白 晶， 秦现生， 伍彬艺

(西北工业大学 机电学院， 陕西 西安 710072)

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)

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。

仿生足式机器人;关节驱动;数字液压;能量效率

仿生足式机器人[1-2]与轮式和履带式机器人相比，具有更强的环境感知和地形适应能力，可以相对容易地跨过比较大的障碍，在战地、反恐、抢险救援、空间探索、危险环境作业等场合有广泛的应用前景和显著的优势，已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，各国都投入大量的经费和人员进行研究。由于机器人主要适合工作在人所不及的外部环境或危险场所，在携带的能源有限的情况下，搭载更多设备和延长自主连续工作时间就显得尤为重要，如何提高驱动系统的能量效率，从而增加平台承载能力和自主连续工作时间就成为了关注的焦点。

目前仿生足式机器人的驱动系统一般采用电动、气动、传统液压或其组合形式[3]。电动驱动系统由于其技术先进性和低廉的价格而成为机器人领域中最常见的驱动器，但存在输出功率小、减速齿轮等传动部件容易磨损的问题。相对电动驱动系统，传统液压驱动系统具有较高的输出功率、高带宽、快响应以及一定程度上的精准性。因此，仿生足式机器人在大功率的应用场合下一般采用液压驱动，但传统液压驱动存在能量效率较低的问题，影响了仿生足式机器人承载能力和自主连续工作时间，进而限制了仿生足式机器人的使用范围。因此，研究和设计高能量效率的机器人关节驱动系统具有十分重要的理论和现实意义。

1 数字液压驱动技术

数字液压简单来说是将液压元件直接数字化, 通过接收数字控制器发出的脉冲信号和计算机发出的脉冲信号, 实现可靠工作。一般来讲, 数字液压元件包括数字泵、数字阀、数字液压缸和数字液压马达。

1.1数字液压的特点和优势

a.输出流量量化。

数字液压能根据液压执行器的速度需要，通过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。

b.反应时间短。

其系统的反应时间主要取决于简单单向阀的反应时间，反应时间短。

c.冗余度高。

并联单向阀的结构方式具有较大的冗余性，单个单向阀故障只会降低驱动系统的性能，而不会导致系统完全失效，冗余度高。

数字液压输出流量量化、响应时间短、容错能力强的特性，使其具有能量效率高、反应速度快、任务可靠性高的优势。

1.2数字液压的研究现状

芬兰坦佩雷技术大学对数字液压的基本原理、实现方法、自身特性进行了分析，并对其应用领域和面临的挑战进行了介绍[4-5]。国内研究机构如浙江大学[6]、海军工程大学[7]等对数字液压的研究主要集中在数字泵、数字阀、数字缸等液压元件的基本原理、功能实现上。

2 仿生足式机器人数字液压驱动原理及实现

与传统伺服液压相比，数字液压输出流量量化的特性使其具有较高的能量效率。采用数字液压驱动，能显著增加仿生足式机器人负载能力和自主连续工作时间，拓展其应用范围和提高完成多样化任务的能力。考虑到与传统液压元器件的兼容性，本文主要采用基于数字流量控制单元的液压驱动方法。

2.1数字流量控制单元

数字流量控制单元(DFCU)是将数字双向阀并行连接起来，其流通面积是所有阀的流通面积之和，其原理图如图1所示。这样，就可以通过改变每个双向阀的状态来调节数字流量控制单元的流通面积，从而改变流量。如采用二进制编码，阀的流通面积成倍数关系，由N个并行连接的阀组成的数字流量控制单元有2N个状态，其最大流量为2N-1，流量变化最小为1。三位流量控制单元的流量输出如图2所示。

2.2仿生足式机器人运动分析

仿生足式机器人的每条腿包含3个自由度：髋关节旋转、髋关节的伸缩、膝关节的伸缩。当机器腿运动时，执行器带动髋关节旋转到一定的角度，然后髋关节和膝关节的执行器伸长或缩短，增加或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的地形。

2.3系统组成及工作原理

由于仿生足式机器人4条腿具有相同的结构，所以本文只对其中一条腿的情况进行研究。图3所示为所设计的基于数字流量控制单元的液压驱动系统，主要由封闭式油箱、液压泵、溢流阀、流量指示器、蓄能器、三位数字流量控制单元、数字液压缸、单向节流阀和高压过滤器等组成。在系统中，电磁溢流阀仅作为安全阀使用；单向阀用于防止高压油回流；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迟；高压过滤器防止油液中的杂质进入系统工作回路；流量指示器压力传感器对系统状态进行监测和预警。基于数字流量控制单元的液压关节驱动技术的原理是：泵产生的压力油经过数字流量控制单元到达液压油缸和马达，驱动负载作直线运动和旋转运动，压力油再经单向阀、高压过滤器流回油箱。液压缸的压力取决于负载所受载荷，液压缸的速度调节可以通过对数字流量单元的控制来实现。

3 能量效率分析仿真

建立机器腿的运动模型，采用AMESIM软件分别对采用传统伺服液压驱动系统和基于数字流量控制单元的液压驱动系统所需的流量和能量效率进行分析。机器腿的一次伸长和收缩作为一个运动周期，以50个运动周期所需的平均流量值作为试验数据。从得到的实验数据可知，与采用传统伺服液压相比，数字液压所需流量减少了40%。

液压驱动系统的输出功率是压力和输出流量的函数。为了计算液压系统的能量效率η，画出了基本的液压系统组成图(图4)。其中：PS是泵的输出压力，QS是泵的输出流量；QSV是流入阀系统的流量；PL，QL为负载的压力和流量；P1，Q1为液压缸活塞一侧的压力和流量，P2，Q2为液压缸杆侧的压力和流量。

求解液压系统能量效率公式为：

PL=P1-P2

QSV=QS-QL

根据前面得到的所需流量数据对比关系和上面的推导公式可知，仿生足式机器人关节驱动系统采用数字液压能大大提高系统的能量效率。

4 结束语

通过采用数字流量控制单元，设计实现了仿生足式机器人关节驱动系统，对其组成和工作原理进行了介绍，并通过实验和仿真对该系统的流量和能量效率进行了分析。得到的数据表明：相对传统伺服液压系统，在仿生足式机器人关节驱动中采用数字液压，能有效提高驱动系统的能量效率，从而拓展其应用范围。

[1] 吉爱红，戴振东，周来水. 仿生机器人的研究进展[J]. 机器人，2005，27(3):284 - 288.

[2]StilmanM,OlsonJ,GlossW.Dynamicallystablehumanoidrobotformobilemanipulation[C]//Proceedingsofthe2007IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.AtlantaUSA:RoboticsandAutomation,2010:211-215.

[3] 杨明，王宏佳，杨炀，等. 仿人机器人关节驱动微型伺服系统[J]. 电气传动，2011，41(10) :49-54.

[4]MarnerW.Modernconceptforthedigitalcontrolofhydraulicgears[J].ComputerApplicationsintheAutomotiveIndustry/AdvancedControlinAutomotiveTechnology, 1989, 6(2):433-455 .

[5]PloneckiL,TrampczynskiW,CendrowiczJ.Aconceptofdigitalcontrolsystemtoassisttheoperatorofhydraulicexcavators[J].AutomationinConstruction, 1998,7(5): 401-411.

[6] 张斌，徐兵，杨华勇，等. 基于虚拟样机技术的数字式柱塞泵控制特性研究[J]. 浙江大学学报，2010，44(1)：1-6.

[7] 陈佳，邢继峰，曾晓华. 一体化数字液压作动器测控系统设计[J]. 液压与气动，2014(7): 64-68.

The implication of digital hydraulic drive technology in bionic legged robot

BAI Jing, QIN Xiansheng, WU Binyi

(Northwestern Polytechnical University, Shaanxi Xi'an, 710071, China)

The traditional hydraulic drive method is generally used in bionic robot joint. Its energy efficiency is low, and unable for meeting the application requirements of robot high load capacity and long continuous working time independent. It analyzes the joint motion of bionic legged robot, presents a method to realize the joint driving system through the use of digital hydraulic, and simulates the required flow and energy efficiency of this system, compares with the traditional hydraulic driving system. The result shows that the digital hydraulic can reduce flow rate required and improve the energy efficiency.

bionic legged robot; joint driving; digital hydraulic; energy efficiency

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.02.014

2015-01-27

国家自然科学基金资助项目(51275413)

白晶(1978—)，女，甘肃白银人,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。

TP224

A

2095-509X(2015)02-0056-03