液壓四足機(jī)器人油源流量自適應(yīng)控制研究

黃檀，趙慧，辛建樹，袁立鵬

(1.武漢科技大學(xué)機(jī)械自動化學(xué)院，湖北武漢 430081；2.武漢科技大學(xué)機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究院，湖北武漢 430081；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

0 前言

自美國波士頓動力公布了BigDog以來，吸引了眾多學(xué)者對仿生液壓四足機(jī)器人進(jìn)行研究[1-3]。但液壓系統(tǒng)的瞬時功率與執(zhí)行機(jī)構(gòu)需求不匹配的問題，極大地影響了液壓四足機(jī)器人續(xù)航能力[4-5]。針對這個問題，研究人員提出了各種各樣的解決方案。

BigDog采用雙缸液壓執(zhí)行器驅(qū)動關(guān)節(jié)，一定程度上緩解了功率不匹配的問題[6-7]，但是雙執(zhí)行器的設(shè)計(jì)相對復(fù)雜并且質(zhì)量較大，不利于機(jī)器人在野外長時間工作。同時國防科技大學(xué)的薛勇[8]提出一種面積可變的液壓缸設(shè)計(jì)方法，與BigDog的雙液壓缸設(shè)計(jì)相比，該液壓缸的集成度更高，提高了液壓執(zhí)行器需求功率與液壓系統(tǒng)功率的匹配程度，但是此方法對加工和裝配精度要求極高，可維護(hù)性差，不適合推廣應(yīng)用。除此之外，國防科技大學(xué)的XUE等[9]提出了多級供能液壓系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用兩個液壓泵分級供油，給機(jī)器人關(guān)節(jié)提供不同功率的液壓油，滿足機(jī)器人運(yùn)動時不同功率的要求，使執(zhí)行器需求功率與液壓系統(tǒng)的輸出功率更加匹配。

隨著數(shù)字液壓系統(tǒng)的發(fā)展，利用數(shù)字液壓元件提高液壓系統(tǒng)的效率已成為研究熱點(diǎn)[10]。為了提高HyQ四足機(jī)器人液壓系統(tǒng)的效率，意大利技術(shù)研究院的KOGLER 等[11]提出一種基于高速數(shù)字開關(guān)閥的調(diào)速系統(tǒng)，通過高速數(shù)字開關(guān)閥對關(guān)節(jié)閥控缸進(jìn)行精準(zhǔn)控制，在降低液壓系統(tǒng)所需流量的同時提高系統(tǒng)的效率，但是這種調(diào)速方式機(jī)器人的研發(fā)成本較高且其控制難度較大。利用PWM高頻開關(guān)閥、細(xì)長油管和蓄能器模擬直流變壓器[12]，實(shí)現(xiàn)對液壓系統(tǒng)壓力和流量的實(shí)時調(diào)節(jié)來匹配執(zhí)行器，該方法確實(shí)提高了液壓系統(tǒng)節(jié)能效率；但是該變壓器的油管過長，不利于液壓四足機(jī)器人油源的集成化與輕量化設(shè)計(jì)，不利于機(jī)器人的野外工作。

國外學(xué)者還提出了控制液壓系統(tǒng)的供油壓力來提高系統(tǒng)的效率，DU等[13]、BAGHESTAN等[14]提出通過對負(fù)載預(yù)測實(shí)現(xiàn)對電機(jī)泵的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，在保證電磁閥開口始終處于較大狀態(tài)的同時使執(zhí)行器所需的壓力與執(zhí)行器盡可能的相匹配。

模仿現(xiàn)在的電動汽車采用的混合動力與能量回收[15-16]方法來提高效率、采用負(fù)載敏感技術(shù)[17-18]使泵的出口壓力在每一個瞬間與所有執(zhí)行器中的最大負(fù)載壓力相匹配、采用進(jìn)出油口獨(dú)立控制技術(shù)減小比例伺服閥的節(jié)流損失[19]、變供油壓力作動器[20-21]等，這些方法都一定程度上提高了單泵多執(zhí)行器液壓系統(tǒng)的效率。

本文作者在前人的研究基礎(chǔ)上，提出液壓四足機(jī)器人油源的變流量動態(tài)供油策略，實(shí)時控制油源電機(jī)的轉(zhuǎn)速，繼而控制系統(tǒng)的流量，并建立仿真模型與機(jī)器人樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證流量自適應(yīng)控制的有效性。

1 液壓四足機(jī)器人油源介紹

液壓系統(tǒng)作為支撐四足機(jī)器人行進(jìn)運(yùn)動的核心技術(shù)之一，其系統(tǒng)節(jié)能策略的研究具有十分重要的意義[22]。文中主要研究液壓四足機(jī)器人的油源流量自適應(yīng)。液壓油源由原動機(jī)(內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)等)、泵組、油箱組件、濾油器組件、蓄能器組件及安裝主閥塊等組成，用于將電能轉(zhuǎn)換成液體壓力能。此液壓油源以輕量化為約束條件，采用閉式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，具體原理如圖1所示。

圖1 液壓油源原理

油液由兩個高速電機(jī)泵經(jīng)過單向閥供至過濾器，經(jīng)過濾器去除污染物，依靠高壓蓄能器消除系統(tǒng)流量脈動，穩(wěn)定液壓系統(tǒng)的壓力變化，最后油液經(jīng)過快換接頭進(jìn)入負(fù)載，其中壓力傳感器和溫度傳感器作為檢測信號輸出。圖2和圖3分別為液壓油源的三維模型與實(shí)物，該小型液壓油源的尺寸大致為300 mm×250 mm×300 mm，總質(zhì)量約為28 kg。

圖2 液壓油源三維模型

圖3 液壓油源實(shí)物

2 液壓系統(tǒng)能耗分析

文中所研究的液壓四足機(jī)器人的液壓系統(tǒng)中有12個閥控缸，屬于雙泵多執(zhí)行器結(jié)構(gòu)。圖4是機(jī)器人單腿在Trot步態(tài)下以步長70 mm、步高50 mm、周期0.5 s時，油源提供的流量與單腿運(yùn)行需求流量曲線。在確保機(jī)器人正常運(yùn)行前提下，為了控制方便，油源默認(rèn)采用恒壓恒流的供能方式，如圖4—5所示，油源以流量10 L/min、壓力21 MPa進(jìn)行輸出。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，從圖4可以看出油源輸出的總流量遠(yuǎn)大于負(fù)載需求的總流量，這將導(dǎo)致能量的嚴(yán)重浪費(fèi)，大大降低機(jī)器人的續(xù)航能力。

圖4 負(fù)載消耗流量

圖5 油源輸出壓力

當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，計(jì)算在trot步態(tài)下，兩個周期內(nèi)液壓系統(tǒng)的效率：

(1)

式中：E1為油源輸出能量；E2為負(fù)載消耗的能量；ps為負(fù)載需求的壓力；Qs為負(fù)載需求的流量。

由式(1)計(jì)算結(jié)果可知：當(dāng)采用恒壓恒流的供能方式時，液壓油源的運(yùn)行效率很低，負(fù)載僅僅消耗油源所提能量的22.98%，造成了嚴(yán)重的能量浪費(fèi)。

3 供油流量計(jì)算

3.1 單腿液壓缸速度

通過對液壓四足機(jī)器人進(jìn)行ADAMS仿真分析，機(jī)器人以步長70 mm、步高50 mm、周期0.5 s進(jìn)行Trot步態(tài)運(yùn)行時，得到機(jī)器人單腿液壓缸的速度曲線如圖6所示。

圖6 單腿液壓缸速度

3.2 單腿供油流量計(jì)算

液壓四足機(jī)器人采用對稱閥控制非對稱缸，上節(jié)已經(jīng)得到液壓缸運(yùn)動速度，針對非對稱液壓缸在伸出和縮回情況下，計(jì)算出系統(tǒng)所需的供油流量。

具體的原理如圖7所示，當(dāng)液壓缸活塞桿伸出時，液壓缸流量連續(xù)性方程為

(2)

圖7 對稱閥控制非對稱缸

忽略液壓缸的內(nèi)外泄漏和運(yùn)動過程中體積的變化，由上述公式可得到供油流量為

(3)

同理當(dāng)液壓活塞收縮時，液壓缸供油流量需求為

(4)

由以上計(jì)算可知單腿流量(L/min)計(jì)算公式：

Q=V·Sp·60·10-6

(5)

式中：Sp為活塞有效面積(當(dāng)液壓缸伸出時，Sp=A1；當(dāng)液壓缸縮回時，Sp=A2)。

通過理論計(jì)算與AMESim仿真計(jì)算結(jié)果對比，驗(yàn)證了單腿流量理論推導(dǎo)的正確性，得到的流量曲線如圖8所示?？梢钥闯觯豪碚撚?jì)算與仿真計(jì)算的結(jié)果趨勢一致，只有數(shù)值上有細(xì)微差異。

圖8 單腿供油流量曲線

4 流量自適應(yīng)研究

4.1 流量自適應(yīng)控制策略介紹

針對恒壓恒流供能方式存在嚴(yán)重的能量浪費(fèi)，本文作者提出變流量動態(tài)供油策略，如圖9所示。與傳統(tǒng)恒流量供油系統(tǒng)不同的是，該系統(tǒng)在位置控制的基礎(chǔ)上添加了一個流量控制環(huán)節(jié)，控制油源輸出流量。通過負(fù)載預(yù)測得到各個液壓缸速度大小，再結(jié)合閥控缸的數(shù)學(xué)模型推算出實(shí)時供油流量。

圖9 變流量供油系統(tǒng)控制框圖

4.2 流量自適應(yīng)仿真模型建立

為了驗(yàn)證流量自適應(yīng)控制策略在液壓四足機(jī)器人上運(yùn)行的控制性能和節(jié)能效果，通過AMESim建立仿真平臺，搭建變流量液壓系統(tǒng)，進(jìn)行仿真分析，實(shí)時控制油源輸出流量。圖10所示為單腿的液壓油源變流量供油的仿真模型，設(shè)定系統(tǒng)壓力為伺服閥的額定壓力21 MPa，系統(tǒng)的供油流量為機(jī)器人在Trot步態(tài)下以步長70 mm、步高50 mm、周期0.5 s時單腿所需要的流量。

圖10 流量自適應(yīng)仿真模型

4.3 仿真結(jié)果分析

圖11是實(shí)時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，分別在流量裕量為0、1、2、4 L/min時油源輸出口的流量曲線，據(jù)此探究各關(guān)節(jié)液壓缸的位置跟蹤情況以及液壓系統(tǒng)的效率。

圖11 不同流量裕量下油源輸出口的流量曲線

從圖12、13可以看出：采用變流量控制系統(tǒng)在流量裕量為2 L/min時就能達(dá)到與恒流供油系統(tǒng)差不多的位置跟蹤性能；在流量裕量小于2 L/min時，由于供油流量與負(fù)載需求流量過于接近，并且理論計(jì)算得到的流量未考慮液壓元件的內(nèi)、外泄漏，導(dǎo)致位置跟蹤存在更大的滯后和穩(wěn)態(tài)誤差。

圖12 髖關(guān)節(jié)位移跟蹤曲線

圖13 膝關(guān)節(jié)位移跟蹤曲線

在了解油源變流量控制系統(tǒng)的位置跟蹤特性后，再進(jìn)行能耗分析，計(jì)算不同流量裕量下系統(tǒng)能耗。繪制其流量曲線如圖14所示：在流量裕量小于2 L/min的時候，特別是在裕量為0 L/min情況下，供給流量低于負(fù)載需求的流量，滿足不了腿部關(guān)節(jié)的運(yùn)動，導(dǎo)致腿部各液壓缸信號跟蹤效果較差；隨著流量裕量的增加，腿部的流量供給不斷增加，最終穩(wěn)定在恒流供給流量附近。

圖14 不同流量裕量下單腿流量曲線

分析單腿的位置跟蹤信號和流量曲線后，根據(jù)公式(1)計(jì)算出液壓系統(tǒng)在不同流量裕量條件下，兩個運(yùn)動周期內(nèi)機(jī)器人能耗情況以及相對于恒流供能方式的節(jié)能比例，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

表1 能耗對比

分析表1可知：采用油源流量自適應(yīng)控制策略效率最高可以達(dá)到95.21%，不過此時的跟蹤性能有不小的損失。根據(jù)前文對于關(guān)節(jié)位置跟蹤精度的分析，采用流量裕量為2 L/min時的能耗作為油源流量自適應(yīng)控制策略的節(jié)能衡量數(shù)據(jù)，因此采用油源流量自適應(yīng)控制策略油源的效率可以達(dá)到53.40%，相對于恒流供能策略節(jié)能比例提高了57.15%。

4.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證

4.4.1 實(shí)驗(yàn)臺的搭建

圖15所示為液壓四足機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，它可被分為模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊和液壓集成模塊等。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制信號流程為：首先將軌跡規(guī)劃函數(shù)和逆運(yùn)動學(xué)求解程序?qū)懭牍た貦C(jī)，實(shí)際運(yùn)行時模擬量輸出模塊采集油源輸出流量和壓力以及液壓缸的位移信號；同時有兩路指令輸出，一路根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動軌跡規(guī)劃和負(fù)載預(yù)測得到供油流量并輸出至油源電機(jī)控制器，控制油源輸出流量；另一路通過對液壓缸的位置反饋信號運(yùn)算得到伺服閥的控制信號，輸出至伺服閥驅(qū)動器，控制液壓缸的運(yùn)動。

圖15 液壓四足機(jī)器人硬件系統(tǒng)

4.4.2 實(shí)驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證流量自適應(yīng)控制的可行性，對液壓四足機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于圖9的變流量供油控制策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究其流量裕量為2 L/min時的控制性能和節(jié)能效果，圖16所示為變流量供油系統(tǒng)的位置跟蹤曲線。

圖16 變流量供油系統(tǒng)的位置跟蹤曲線

利用數(shù)據(jù)采集模塊采集供油流量，得到流量曲線如圖17所示，并計(jì)算兩個周期內(nèi)系統(tǒng)能量消耗。分析圖17可知：變流量控制策略的流量變化曲線相對仿真存在一定的差異，其原因可能是仿真模型與實(shí)際模型存在的差異以及供油流量計(jì)算誤差造成的。

圖17 流量曲線

變流量供油系統(tǒng)的能量消耗為

(6)

其相對于恒流量供油系統(tǒng)的節(jié)能效率為

(7)

通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)采用變流量供油控制策略在保證機(jī)器人控制性能的基礎(chǔ)上，具有不錯的節(jié)能效果，其節(jié)能效率相對于傳統(tǒng)的恒流量供油系統(tǒng)提高了56.51%。

5 總結(jié)

以實(shí)際液壓四足機(jī)器人樣機(jī)為研究對象，針對機(jī)器人油源采用恒流供能方式的情況下能量利用低的問題，結(jié)合該領(lǐng)域現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀，在機(jī)器人Trot步態(tài)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，運(yùn)用流量自適應(yīng)控制策略進(jìn)行研究。

(1)針對機(jī)器人負(fù)載能量利用低的問題，提出變流量動態(tài)供油策略，介紹油源的的變流量控制基本原理。

(2)經(jīng)過負(fù)載預(yù)測再結(jié)合閥控缸的數(shù)學(xué)模型推算出液壓四足機(jī)器人實(shí)時供油流量。

(3)通過AMESim仿真及機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了流量自適應(yīng)控制的有效性，其節(jié)能效率相比于恒流量供能系統(tǒng)提高了56.51%。