- 相關(guān)推薦
液壓四足機(jī)器人伺服閥驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)建模型
引 言
近幾十年來，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，盡管大多數(shù)移動(dòng)機(jī)器人都偏向于選用電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置，但電氣驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人承受大負(fù)載的能力較差是一個(gè)不容忽視和亟待解決的問題。研究表明，采用液壓驅(qū)動(dòng)可以使四足機(jī)器人具有較高的運(yùn)動(dòng)速度、較大的負(fù)載能力和超強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性能。目前國(guó)外最具有代表性的是由美國(guó)波士頓動(dòng)力公司研制的基于液壓驅(qū)動(dòng)方式的四足仿生機(jī)器人BigDog;國(guó)內(nèi)山東大學(xué)研制的液壓四足機(jī)器人在負(fù)重和速度方面也取得了顯著進(jìn)展，無負(fù)載時(shí)機(jī)器人能以1 m/s的速度實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為穩(wěn)定的對(duì)角步態(tài)行走，負(fù)重80 kg左右時(shí)可實(shí)現(xiàn)速度為0.4 m/s的對(duì)角步態(tài)行走。本文所涉及的四足步行機(jī)器人也是依靠液壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。整個(gè)液壓四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)由機(jī)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(duì)稱分布，圖1為機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
四足機(jī)器人的每條步行腿有三個(gè)自由度，1號(hào)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)腿的橫向運(yùn)動(dòng)，2號(hào)和3號(hào)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)腿的側(cè)向運(yùn)動(dòng)和定位，可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)和后退，每個(gè)關(guān)節(jié)都是由一個(gè)液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)控制。電液伺服閥進(jìn)行電液轉(zhuǎn)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(yīng)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(qū)動(dòng)電路適用的四足機(jī)器人的12個(gè)關(guān)節(jié)都選擇了閥控動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)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(dá)的電磁力矩與輸入電流成正比，可以推導(dǎo)出伺服閥的閥芯位移與輸入電流成正比，進(jìn)一步推導(dǎo)出通過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(tǒng)通過輸出0～5 V的模擬電壓信號(hào)控制伺服閥，因此需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的直流輸出信號(hào)以驅(qū)動(dòng)伺服閥執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。
1、硬件設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)電路有三條通道，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)一條腿的三個(gè)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(hào)，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(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過驅(qū)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(qū)動(dòng)電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
伺服閥驅(qū)動(dòng)電路采用深度電流并聯(lián)負(fù)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(bǔ)對(duì)稱功放電路，以克服交越失真。圖3為單個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路，在運(yùn)算放大器TL084反相端輸入控制信號(hào)，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(hào)耦合進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)還承擔(dān)了低通濾波的作用;[R11]與[R12]構(gòu)成電流深度負(fù)反饋;運(yùn)算放大器后面的元器件組成甲乙類互補(bǔ)對(duì)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(jì)要求。負(fù)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(jì)算輸出最大功率為1.69 W。
利用Multisim軟件中的頻率特性測(cè)試儀和雙通道示波器進(jìn)行仿真驗(yàn)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(hào)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(hào)，對(duì)數(shù)頻率特性曲線如圖5所示，橫坐標(biāo)表示頻率，單位是Hz;縱坐標(biāo)表示放大倍數(shù)的自然對(duì)數(shù)的20倍，單位為dB。
2、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
利用Quarc半實(shí)物仿真設(shè)備測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路。Quarc半實(shí)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(shí)對(duì)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(gè)關(guān)節(jié)半實(shí)物測(cè)試模型，qy2表示右前腿3號(hào)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路輸入信號(hào)，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(hào)關(guān)節(jié)角位移傳感器的反饋信號(hào)，可以通過Quarc保存在Matlab工作空間中。
測(cè)試結(jié)果如圖7所示，液壓泵的輸出壓強(qiáng)為7 MPa，右前腿3號(hào)關(guān)節(jié)的輸入測(cè)試信號(hào)為1～4 V，頻率為0.1 Hz的正弦波，實(shí)線表示輸入信號(hào)，虛線表示關(guān)節(jié)角位移傳感器反饋信號(hào)。反饋信號(hào)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(jī)械間隙，反饋曲線出現(xiàn)頂端削平現(xiàn)象。液壓缸進(jìn)出油管口比較細(xì)，導(dǎo)致連接液壓缸的油管比較細(xì)從而出現(xiàn)截流現(xiàn)象以及足端腳掌的重力作用，導(dǎo)致反饋曲線出現(xiàn)略微滯后現(xiàn)象。
3、結(jié)束語(yǔ)
液壓足式機(jī)器人的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，詳細(xì)敘述了電液伺服閥功率放大器的設(shè)計(jì)原理、過程以及測(cè)試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)將微弱的控制信號(hào)功率放大。試驗(yàn)結(jié)果表明該驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行穩(wěn)定可靠，在以后的設(shè)計(jì)中可以改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)最終達(dá)到減小甚至消除機(jī)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(xiàn)象。
參考文獻(xiàn)
[1] 張濤.機(jī)器人引論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[2] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芳，等.四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)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(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析及運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2009，26(10)：31?33.
[4] 朱學(xué)彪.液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010，5(10)：176?178.
[5] 張鵬翔，廖啟征，魏世民，等.液壓驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人控制系統(tǒng)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(jī)器人伺服閥驅(qū)動(dòng)電路的構(gòu)建模型】相關(guān)文章：
談長(zhǎng)白落葉松構(gòu)建模型方法研究08-05
試論圖書館信息營(yíng)銷優(yōu)化組合模型構(gòu)建08-29
關(guān)于圖書館員工作滿意度回歸分析模型的構(gòu)建08-23
高中語(yǔ)文選修課程模塊設(shè)計(jì)的問題與優(yōu)化的模型構(gòu)建論文05-06
游戲模型畢業(yè)論文06-05
企業(yè)文化構(gòu)建思考06-13
高校教研文化構(gòu)建論文05-23