液壓四足機器人伺服閥驅動(dòng)電路的構建模型
引 言
近幾十年來(lái)，機器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，盡管大多數移動(dòng)機器人都偏向于選用電動(dòng)機作為驅動(dòng)裝置，但電氣驅動(dòng)的機器人承受大負載的能力較差是一個(gè)不容忽視和亟待解決的問(wèn)題。研究表明，采用液壓驅動(dòng)可以使四足機器人具有較高的運動(dòng)速度、較大的負載能力和超強的機動(dòng)性能。目前國外最具有代表性的是由美國波士頓動(dòng)力公司研制的基于液壓驅動(dòng)方式的四足仿生機器人BigDog;國內山東大學(xué)研制的液壓四足機器人在負重和速度方面也取得了顯著(zhù)進(jìn)展，無(wú)負載時(shí)機器人能以1 m/s的速度實(shí)現相對較為穩定的對角步態(tài)行走，負重80 kg左右時(shí)可實(shí)現速度為0.4 m/s的對角步態(tài)行走。本文所涉及的四足步行機器人也是依靠液壓進(jìn)行驅動(dòng)的。整個(gè)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(chēng)分布，圖1為機器人的機構簡(jiǎn)圖。
四足機器人的每條步行腿有三個(gè)自由度，1號旋轉關(guān)節實(shí)現腿的橫向運動(dòng)，2號和3號旋轉關(guān)節聯(lián)合實(shí)現腿的側向運動(dòng)和定位，可以驅動(dòng)機器人的前進(jìn)和后退，每個(gè)關(guān)節都是由一個(gè)液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現控制。電液伺服閥進(jìn)行電液轉換的同時(shí)進(jìn)行功率放大，進(jìn)而控制液壓缸的動(dòng)作，具有控制精度高、響應快的優(yōu)點(diǎn)，而且伺服閥的重量輕、體積小、容易控制和固定等，該驅動(dòng)電路適用的四足機器人的12個(gè)關(guān)節都選擇了閥控動(dòng)力系統進(jìn)行驅動(dòng)。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(jìn)一步推導出通過(guò)滑閥的流量與輸入電流成正比。伺服閥的額定電流為40 mA，而控制系統通過(guò)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(dòng)伺服閥執行相應動(dòng)作。
1、硬件設計
驅動(dòng)電路有三條通道，可以同時(shí)驅動(dòng)一條腿的三個(gè)伺服閥工作，將外部規劃好的步態(tài)數據轉變成相應的電壓值形成外部輸入信號，與關(guān)節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(guò)驅動(dòng)電路的功率放大后控制伺服閥和液壓缸工作。伺服閥驅動(dòng)電路的結構圖如圖2所示。
伺服閥驅動(dòng)電路采用深度電流并聯(lián)負反饋，以消除閥線(xiàn)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(lèi)互補對稱(chēng)功放電路，以克服交越失真。圖3為單個(gè)關(guān)節驅動(dòng)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(lái)提高電路的穩定性， 在有外部紋波信號耦合進(jìn)入系統時(shí)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(lèi)互補對稱(chēng)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(mǎn)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(xiàn)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(jìn)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(xiàn)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(shí)驗驗證
利用Quarc半實(shí)物仿真設備測試驅動(dòng)電路。Quarc半實(shí)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(shí)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(gè)關(guān)節半實(shí)物測試模型，qy2表示右前腿3號關(guān)節驅動(dòng)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)節角位移傳感器的反饋信號，可以通過(guò)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(guān)節的輸入測試信號為1～4 V，頻率為0.1 Hz的正弦波，實(shí)線(xiàn)表示輸入信號，虛線(xiàn)表示關(guān)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(guān)節角位移傳感器存在機械間隙，反饋曲線(xiàn)出現頂端削平現象。液壓缸進(jìn)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(xiàn)出現略微滯后現象。
3、結束語(yǔ)
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(guò)程以及測試結果，實(shí)現將微弱的控制信號功率放大。試驗結果表明該驅動(dòng)電路運行穩定可靠，在以后的設計中可以改進(jìn)機械設計最終達到減小甚至消除機械間隙，同時(shí)改進(jìn)油管與液壓缸的連接方式，減小截流現象。
參考文獻
[1] 張濤.機器人引論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.
[2] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芳，等.四足步行機器人研究現狀及展望[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2009，31(2)：4?6.
[3] 閆偉亮，盧剛，李聲晉，等.液壓作動(dòng)的四足機器人動(dòng)力學(xué)分析及運動(dòng)仿真[J].機械設計，2009，26(10)：31?33.
[4] 朱學(xué)彪.液壓驅動(dòng)四足機器人機械結構設計[J].機械設計與制造，2010，5(10)：176?178.
[5] 張鵬翔，廖啟征，魏世民，等.液壓驅動(dòng)的四足機器人控制系統研究[J].液壓與氣動(dòng)，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
【液壓四足機器人伺服閥驅動(dòng)電路的構建模型】相關(guān)文章：
基于顧客價(jià)值的服務(wù)業(yè)顧客滿(mǎn)意驅動(dòng)模型研究11-20
經(jīng)濟型酒店市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的SWOT模型構建03-02
試論圖書(shū)館信息營(yíng)銷(xiāo)優(yōu)化組合模型構建03-10
旅游產(chǎn)業(yè)鏈構建完善度評價(jià)模型研究論文提綱11-16
語(yǔ)言教學(xué)中任務(wù)設計模型的構建和應用研究12-02
大學(xué)生創(chuàng )業(yè)素質(zhì)模型構建淺說(shuō)及培養路徑11-20
開(kāi)放大學(xué)工商管理類(lèi)專(zhuān)業(yè)的模型構建11-28
關(guān)于圖書(shū)館員工作滿(mǎn)意度回歸分析模型的構建03-05
- 相關(guān)推薦