数字液压驱动技术在仿生足式机器人中的应用.pdf

2 0 1 5年 2月 第 4 4卷 第 2期 机械设计与制造工程 Ma c h i n e De s i g n a n d Ma n u f a c t u r i n g E n g i n e e r i n g Fe b． 2 01 5 V0 J ． 4 4 No ． 2 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 2 0 9 55 0 9 X． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 4 数 字液压驱动技术在仿生足式机器人 中的应用 白 晶， 秦现生， 伍彬艺 西北工业大学 机电学院， 陕西 西安7 1 0 0 7 2 摘要 仿生足式机器人关节普遍采用传统液压驱动方式， 由于其能量效率不高， 无法满足机 器人 高负载能力和 自主连续工作 时间的应用要 求。在对机器人 关节运动进行 分析的基础 上， 提 出了 一 种基于数字液压 的关节驱动 系统 的实现方法， 并对其所 需流量和能量效率进行 分析和仿真。 结果表明 与传统液压相比， 数字液压能减 少关节驱动 系统所需流量， 从而提高能量效率。 关键词 仿生足式机器人； 关节驱动 ； 数字液压 ； 能量效率 中图分类号 T P 2 2 4 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 0 9 X 2 0 1 5 0 2 0 0 5 6 0 3 仿生足式机器人 与轮式 和履带式机器人 相比， 具有更强的环境感知和地形适应能力 ， 可 以 相对容易地跨过比较大的障碍 ， 在战地 、 反恐 、 抢险 救援 、 空问探索 、 危险环境作业等场合有广泛 的应 用前景和显著的优势 ， 已成为机器人学中一个引人 注 目的研究领域 ， 各国都投人大量的经费和人员进 行研究。由于机器人主要适合工作在人所不及 的 外部环境或危险场所 ， 在携带 的能源有 限 的情况 下 ， 搭载更多设备 和延长 自主连续工作时间就显得 尤为重要 ， 如何提高驱动系统的能量效率 ， 从而增 加平台承载能力和 自主连续工作 时间就成为 了关 注的焦点。 目前仿生足式机器人的驱动系统一般采用电 动 、 气动 、 传统液压或其组合形式 J 。电动驱动系 统由于其技术先进性和低廉的价格而成为机器人 领域中最常见的驱 动器 ， 但存在输 出功率小 、 减速 齿轮等传动部件容易磨损 的问题。相对 电动驱动 系统 ， 传统液压驱动系统具有较高 的输出功率 、 高 带宽、 快响应 以及一定程度上 的精准性 。因此 ， 仿 生足式机器人在大功率 的应用场合下一般采用液 压驱动 ， 但传 统液压驱动存 在能量效率较 低的问 题 ， 影响了仿生足式机器人承载能力和 自主连续工 作时间 ， 进而限制 了仿生足式机器人 的使用范围。 因此 ， 研究和设计高能量效率的机器人关节驱动系 统具有十分重要的理论和现实意义。 1 数 字液压 驱动技术 数字液压简单来说是将液压元件直接数字化 ， 通过接收数字控制器发出的脉冲信号和计算机发 出的脉冲信号 ，实现可靠工作。一般来讲 ，数字 液压元件包括数字泵 、 数字阀 、 数字液压缸和数字 液压 马达 。 1 ． 1 数 字液压 的特 点和优 势 a ． 输 出流 量量 化 。 数字液压能根据液压执行器的速度需要 ， 通过 对并联单 向阀的状态控制来调节输出流量 ， 其流量 输出量化 的特性能有效提高驱动装置的能量效率。 b ． 反应时间短。 其系统 的反应时 间主要取决于简单单向阀的 反应 时 间 ， 反应 时 间短 。 c ． 冗余度高。 并联单向阀的结构方式具有较大的冗余性 ， 单 个单 向阀故障只会降低驱动系统的性能 ， 而不会导 致系统完全失效 ， 冗余度高。 数字液压输出流量量化 、 响应时间短 、 容错能 力强的特性 ， 使其具有能量效率高 、 反应速度快、 任 务可靠性高的优势 。 1 ． 2数 字 液压 的研 究现 状 芬兰坦佩雷技术大学对数字液压的基本原理 、 实现方法 、 自身特性进行了分析 ， 并对其应用领域 和面临的挑战进行 了介绍 - 5 ] 。国内研究 机构如 浙 江大学 6 _ 、 海 军工程大学 等对数字液压的研 收稿 日期 2 0 l 5一O 1 2 7 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 15 5 1 2 7 5 4 1 3 作者简介 白品 1 9 7 8 一 ， 女， 廿肃白银人， 西北工业大学讲师， 博士， 主要研究方向为复杂机电产品模块化设计及智能数控系统模块化。 5 6 2 0 1 5年第 2期 白晶 数字 液压 驱动技术在仿生足式机器人 中的应 用 究主要集中在数字泵 、 数字 阀、 数 字缸等液压元件 的基本原理 、 功能实现上。 2 仿生足式机器 人数字 液压驱 动原理 及 实 现 与传统伺服液压相 比， 数字液压输出流量量化 的特性使其具有较高的能量效 率。采用数字液压 驱动 ， 能显著增加仿生足式机器人负载能力和 自主 连续工作时间， 拓展其应用范围和提高完成多样化 任务的能力 。考虑到与传统液压元器件的兼容性 ， 本文主要采用基 于数字流量控制单元的液压 驱动 方法。 2 ． 1 数 字流量控制单元 数字流量控制单元 D F C U 是将数 字双 向阀 并行连接起来 ， 其流通面积是所有 阀的流通面积之 和 ， 其原理图如 图 1所示。这样 ， 就可 以通过改变 每个双 向阀的状态来调节数字流量控制单元 的流 通面积， 从而改变流量。如采用二进制编码 ， 阀的 流通面积成倍数关系 ， 由 Ⅳ个并行连接 的阀组成的 数字流 量控制 单元 有 2 个状 态 ， 其最 大流 量为 2 一 1 ， 流量变化最小 为 1 。三位流量控制单元 的 流量输出如图 2所示。 图 1 数 字流量控制单元 原理图 图 2 数字流量控制 单元 流量输 出图 2 ． 2 仿 生足 式 机 器人 运 动 分析 仿生足式机器人 的每条腿包含 3个 自由度 髋 关节旋转 、 髋关节 的伸缩 、 膝关节的伸缩 。当机器 腿运动时 ， 执行器带动髋关节旋转 到一定 的角度 ， 然后髋关节和膝关节的执行器伸长或缩短 ， 增加或 减小髋关节和膝关节的角度。通过对 3个执行器 的协同控制 ， 仿生足式机器人能够动态地适应变化 的地形 。 2 ． 3系统 组成及 工作原 理 由于仿生足式机器人 4条腿具有相同的结构 ， 所 以本文只对其 中一条腿的情况进行研究。图 3 所示为所设计的基于数字流量控 制单元 的液压驱 动系统 ， 主要 由封闭式油箱 、 液压泵 、 溢流 阀、 流量 指示器 、 蓄能器 、 三位数字流量控制单元、 数字液压 缸 、 单向节流阀和高压过滤器等组成。在系统中 ， 电磁溢流阀仅作为安全阀使用 ； 单 向阀用于防止高 压油回流； 蓄能器吸收压力脉动并起到能量调节 的 作用 ， 以补偿 由于泵源惯性大而造成的流量匹配延 迟 ； 高压过滤器防止油液中的杂质进入系统工作 回 路 ； 流量指示器压力传感器对系统状态进行监测和 预警 。基于数字流量控制单元 的液压关节驱动技 术的原理是 泵产生的压力油经过数字流量控制单 元到达液压油缸和马达 ， 驱动负载作直线运动和旋 转运动 ， 压力油再经单 向阀、 高压过滤器流回油箱 。 液压缸的压力取决于负载所受载荷 ， 液压缸的速度 调节可以通过对数字流量单元的控制来实现 。 图 3 仿 生足 式机 器 人 机 器 腿 液 压 驱 动 系统 原 理 图 3 能量效 率分 析仿真 建立 机器腿 的运动模 型， 采用 A ME S I M 软件 分别对采用传统伺 服液压驱动 系统和基于数字流 量控制单元的液压驱动系统所需 的流量和能量效 率进行分析。机器腿的一次伸长 和收缩作为一个 运动周期 ， 以 5 0个运动周期所需 的平均流量值作 为试验数据。从得到的实验数据可知 ， 与采用传统 伺服液压相 比， 数字液压所需流量减少 了4 0 ％。 液压驱动系统 的输出功率是压力和输 出流量 的函数。为了计算液压系统的能量效率 卵， 画出 了 基本的液压系统组成 图 图 4 。 其中 P 是泵的输 出压力 ， Q 是泵 的输 出流量 ； Q 是流入 阀系统 的 - 57 2 0 1 5年第 4 4卷 机械设计与制造工程 流量 ； P ， Q 。 为负载的压力和流量 ； P ， Q 。 为液压 缸活塞一侧的压力和流量 ， P ， Q 为液压缸杆侧的 压 力和 流量 。 P 图 4基 本 液 压 系统 示 意 图 求解液压 系统能量效率公式为 r r J P L Q L d t 叼 一 l P s Q s v d t 尸 Q 。Q 2 d J P Q 一Q d t 0 1 Q Q 。 Q 。 PL Pl P2 Q Q 一Q 根据前面得到的所需流量数据对 比关 系和上 面的推导公式可知， 仿生足式机器人关节驱动系统 采用数字液压能大大提高系统的能量效率。 4 结束语 通过采用数字流量控制单元 ， 设计实现了仿生 足式机器人关节驱动系统 ， 对其组成和工作原理进 行了介绍 ， 并通过实验和仿真对该系统的流量和能 量效率进行了分析 。得到的数据表明 相对传统伺 服液压系统 ， 在仿生足式机器人关节驱动中采用数 字液压 ， 能有效提高驱动系统 的能量效率 ， 从而拓 展其应用范围。 参考文献 [ 1 ] 吉爱 红， 戴振东 ， 周来水．仿生机器人 的研 究进展 [ J ] ．机器 人 ， 2 0 0 5 ， 2 7 3 2 8 4 2 8 8 ． [ 2] S t i h n a n M， O l s o n J ， G l o s s W．D y n a mi c a l l y s t a b l e h u ma n o id r o - b o t f o r m o b i l e ma n i p u l a t i o n [ C] ／ ／ P r o c e e d i n g s o f t h e 2 0 0 7 I E E E I n t e r n a t i o n al Co n f e r e n c e o n Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n ．At l a n t a US A Ro b o t i c s a n d Au t o ma t i o n， 2 01 0 21 12 1 5 ． [ 3 ] 杨明 ， 王宏佳 ， 杨炀 ， 等．仿人机器人关节驱 动微型伺服系统 [ J ] ．电气传动 ， 2 0 1 1 ， 4 1 1 0 4 95 4 ． [ 4 ] Ma r n e r W．Mo d e rn c o n c e p t for t h e d i g i t a l c o n t r o l o f h y d r a u l i c g e a r s [ J ] ．C o m p u t e r A p p l i c a t i o n s i n t h e A u t o m o t i v e I n d u s t ／ A d v a n c e d C o n t r o l i n A u t o m o t i v e T e c h n o l o g y ，1 9 8 9 ，6 2 4 3 3 4 5 5 ． [ 5 ] P l o n e c k i L， T r a mp c z y n s k i W ， C e n d r o w i c z J．A c o n c e p t o f d i g i t a l c o n t r o l s y s t e m t o a s s i s t t h e o p e r a t o r o f h y d r a ul i c e x c a v a t o r s [ J ] ．Au to m a t i o n i n C o n s t r u c t i o n ， 1 9 9 8， 7 5 4 0 1 4 1 1 ． [ 6 ] 张斌 ， 徐兵 ， 杨华勇 ， 等．基于虚拟样 机技术的数字式 柱塞泵 控制特性研究 [ J ] ．浙江大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 4 1 1 6 ． [ 7 ] 陈佳 ， 邢继峰 ， 曾晓华．一 体化数 字液压 作动器测 控 系统 设 计 [ J ] ．液压与气 动， 2 0 1 4 7 6 46 8 ． Th e i m p l i c a t i o n o f di g i t a l h y dr a u l i c dr i v e t e c hn o l o g y i n b i o n i c l e g g e d r o b o t B A I J i n g ， Q I N X i a n s h e n g ， wu B i n y i N o r t h w e s t e r n P o l y t e c h n i c a l U n i v e r s i t y ， S h a a n x i X i h n ， 7 1 0 0 7 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c d ri v e m e t h o d i s g e n e r a l l y u s e d i n b i o n i c r o b o t j o i n t ．I t s e n e r g y e ffic i e n c y i s l o w，a n d u n a b l e f o r me e t i n g t he a p p l i c a t i o n r e q u i r e me n t s o f r o b o t hi g h l o a d c a p a c i t y a n d l o n g c o n t i n u o us wo r k i n g t i m e i n d e p e n d e n t ．I t a n a l y z e s t h e j o i n t m o t i o n o f b i o n i c l e g g e d r o b o t ， p r e s e n t s a m e t h o d t o r e a l i z e t h e j o i n t d r i v i n g s y s t e m t h r o u g h t h e u s e o f d i g i t a l h y d r a u l i c，a n d s i mu l a t e s t h e r e qu i r e d flo w a n d e n e r gy e ffic i e n c y o f t h i s s y s t e m，c o mp a r e s wi t h t h e t r a d i t i o n a l h y d r a u l i c d r i v i n g s y s t e m． Th e r e s ul t s h o ws t h a t t h e d i g i t a l h y d r a u l i c c a n r e d u c e flo w r a t e r e q u i r e d a nd i mpr o v e t he e n e r g y e f fic i e n c y ． Ke y w o r d s b i o n i c l e g g e d r o b o t ； j o i n t d ri v i n g ； d i g i t a l h y d r a u l i c ； e n e r gy e ffic i e n c y 5 8