液壓四足機器人伺服閥驅動電路設計

摘 要： 隨著機器人應用的擴展，液壓四足機器人作為一種特種機器人，因其高度的機動性和大負載能力而受到人們的高度重視。在液壓系統中，閥控動力系統通過控制伺服閥來調節流入執行元件中的液壓油流量，從而控制液壓執行元件。事實上，由于控制輸入信號一般比較微弱，因此控制輸入信號需要利用控制放大器處理和功率放大后才能用于控制伺服閥工作。提出了一種伺服閥驅動電路的設計方案，該驅動電路同時驅動一條腿的三個伺服閥工作，通過Multisim進行仿真分析后，研制了電路板。最后利用半實物仿真設備搭建測試系統的控制模型，并經該驅動板進行功率放大，結果表明該驅動電路運行穩定可靠，滿足了設計要求。

關鍵詞： 四足機器人； 液壓驅動； 功率放大； 半實物仿真

中圖分類號： TN710?34； TP242.6 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0157?03

0 引 言

近幾十年來，機器人技術得到了迅速的發展，盡管大多數移動機器人都偏向于選用電動機作為驅動裝置，但電氣驅動的機器人承受大負載的能力較差是一個不容忽視和亟待解決的問題[1?2]。研究表明，采用液壓驅動可以使四足機器人具有較高的運動速度、較大的負載能力和超強的機動性能[3?5]。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動方式的四足仿生機器人BigDog[6?7]；國內山東大學研制的液壓四足機器人在負重和速度方面也取得了顯著進展，無負載時機器人能以1 m/s的速度實現相對較為穩定的對角步態行走，負重80 kg左右時可實現速度為0.4 m/s的對角步態行走[8?9]。本文所涉及的四足步行機器人也是依靠液壓進行驅動的。整個液壓四足機器人的結構由機身和結構完全相同的四條步行腿構成，四條步行腿完全對稱分布，圖1為機器人的機構簡圖。

四足機器人的每條步行腿有三個自由度，1號旋轉關節實現腿的橫向運動，2號和3號旋轉關節聯合實現腿的側向運動和定位，可以驅動機器人的前進和后退，每個關節都是由一個液壓缸的伸縮來實現控制。電液伺服閥進行電液轉換的同時進行功率放大，進而控制液壓缸的動作，具有控制精度高、響應快的優點，而且伺服閥的重量輕、體積小、容易控制和固定等，該驅動電路適用的四足機器人的12個關節都選擇了閥控動力系統進行驅動。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。

伺服閥中力矩馬達的電磁力矩與輸入電流成正比，可以推導出伺服閥的閥芯位移與輸入電流成正比，進一步推導出通過滑閥的流量與輸入電流成正比[9]。伺服閥的額定電流為40 mA，而控制系統通過輸出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換為對應的直流輸出信號以驅動伺服閥執行相應動作。

1 硬件設計

驅動電路有三條通道，可以同時驅動一條腿的三個伺服閥工作，將外部規劃好的步態數據轉變成相應的電壓值形成外部輸入信號，與關節角位移傳感器反饋的電壓值在控制器中產生控制信號，控制信號經過驅動電路的功率放大后控制伺服閥和液壓缸工作。伺服閥驅動電路的結構圖如圖2所示。

伺服閥驅動電路采用深度電流并聯負反饋，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對稱功放電路，以克服交越失真。圖3為單個關節驅動電路，在運算放大器TL084反相端輸入控制信號，輸出電流和輸入電壓反相；[R10]與[C7]用來提高電路的穩定性， 在有外部紋波信號耦合進入系統時還承擔了低通濾波的作用；[R11]與[R12]構成電流深度負反饋；運算放大器后面的元器件組成甲乙類互補對稱功放電路；+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計要求。負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行仿真驗證，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，對數頻率特性曲線如圖5所示，橫坐標表示頻率，單位是Hz；縱坐標表示放大倍數的自然對數的20倍，單位為dB。

2 實驗驗證

利用Quarc半實物仿真設備測試驅動電路。Quarc半實物仿真設備包括DS1104接口板、QPID數據采集卡和QUARC仿真軟件包。QPID數據采集卡有8路A/D和8路D/A，可以同時對所有A/D、編碼器和數字I/O采樣，刷新D/A和數字I/O。圖6為單個關節半實物測試模型，qy2表示右前腿3號關節驅動電路輸入信號，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號關節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。

測試結果如圖7所示，液壓泵的輸出壓強為7 MPa，右前腿3號關節的輸入測試信號為1～4 V，頻率為0.1 Hz的正弦波，實線表示輸入信號，虛線表示關節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。由于裝配的關節角位移傳感器存在機械間隙，反饋曲線出現頂端削平現象。液壓缸進出油管口比較細，導致連接液壓缸的油管比較細從而出現截流現象以及足端腳掌的重力作用，導致反饋曲線出現略微滯后現象。

3 結 語

液壓足式機器人的應用范圍相當廣泛，詳細敘述了電液伺服閥功率放大器的設計原理、過程以及測試結果，實現將微弱的控制信號功率放大。試驗結果表明該驅動電路運行穩定可靠，在以后的設計中可以改進機械設計最終達到減小甚至消除機械間隙，同時改進油管與液壓缸的連接方式，減小截流現象。

參考文獻

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