液壓四足機(jī)器人伺服閥驅(qū)動電路的構(gòu)建模型

　　引 言

　　近幾十年來，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，盡管大多數(shù)移動機(jī)器人都偏向于選用電動機(jī)作為驅(qū)動裝置，但電氣驅(qū)動的機(jī)器人承受大負(fù)載的能力較差是一個(gè)不容忽視和亟待解決的問題。研究表明，采用液壓驅(qū)動可以使四足機(jī)器人具有較高的運(yùn)動速度、較大的負(fù)載能力和超強(qiáng)的機(jī)動性能。目前國外最具有代表性的是由美國波士頓動力公司研制的基于液壓驅(qū)動方式的四足仿生機(jī)器人BigDog;國內(nèi)山東大學(xué)研制的液壓四足機(jī)器人在負(fù)重和速度方面也取得了顯著進(jìn)展，無負(fù)載時(shí)機(jī)器人能以1 m/s的速度實(shí)現(xiàn)相對較為穩(wěn)定的對角步態(tài)行走，負(fù)重80 kg左右時(shí)可實(shí)現(xiàn)速度為0.4 m/s的對角步態(tài)行走。本文所涉及的四足步行機(jī)器人也是依靠液壓進(jìn)行驅(qū)動的。整個(gè)液壓四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)由機(jī)身和結(jié)構(gòu)完全相同的四條步行腿構(gòu)成，四條步行腿完全對稱分布，圖1為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡圖。

　　四足機(jī)器人的每條步行腿有三個(gè)自由度，1號旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)腿的橫向運(yùn)動，2號和3號旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)腿的側(cè)向運(yùn)動和定位，可以驅(qū)動機(jī)器人的前進(jìn)和后退，每個(gè)關(guān)節(jié)都是由一個(gè)液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)控制。電液伺服閥進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行功率放大，進(jìn)而控制液壓缸的動作，具有控制精度高、響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)，而且伺服閥的重量輕、體積小、容易控制和固定等，該驅(qū)動電路適用的四足機(jī)器人的12個(gè)關(guān)節(jié)都選擇了閥控動力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動。電液伺服閥選擇FF系列電液伺服閥中的 FF101，是一種高性能、力反饋、雙噴檔的流量控制閥。

　　伺服閥中力矩馬達(dá)的電磁力矩與輸入電流成正比，可以推導(dǎo)出伺服閥的閥芯位移與輸入電流成正比，進(jìn)一步推導(dǎo)出通過滑閥的流量與輸入電流成正比。伺服閥的額定電流為40 mA，而控制系統(tǒng)通過輸出0～5 V的模擬電壓信號控制伺服閥，因此需要將電壓信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的直流輸出信號以驅(qū)動伺服閥執(zhí)行相應(yīng)動作。

　　1、硬件設(shè)計(jì)

　　驅(qū)動電路有三條通道，可以同時(shí)驅(qū)動一條腿的三個(gè)伺服閥工作，將外部規(guī)劃好的步態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的電壓值形成外部輸入信號，與關(guān)節(jié)角位移傳感器反饋的電壓值在控制器中產(chǎn)生控制信號，控制信號經(jīng)過驅(qū)動電路的功率放大后控制伺服閥和液壓缸工作。伺服閥驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

　　伺服閥驅(qū)動電路采用深度電流并聯(lián)負(fù)反饋，以消除閥線圈阻抗變化引起閥的增益變化和相位滯后[10]。功率放大部分采用甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路，以克服交越失真。圖3為單個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動電路，在運(yùn)算放大器TL084反相端輸入控制信號，輸出電流和輸入電壓反相;[R10]與[C7]用來提高電路的穩(wěn)定性， 在有外部紋波信號耦合進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)還承擔(dān)了低通濾波的作用;[R11]與[R12]構(gòu)成電流深度負(fù)反饋;運(yùn)算放大器后面的元器件組成甲乙類互補(bǔ)對稱功放電路;+V接+15 V電壓輸入端，-V接-15 V電壓輸入端。圖3中功率晶體管選用D1760，B1184，其中D1760為NPN型晶體管，B1184為PNP型晶體管。[I]為輸入電流， [Iout]為輸出電流，其理論值為：

　　[Iout=-1+R12R11I=-501I] (1)

　　最大輸出電流為50.1 mA，大于伺服閥的額定電流滿足設(shè)計(jì)要求。負(fù)載上可獲得的最大功率為：

　　[pom=(V-UCES)22RL] (2)

　　式中：[V]為電源電壓;[UCES]為晶體管的飽和管壓降;一般[UCES]為2 V;[RL]為伺服閥線圈的電阻值，理論計(jì)算輸出最大功率為1.69 W。

　　利用Multisim軟件中的頻率特性測試儀和雙通道示波器進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真輸入幅值為5 V，頻率為1 Hz的正弦波;輸出電壓幅值為3.560 V，頻率為1 Hz的正弦波，仿真輸入輸出信號如圖4所示。在[R10]與[C7]低通濾波的作用下，電路的截止頻率為740 Hz，能有效濾去高頻干擾信號，對數(shù)頻率特性曲線如圖5所示，橫坐標(biāo)表示頻率，單位是Hz;縱坐標(biāo)表示放大倍數(shù)的自然對數(shù)的20倍，單位為dB。

　　2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　利用Quarc半實(shí)物仿真設(shè)備測試驅(qū)動電路。Quarc半實(shí)物仿真設(shè)備包括DS1104接口板、QPID數(shù)據(jù)采集卡和QUARC仿真軟件包。QPID 數(shù)據(jù)采集卡有8路A/D和8路D/A，可以同時(shí)對所有A/D、編碼器和數(shù)字I/O采樣，刷新D/A和數(shù)字I/O。圖6為單個(gè)關(guān)節(jié)半實(shí)物測試模型，qy2表示右前腿3號關(guān)節(jié)驅(qū)動電路輸入信號，其余液壓缸的電壓值均為2 V，使其他液壓缸保持在某一位置;Qy2表示右前腿3號關(guān)節(jié)角位移傳感器的反饋信號，可以通過Quarc保存在Matlab工作空間中。

　　測試結(jié)果如圖7所示，液壓泵的輸出壓強(qiáng)為7 MPa，右前腿3號關(guān)節(jié)的輸入測試信號為1～4 V，頻率為0.1 Hz的正弦波，實(shí)線表示輸入信號，虛線表示關(guān)節(jié)角位移傳感器反饋信號。反饋信號最大值為4.020 V，最小值為1.066 V，相位滯后0.141 rad。由于裝配的關(guān)節(jié)角位移傳感器存在機(jī)械間隙，反饋曲線出現(xiàn)頂端削平現(xiàn)象。液壓缸進(jìn)出油管口比較細(xì)，導(dǎo)致連接液壓缸的油管比較細(xì)從而出現(xiàn)截流現(xiàn)象以及足端腳掌的重力作用，導(dǎo)致反饋曲線出現(xiàn)略微滯后現(xiàn)象。

　　3、結(jié)束語

　　液壓足式機(jī)器人的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，詳細(xì)敘述了電液伺服閥功率放大器的設(shè)計(jì)原理、過程以及測試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)將微弱的控制信號功率放大。試驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)動電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在以后的設(shè)計(jì)中可以改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)最終達(dá)到減小甚至消除機(jī)械間隙，同時(shí)改進(jìn)油管與液壓缸的連接方式，減小截流現(xiàn)象。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 張濤.機(jī)器人引論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

　　[2] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芳，等.四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及展望[J].制造業(yè)自動化，2009，31(2)：4?6.

　　[3] 閆偉亮，盧剛，李聲晉，等.液壓作動的四足機(jī)器人動力學(xué)分析及運(yùn)動仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26(10)：31?33.

　　[4] 朱學(xué)彪.液壓驅(qū)動四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，5(10)：176?178.

　　[5] 張鵬翔，廖啟征，魏世民，等.液壓驅(qū)動的四足機(jī)器人控制系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動，2011(1)：29?31.

　　[6] MARC R， KEIVN B， GABRIEL E， et al. BigDog the rough?terrain quadruped robot [C]// Proceedings of the17th World Congress of The International Federation of Automation Control. Seoul， Korea： 2008， 7： 10822?10825.

　　[7] WOODEN D， MALCHANO M， BLANKESPOOR K， et al. Autonomous navigation for BigDog [C]// Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. Anchorage， USA： 2010， 5： 473

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