分析数字液压驱动技术在仿生足式机器人中的应用

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1、2015年2月机械设计与制造工程Feb．2015第44卷第2期MachineDesignandManufacturingEngineeringV0J．44No．2DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．02．014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710072)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

2、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：TP224文献标识码：A文章编号：2095—509X(2015)02—0056—03仿生足式机器人¨与轮式和履带式机器人1数字液压驱动技术相比，具有更强的环境感知和地形适应能力，可以数字液压简单来说是将液压元件直接数字化，相对容易地跨过比较大的障碍，在战地、反恐、抢险通过接收数字控制器发出的脉冲信号和计算机发救援、空问探索、危险环境作业等场合有广泛的应出

3、的脉冲信号，实现可靠工作。一般来讲，数字用前景和显著的优势，已成为机器人学中一个引人液压元件包括数字泵、数字阀、数字液压缸和数字注目的研究领域，各国都投人大量的经费和人员进液压马达。行研究。由于机器人主要适合工作在人所不及的1．1数字液压的特点和优势外部环境或危险场所，在携带的能源有限的情况a．输出流量量化。下，搭载更多设备和延长自主连续工作时间就显得数字液压能根据液压执行器的速度需要，通过尤为重要，如何提高驱动系统的能量效率，从而增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。加平台承载能力和自主连

4、续工作时间就成为了关b．反应时间短。注的焦点。其系统的反应时间主要取决于简单单向阀的目前仿生足式机器人的驱动系统一般采用电反应时间，反应时间短。动、气动、传统液压或其组合形式J。电动驱动系c．冗余度高。统由于其技术先进性和低廉的价格而成为机器人并联单向阀的结构方式具有较大的冗余性，单领域中最常见的驱动器，但存在输出功率小、减速个单向阀故障只会降低驱动系统的性能，而不会导齿轮等传动部件容易磨损的问题。相对电动驱动致系统完全失效，冗余度高。系统，传统液压驱动系统具有较高的输出功率、高数字液压输出流量量化、响应时间短、容错能带宽、快响应以及一定程度

5、上的精准性。因此，仿力强的特性，使其具有能量效率高、反应速度快、任生足式机器人在大功率的应用场合下一般采用液务可靠性高的优势。压驱动，但传统液压驱动存在能量效率较低的问1．2数字液压的研究现状题，影响了仿生足式机器人承载能力和自主连续工芬兰坦佩雷技术大学对数字液压的基本原理、作时间，进而限制了仿生足式机器人的使用范围。实现方法、自身特性进行了分析，并对其应用领域因此，研究和设计高能量效率的机器人关节驱动系和面临的挑战进行了介绍-5]。国内研究机构如统具有十分重要的理论和现实意义。浙江大学6_、海军工程大学等对数字液压的研收稿日期：20l5一O

6、1—27基金项目：国家自然科学基金资助项15(51275413)作者简介：白品(1978一)，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。·56·2015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、数字缸等液压元件然后髋关节和膝关节的执行器伸长或缩短，增加或的基本原理、功能实现上。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2仿生足式机器人数字液压驱动原理及实的地形。现2．3系统组成及工作原理与传统伺服液压相比

7、，数字液压输出流量量化由于仿生足式机器人4条腿具有相同的结构，的特性使其具有较高的能量效率。采用数字液压所以本文只对其中一条腿的情况进行研究。图3驱动，能显著增加仿生足式机器人负载能力和自主所示为所设计的基于数字流量控制单元的液压驱连续工作时间，拓展其应用范围和提高完成多样化动系统，主要由封闭式油箱、液压泵、溢流阀、流量任务的能力。考虑到与传统液压元器件的兼容性，指示器、蓄能器、三位数字流量控制单元、数字液压本文主要采用基于数字流量控制单元的液压驱动缸、单向节流阀和高压过滤器等组成。在系统中，方法。电磁溢流阀仅作为安全阀使用；单向阀用于防止高

8、2．1数字流量控制单元压油回流；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数字流量控制单元(DFCU)是将数字双向阀并行连接起来