液壓四足機器人伺服閥驅(qū)動電路設(shè)計

摘 要： 隨著機器人應(yīng)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(tǒng)中，閥控動力系統(tǒng)通過控制伺服閥來調(diào)節(jié)流入執(zhí)行元件中的液壓油流量，從而控制液壓執(zhí)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(qū)動電路的設(shè)計方案，該驅(qū)動電路同時驅(qū)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(shè)備搭建測試系統(tǒng)的控制模型，并經(jīng)該驅(qū)動板進行功率放大，結(jié)果表明該驅(qū)動電路運行穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 四足機器人； 液壓驅(qū)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(shù)得到了迅速的發(fā)展，盡管大多數(shù)移動機器人都偏向于選用電動機作為驅(qū)動裝置，但電氣驅(qū)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(qū)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(qū)動方式的四足仿生機器人BigDog[6?7]；國內(nèi)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(xiàn)相對較為穩(wěn)定的對角步態(tài)行走，負重80 kg左右時可實現(xiàn)速度為0.4 m/s的對角步態(tài)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(qū)動的。整個液壓四足機器人的結(jié)構(gòu)由機身和結(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為機器人的機構(gòu)簡圖。

四足機器人的每條步行腿有三個自由度，1號旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實現(xiàn)腿的橫向運動，2號和3號旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)合實現(xiàn)腿的側(cè)向運動和定位，可以驅(qū)動機器人的前進和后退，每個關(guān)節(jié)都是由一個液壓缸的伸縮來實現(xiàn)控制。電液伺服閥進行電液轉(zhuǎn)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(yīng)快的優(yōu)點，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器人的12個關(guān)節(jié)都選擇了閥控動力系統(tǒng)進行驅(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(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

驅(qū)動電路有三條通道，可以同時驅(qū)動一條腿的三個伺服閥工作，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(guān)節(jié)驅(qū)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(wěn)定性， 在有外部紋波信號耦合進入系統(tǒng)時還承擔了低通濾波的作用；[R11]與[R12]構(gòu)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(shè)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(shù)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(shù)的自然對數(shù)的20倍，單位為dB。

2 實驗驗證

利用Quarc半實物仿真設(shè)備測試驅(qū)動電路。Quarc半實物仿真設(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為單個關(guān)節(jié)半實物測試模型，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械間隙，反饋曲線出現(xiàn)頂端削平現(xiàn)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(xiàn)截流現(xiàn)象以及足端腳掌的重力作用，導致反饋曲線出現(xiàn)略微滯后現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

液壓足式機器人的應(yīng)用范圍相當廣泛，詳細敘述了電液伺服閥功率放大器的設(shè)計原理、過程以及測試結(jié)果，實現(xiàn)將微弱的控制信號功率放大。試驗結(jié)果表明該驅(qū)動電路運行穩(wěn)定可靠，在以后的設(shè)計中可以改進機械設(shè)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(xiàn)象。

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