jié)液壓足式機器人液壓系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。最后以現(xiàn)有模型為基礎(chǔ)，總結(jié)并探討了機器人液壓系統(tǒng)可借鑒的創(chuàng)新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng);節(jié)能;續(xù)航

0 ?引言

輪式、履帶式運動方式是車輛、機器人及其它運動機構(gòu)最常見的機械運動形式。輪式運動阻力小、速度快，在平整路面具有不可比擬的優(yōu)勢。履帶式的運動方式在大型工程設(shè)備上更為常見，其具有與地面接觸面積大、可提供摩擦力大等優(yōu)點，有助于設(shè)備在土地較為松軟、摩擦力需求大的場合工作。但是這兩種運動形式在運動過程中均與地面連續(xù)接觸，因此只能通過有限不平度的地形。而足式運動方式作為自然界生物運動的典型形式，非常適合在路況復雜、坑洼較多（比如山地、丘陵以及雪地等）的地形下行動。相較于輪式、履帶式運動，足式運動主要有兩大優(yōu)勢：首先，足式運動的落腳點為離散式的，相較于輪式、履帶式運動更有利于越過障礙物，更適合于地形條件復雜、地面軟硬程度相差較大的環(huán)境;其次，足式運動有多肢節(jié)、多自由度特征，能夠減小振動、提高運動平臺的穩(wěn)定性。

液壓足式機器人是足式機器人的典型代表。足式機器人液壓系統(tǒng)是其實現(xiàn)其各項功能的基礎(chǔ)。

1 ?足式機器人液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

液壓機器人能夠在復雜地形環(huán)境中可靠行動，相較于輪式、履帶式機器人具有不可替代的優(yōu)勢。隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，抗險救災、野外軍事行動、航空航天等特殊任務對于液壓足式機器人的能力要求越來越大。于此同時，計算科學、控制科學的迅速發(fā)展使得液壓足式機器人的快速發(fā)展成為可能。

1.1 國外足式機器人液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

從20世紀60年代開始國外研究機構(gòu)對液壓機器人進行了廣泛的研究，并制作了一系列的實物樣機[14]。圖1展示了從20世紀60年代開始國外研究者制作的各種類型的液壓機器人。從圖1中可以看出，經(jīng)過多年的發(fā)展，液壓機器人體積減小、重量減輕，而運動能力也有較大的提升。

1.2 國內(nèi)足式機器人液壓系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

BigDog等液壓足式機器人的成功在國際社會上引起了液壓足式機器人的發(fā)展熱潮，各個國家的研究機構(gòu)設(shè)計出各有特點的液壓足式機器人。相比之下，中國對于足式機器人的研究起步較晚，最初集中在電動足式機器人的研究上。在2011年國家863計劃的推動下，國內(nèi)高校相繼成立了專門的研究隊伍對液壓足式機器人進行研究。在科研人員的努力之下，北京理工、山東大學、國防科大、上海交大、哈工大等高校成功研制出各自的液壓足式機器人。

1.3 總結(jié)

綜合各向指標而言，由于我國對于液壓足式機器人研究起步較晚，關(guān)鍵元器件制造存在差距等原因，在負重能力、運動速度、運動平穩(wěn)性、環(huán)境適應性等方面與國外液壓機器人相比存在較大的差距[16]。從技術(shù)層面分析，兩者之間的差距主要存在于：

1.3.1 硬件加工制造技術(shù)差距 ?主要原因是小型液壓缸設(shè)計制造技術(shù)（包括相應材料加工技術(shù)）、高頻率響應伺服閥設(shè)計制造技術(shù)、伺服控制技術(shù)及液壓回路信號檢測技術(shù)等較為落后。

1.3.2 液壓系統(tǒng)元器件匹配問題 ?在機器人液壓系統(tǒng)中，各個元件都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當某些元器件流量、壓力參數(shù)與液壓系統(tǒng)的要求不相匹配時將無法發(fā)揮系統(tǒng)最大的效率，直接影響到整個機器人的運動品質(zhì)。

1.3.3 液壓系統(tǒng)效率較低 ?該問題的主要原因是沒有針對液壓足式機器人液壓系統(tǒng)的特點進行重新設(shè)計或采取其他有效措施，導致液壓系統(tǒng)供油壓力與執(zhí)行機構(gòu)所需壓力極度不匹配。

2 ?足式機器人液壓系統(tǒng)最新進展

傳統(tǒng)的液壓足式機器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走、跟隨前進、跨越障礙等多種功能，但是其液壓系統(tǒng)的瞬時功率與執(zhí)行機構(gòu)需求不匹配的問題極大的影響了液壓足式機器人續(xù)航能力。針對這個問題，研究人員提出了各種各樣的方案。

2.1 多執(zhí)行器協(xié)同動作

2.1.1 雙缸執(zhí)行器協(xié)同動作

BigDog是較早考慮液壓系統(tǒng)功率匹配問題的一款液壓足式機器人。如圖2所示，BigDog采用雙缸液壓執(zhí)行器驅(qū)動關(guān)節(jié)，在一定程度上緩解了功率不匹配的問題。但是雙執(zhí)行器的設(shè)計導致了執(zhí)行機構(gòu)質(zhì)量較大、泄露嚴重，不利于機器人在野外長時間工作。

2.1.2 串聯(lián)執(zhí)行器協(xié)同動作

國外研究機構(gòu)通過研究提出液壓缸串聯(lián)的方式提高液壓油在回路中的利用率（圖3）。由圖3可以看出，當液壓缸1不動作時，液壓油通過節(jié)流口C進入到液壓缸2中，一定程度上改變了原液壓系統(tǒng)液壓缸不動作時液壓油直接排入油缸造成浪費的現(xiàn)狀。但是在兩個液壓缸同時停止動作時，液壓油同樣會通過節(jié)流口C、L流回油箱，造成整個液壓系統(tǒng)的功率損失。除此之外，由于液壓缸在同一回路同時驅(qū)動兩個液壓缸，控制較為復雜。

2.2 基于高速數(shù)字開關(guān)閥的PWM調(diào)速系統(tǒng)

意大利理工學院的Shuang Peng和Emanuele Guglielmino針對HyQ液壓系統(tǒng)效率不高的問題，提出了一種基于高速數(shù)字開關(guān)閥的PWM調(diào)速系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)利用高速開關(guān)閥代替普通伺服閥，通過對腿部液壓缸的精準控制，降低了系統(tǒng)的流量需求，提高了系統(tǒng)的能量利用效率。雖然采用PWM調(diào)速系統(tǒng)雖然可以提高能量利用效率，但是其控制難度較大、元器件成本較高，不利控制機器人生產(chǎn)成本。同時，他們還提出了利用液壓變壓器（圖5）控制油壓的方法，提高液壓系統(tǒng)功率匹配程度，試圖從根本上解決液壓系統(tǒng)功率與執(zhí)行機構(gòu)需求不匹配的問題。該方法具有較好的效果，但是液壓變壓器及其慣性元件體積、質(zhì)量較大，而機器人負重能力有限，難以適應液壓足式機器人野外負重的要求。

2.3 變面積液壓缸

國防科技大學薛勇[3]參考BigDog多液壓缸驅(qū)動同一關(guān)節(jié)的設(shè)計提出了一種變面積液壓缸。該液壓缸機構(gòu)設(shè)計與BigDog雙液壓缸設(shè)計理念極為相似，但是集成程度更高、機構(gòu)更復雜，通過仿真實驗，發(fā)現(xiàn)該方法可以提高系統(tǒng)功率與執(zhí)行器需求的匹配程度。但是該方法采用多組液壓缸集成的方式，需要很高的元器件加工、裝配精度并且可維護性不強。

2.4 雙級供能液壓系統(tǒng)

除變面積液壓缸設(shè)計外，薛勇團隊還提出了雙級供能液壓系統(tǒng)，如圖6所示。該系統(tǒng)的亮點在于系統(tǒng)中同時包含一個小流量高壓泵（定量泵）和一個大流量低壓泵（變量泵），可以向腿部關(guān)節(jié)供給不同功率的液壓油，提高了系統(tǒng)功率與執(zhí)行器需求的匹配程度。

在工作過程中，小流量高壓泵向各小型蓄能器供能，保證小型蓄能器能夠隨時推動執(zhí)行液壓缸進行工作。在機器人運動過程中，由小型蓄能器向支撐關(guān)節(jié)短時供給高壓油，由大流量低壓泵向擺動關(guān)節(jié)供油，保證了機器人的各項運動指標。同時在高壓回路添加蓄能器的做法，提高了整個液壓系統(tǒng)的抗沖擊能力，實現(xiàn)了部分能量的存儲和回收，提高了系統(tǒng)的能量利用效率。

但是，薛勇團隊通過分析發(fā)現(xiàn)，在機器人腿部擺動過程中不同時刻腿部關(guān)節(jié)所需力矩依舊存在非常大的差距，而僅采用單一大流量低壓泵供油的方式很難實現(xiàn)在腿部擺動過程中的功率的精確匹配。因此，在該兩級供能液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，薛勇團隊又增加了新型液壓壓力調(diào)節(jié)器（Fluid Power Converter，簡稱FPC調(diào)節(jié)器），該調(diào)節(jié)器在壓力調(diào)節(jié)過程中能夠降低系統(tǒng)能量損耗。帶有FPC調(diào)節(jié)器的兩級供能液壓系統(tǒng)中，低壓大流量泵所產(chǎn)生的油液壓力能夠根據(jù)執(zhí)行器需求變化實時調(diào)節(jié)，提高了腿部擺動過程中液壓系統(tǒng)功率與執(zhí)行器需求的匹配狀態(tài)，從而提高了系統(tǒng)的能量利用效率。

3 ?總結(jié)

液壓足式機器人在國外自上世紀80年代開始研制，至今已有幾十年的技術(shù)積累，相較于初始階段的液壓機器人在重量、體積等各個方面都有了非常大的進步。但是機器人液壓系統(tǒng)存在的很多問題也隨著研究的深入逐漸成為阻礙機器人發(fā)展和使用的關(guān)鍵。雖然很多研究機構(gòu)針對其液壓系統(tǒng)存在的問題提出了各種各樣的解決方案，但是沒有根本性的解決問題。

相較于國外研究機構(gòu)，國內(nèi)研究團隊對于液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論研究還存在一定的差距。由于存在研究起步晚、研究理論不完善等問題，國內(nèi)機器人始終未能走出實驗室進入實用階段。無論是在機器人結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)設(shè)計還是在電器元件制造、選型等方面都存在很大的差距。

在未來，液壓系統(tǒng)形式上的創(chuàng)新將會是提高機器人運動能力的關(guān)鍵。雖然現(xiàn)在針對機器人液壓系統(tǒng)進行了多種形式的創(chuàng)新，但是沒有達到預期的效果，因此，還需要繼續(xù)針對機器人液壓系統(tǒng)進行改進，解決現(xiàn)有液壓系統(tǒng)功率匹配程度差、發(fā)熱嚴重、續(xù)航能力不足等問題。

參考文獻：

[1]榮學文.SCalf液壓驅(qū)動四足機器人的機構(gòu)設(shè)計與運動分析[D].濟南：山東大學，2013.

[2]高峰，雷靜桃，徐國艷.四足步行機的對角小跑步態(tài)及能耗仿真分析[J].北京航空航天大學學報，2007，33（6）：719-722.

[3]盛沙.小型四足平臺的機構(gòu)設(shè)計與行走控制研究[D].北京：北京理工大學，2014.

[4]宗曉艷.基于虛擬樣機的液壓四足機器人能耗分析研究[D].北京：北京理工大學，2016.

[5]吳際遠.四足步行機動平臺動力單元控制系統(tǒng)研究[D].北京：裝甲兵工程學院，2014.

[6]丁良宏，王潤孝，馮華山.淺析BigDog液壓四足機器人[J].中國機械工程，2012（5）：501-512.

作者簡介：李華瑩（1981-），男，遼寧撫順人，講師，博士，主要研究方向為裝甲裝備機電液故障診斷;晁智強（通訊作者）（1967-），男，吉林輝南人，教授，博士，主要研究方向為裝甲裝備機電液故障診斷。