數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)在仿生足式機器人中的應(yīng)用

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1、2015年2月機械設(shè)計與制造工程Feb．2015第44卷第2期MachineDesignandManufacturingEngineeringV0J．44No．2DOI：10．3969／j．issn．2095—509X．2015．02．014數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)在仿生足式機器人中的應(yīng)用白晶，秦現(xiàn)生，伍彬藝(西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院，陜西西安710072)摘要：仿生足式機器人關(guān)節(jié)普遍采用傳統(tǒng)液壓驅(qū)動方式，由于其能量效率不高，無法滿足機器人高負載能力和自主連續(xù)工作時間的應(yīng)用要求。在對機器人關(guān)節(jié)運動進行分析的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)字液壓的關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，并對

2、其所需流量和能量效率進行分析和仿真。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)液壓相比，數(shù)字液壓能減少關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)所需流量，從而提高能量效率。關(guān)鍵詞：仿生足式機器人；關(guān)節(jié)驅(qū)動；數(shù)字液壓；能量效率中圖分類號：TP224文獻標(biāo)識碼：A文章編號：2095—509X(2015)02—0056—03仿生足式機器人¨與輪式和履帶式機器人1數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)相比，具有更強的環(huán)境感知和地形適應(yīng)能力，可以數(shù)字液壓簡單來說是將液壓元件直接數(shù)字化，相對容易地跨過比較大的障礙，在戰(zhàn)地、反恐、搶險通過接收數(shù)字控制器發(fā)出的脈沖信號和計算機發(fā)救援、空問探索、危險環(huán)境作業(yè)等場合有廣泛的應(yīng)出的脈沖信號，實現(xiàn)可靠工作

3、。一般來講，數(shù)字用前景和顯著的優(yōu)勢，已成為機器人學(xué)中一個引人液壓元件包括數(shù)字泵、數(shù)字閥、數(shù)字液壓缸和數(shù)字注目的研究領(lǐng)域，各國都投人大量的經(jīng)費和人員進液壓馬達。行研究。由于機器人主要適合工作在人所不及的1．1數(shù)字液壓的特點和優(yōu)勢外部環(huán)境或危險場所，在攜帶的能源有限的情況a．輸出流量量化。下，搭載更多設(shè)備和延長自主連續(xù)工作時間就顯得數(shù)字液壓能根據(jù)液壓執(zhí)行器的速度需要，通過尤為重要，如何提高驅(qū)動系統(tǒng)的能量效率，從而增對并聯(lián)單向閥的狀態(tài)控制來調(diào)節(jié)輸出流量，其流量輸出量化的特性能有效提高驅(qū)動裝置的能量效率。加平臺承載能力和自主連續(xù)工作時間就成為了關(guān)b．反應(yīng)時間短。

4、注的焦點。其系統(tǒng)的反應(yīng)時間主要取決于簡單單向閥的目前仿生足式機器人的驅(qū)動系統(tǒng)一般采用電反應(yīng)時間，反應(yīng)時間短。動、氣動、傳統(tǒng)液壓或其組合形式J。電動驅(qū)動系c．冗余度高。統(tǒng)由于其技術(shù)先進性和低廉的價格而成為機器人并聯(lián)單向閥的結(jié)構(gòu)方式具有較大的冗余性，單領(lǐng)域中最常見的驅(qū)動器，但存在輸出功率小、減速個單向閥故障只會降低驅(qū)動系統(tǒng)的性能，而不會導(dǎo)齒輪等傳動部件容易磨損的問題。相對電動驅(qū)動致系統(tǒng)完全失效，冗余度高。系統(tǒng)，傳統(tǒng)液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的輸出功率、高數(shù)字液壓輸出流量量化、響應(yīng)時間短、容錯能帶寬、快響應(yīng)以及一定程度上的精準(zhǔn)性。因此，仿力強的特性，使其具有能量效率

5、高、反應(yīng)速度快、任生足式機器人在大功率的應(yīng)用場合下一般采用液務(wù)可靠性高的優(yōu)勢。壓驅(qū)動，但傳統(tǒng)液壓驅(qū)動存在能量效率較低的問1．2數(shù)字液壓的研究現(xiàn)狀題，影響了仿生足式機器人承載能力和自主連續(xù)工芬蘭坦佩雷技術(shù)大學(xué)對數(shù)字液壓的基本原理、作時間，進而限制了仿生足式機器人的使用范圍。實現(xiàn)方法、自身特性進行了分析，并對其應(yīng)用領(lǐng)域因此，研究和設(shè)計高能量效率的機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動系和面臨的挑戰(zhàn)進行了介紹-5]。國內(nèi)研究機構(gòu)如統(tǒng)具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義。浙江大學(xué)6_、海軍工程大學(xué)等對數(shù)字液壓的研收稿日期：20l5一O1—27基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項15(5127541

6、3)作者簡介：白品(1978一)，女，廿肅白銀人，西北工業(yè)大學(xué)講師，博士，主要研究方向為復(fù)雜機電產(chǎn)品模塊化設(shè)計及智能數(shù)控系統(tǒng)模塊化?！?6·2015年第2期白晶：數(shù)字液壓驅(qū)動技術(shù)在仿生足式機器人中的應(yīng)用究主要集中在數(shù)字泵、數(shù)字閥、數(shù)字缸等液壓元件然后髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的執(zhí)行器伸長或縮短，增加或的基本原理、功能實現(xiàn)上。減小髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角度。通過對3個執(zhí)行器的協(xié)同控制，仿生足式機器人能夠動態(tài)地適應(yīng)變化2仿生足式機器人數(shù)字液壓驅(qū)動原理及實的地形?，F(xiàn)2．3系統(tǒng)組成及工作原理與傳統(tǒng)伺服液壓相比，數(shù)字液壓輸出流量量化由于仿生足式機器人4條腿具有相同的結(jié)構(gòu)，的特性使其

7、具有較高的能量效率。采用數(shù)字液壓所以本文只對其中一條腿的情況進行研究。圖3驅(qū)動，能顯著增加仿生足式機器人負載能力和自主所示為所設(shè)計的基于數(shù)字流量控制單元的液壓驅(qū)連續(xù)工作時間，拓展其應(yīng)用范圍和提高完成多樣化動系統(tǒng)，主要由封閉式油箱、液壓泵、溢流閥、流量任務(wù)的能力?？紤]到與傳統(tǒng)液壓元器件的兼容性，指示器、蓄能器、三位數(shù)字流量控制單元、數(shù)字液壓本文主要采用基于數(shù)字流量控制單元的液壓驅(qū)動缸、單向節(jié)流閥和高壓過濾器等組成。在系統(tǒng)中，方法。電磁溢流閥僅作為安全閥使用；單向閥用于防止高2．1數(shù)字流量控制單元壓油回流；蓄能器吸收壓力脈動并起到能量調(diào)節(jié)的作用，以補償由于泵

8、源慣性大而造成的流量匹配延數(shù)字流量控制單元(DFCU)是將數(shù)字雙向閥并行連接起來