基于液压SEA的仿生机器人驱动器设计研究

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1、学兔兔www.xuetutu.com基于液压SEA的仿生机器人驱动器设计研究ThedesignandanalysisofbionicrobotdrivesystembasedonhydraulicSEA杜挺豪’，韩莉莉’，宁神’，罗健文，杜婷婷’DUTing．hao。，HANLi．1j，NINGY_1'LUOJian-wen。DUTing．ting’(1．河南工业大学机器人研究所，郑州450007；2．哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨150080)摘要：根据液压串联弹性驱动器(以下简称液压SEA)驱动仿生机器人关节的需要，设计了一种新型驱动器，其驱动电路采用三级控制结构和深度电流负反馈技

2、术。阐述了驱动器的设计原理和动态特性分析，并对制作的驱动器物理系统进行了性能测试。结果表明，驱动器输出负载电流稳定，线性度好，响应速度快，满足设计要求。关键词：仿生机器人；液压SEA；驱动器；深度电流负反馈中图分类号：TP273；TP242文献标识码：A文章编号：1009-0134(2016)03—0053—040引言重载仿生机器人需要较大的负载能力和驱动力矩，其驱动方式的选择非常重要。电机驱动的功率密度低，一．．．．．．．．．．．．．．．．．．一广；●●．一负载能力小，满足不了这类机器人的需要；而液压驱动以其功率密度高，响应速度快和负载能力强的优越性能受到了工程界的青睐。目前国内外已经出

3、现了一些采用液压驱动的仿生机器人系统。如美国波士顿动力公司研制的阿特拉斯、大狗机器人与国内山东大学研制的液压驱动机器人在这方面具有代表性。腿形机器人在行走的过程中，脚部与地面直接接触，承受一定的冲击载荷，需要具有一定的柔性。为了适应这种需求，采用SEA是一个不错的技术途径。采用电机驱动的SEA的研究工作已有不少，但是采用液压SEA驱动的仿生机器人还鲜有报道。本文主要设计用于驱动液压SEA的仿生机器人驱动器。—．⋯⋯⋯J1系统结构与技术要求图1液压SEA驱动器结构研究的驱动器主要用于液压SEA驱动的仿生机器人。该驱动器作为仿生机器人的重要执行部分，除了要3％；4)驱动器的频带度应大于400H

4、z，以适应电液伺求输出功率大、动、静态性能好，还要具有线性度好、服阀的高频响应；5)采用24V单电源供电，满足各个响应速度快、频带宽等特点[1]。特别对于液压驱动的仿模块的供电要求。生机器人来说，要尽量减少液压管线的分布，减轻仿生机器人的重量。设计的驱动器要满足轻量化、小型化的2电气特性分析要求，易于与液压SEA集成。液压SEA驱动器的结构如电液伺服阀在长时间连续工作后会产生很高的温图1所示。升。受温度变化的影响，线圈的电阻值产生高达30％的液压SEA驱动器应满足以下技术参数：1)输变化曙。采用深度电流负反馈技术，可以抑制负载线圈入的电压范围为1OVa+1OV；2)输出的电流范围电阻变化对

5、输出电流的影响，消除阀线圈阻抗变化引起为．40mA~+40mA；3)驱动器的线性度误差要小于阀的增益变化和相位滞后。收稿日期：2015-11-28基金项目：国家863计划支持项目(2014AA1329)作者简介：杜挺豪(1990一)，男，河南许昌人，硕士研究生，主要从事机器人控制系统的研究工作。第38卷第3期2016-03[531学兔兔www.xuetutu.comAu电气转折频率：1R+，．T(5)在实验中，若采用电压负反馈，其等效内阻r0，此时的转折频率很低，会使系统的频率响应受到的图2驱动器等效电路限制口。当采用深度电流负反馈时，可以使等效内阻r增大，从而增大系统的电气转折频率，提高

6、系统的动当采用深度电流负反馈时，为了方便分析，可以将态特性。驱动器用图2所示的等效电路来表示。其中，u为放大器输入控制电压，Au为经过放大器3电路设计及相关计算放大后的电压，R、L分别为负载电阻和电感，r为等效本文设计的驱动器电路采用三级控制结构：前置内阻，i为负载电流。级、电压跟随级和功率放大级。前置级主要将输入信号由基尔霍夫定律可得：放大；电压跟随级主要是隔离前后两级：功率放大级采_f(R斗(1)用深度电流负反馈技术驱动电液伺服阀，提高驱动器的动态特性。取拉式反变换得：驱动器电路原理图如图3所示。Au(s)=(R+r)i(s)+sLi(s)(2)当不考虑调零电路的作用时，根据运算放大器

7、的虚即：短和虚断原理，通过放大器U可得：)AAUin一面而一面(3)足=见(6)其中，时问常数：式(6)进行整理可得：R4—nR+—r(4)Ul~--×心(7)图3驱动器电路原理图【54】第38卷第3期2016—03学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com