液压四足机器人伺服阀驱动电路的构建模型

液压四足机器人伺服阀驱动电路的构建模型

　　引 言

　　近几十年来，机器人技术得到了迅速的发展，尽管大多数移动机器人都偏向于选用电动机作为驱动装置，但电气驱动的机器人承受大负载的能力较差是一个不容忽视和亟待解决的问题。研究表明，采用液压驱动可以使四足机器人具有较高的运动速度、较大的负载能力和超强的机动性能。目前国外最具有代表性的是由美国波士顿动力公司研制的基于液压驱动方式的四足仿生机器人BigDog;国内山东大学研制的液压四足机器人在负重和速度方面也取得了显著进展，无负载时机器人能以1 m/s的速度实现相对较为稳定的对角步态行走，负重80 kg左右时可实现速度为0.4 m/s的对角步态行走。本文所涉及的四足步行机器人也是依靠液压进行驱动的。整个液压四足机器人的结构由机身和结构完全相同的四条步行腿构成，四条步行腿完全对称分布，图1为机器人的机构简图。

　　四足机器人的每条步行腿有三个自由度，1号旋转关节实现腿的横向运动，2号和3号旋转关节联合实现腿的侧向运动和定位，可以驱动机器人的前进和后退，每个关节都是由一个液压缸的伸缩来实现控制。电液伺服阀进行电液转换的同时进行功率放大，进而控制液压缸的动作，具有控制精度高、响应快的优点，而且伺服阀的重量轻、体积小、容易控制和固定等，该驱动电路适用的四足机器人的12个关节都选择了阀控动力系统进行驱动。电液伺服阀选择FF系列电液伺服阀中的 FF101，是一种高性能、力反馈、双喷档的流量控制阀。

　　伺服阀中力矩马达的电磁力矩与输入电流成正比，可以推导出伺服阀的阀芯位移与输入电流成正比，进一步推导出通过滑阀的流量与输入电流成正比。伺服阀的额定电流为40 mA，而控制系统通过输出0～5 V的模拟电压信号控制伺服阀，因此需要将电压信号转换为对应的直流输出信号以驱动伺服阀执行相应动作。

　　1、硬件设计

　　驱动电路有三条通道，可以同时驱动一条腿的三个伺服阀工作，将外部规划好的步态数据转变成相应的电压值形成外部输入信号，与关节角位移传感器反馈的电压值在控制器中产生控制信号，控制信号经过驱动电路的功率放大后控制伺服阀和液压缸工作。伺服阀驱动电路的结构图如图2所示。

　　伺服阀驱动电路采用深度电流并联负反馈，以消除阀线圈阻抗变化引起阀的增益变化和相位滞后[10]。功率放大部分采用甲乙类互补对称功放电路，以克服交越失真。图3为单个关节驱动电路，在运算放大器TL084反相端输入控制信号，输出电流和输入电压反相;[R10]与[C7]用来提高电路的稳定性， 在有外部纹波信号耦合进入系统时还承担了低通滤波的作用;[R11]与[R12]构成电流深度负反馈;运算放大器后面的元器件组成甲乙类互补对称功放电路;+V接+15 V电压输入端，-V接-15 V电压输入端。图3中功率晶体管选用D1760，B1184，其中D1760为NPN型晶体管，B1184为PNP型晶体管。[I]为输入电流， [Iout]为输出电流，其理论值为：

　　[Iout=-1+R12R11I=-501I] (1)

　　最大输出电流为50.1 mA，大于伺服阀的额定电流满足设计要求。负载上可获得的最大功率为：

　　[pom=(V-UCES)22RL] (2)

　　式中：[V]为电源电压;[UCES]为晶体管的饱和管压降;一般[UCES]为2 V;[RL]为伺服阀线圈的电阻值，理论计算输出最大功率为1.69 W。

　　利用Multisim软件中的频率特性测试仪和双通道示波器进行仿真验证，仿真输入幅值为5 V，频率为1 Hz的正弦波;输出电压幅值为3.560 V，频率为1 Hz的正弦波，仿真输入输出信号如图4所示。在[R10]与[C7]低通滤波的作用下，电路的截止频率为740 Hz，能有效滤去高频干扰信号，对数频率特性曲线如图5所示，横坐标表示频率，单位是Hz;纵坐标表示放大倍数的自然对数的20倍，单位为dB。

　　2、实验验证

　　利用Quarc半实物仿真设备测试驱动电路。Quarc半实物仿真设备包括DS1104接口板、QPID数据采集卡和QUARC仿真软件包。QPID 数据采集卡有8路A/D和8路D/A，可以同时对所有A/D、编码器和数字I/O采样，刷新D/A和数字I/O。图6为单个关节半实物测试模型，qy2表示右前腿3号关节驱动电路输入信号，其余液压缸的电压值均为2 V，使其他液压缸保持在某一位置;Qy2表示右前腿3号关节角位移传感器的反馈信号，可以通过Quarc保存在Matlab工作空间中。

　　测试结果如图7所示，液压泵的输出压强为7 MPa，右前腿3号关节的输入测试信号为1～4 V，频率为0.1 Hz的正弦波，实线表示输入信号，虚线表示关节角位移传感器反馈信号。反馈信号最大值为4.020 V，最小值为1.066 V，相位滞后0.141 rad。由于装配的关节角位移传感器存在机械间隙，反馈曲线出现顶端削平现象。液压缸进出油管口比较细，导致连接液压缸的油管比较细从而出现截流现象以及足端脚掌的重力作用，导致反馈曲线出现略微滞后现象。

　　3、结束语

　　液压足式机器人的应用范围相当广泛，详细叙述了电液伺服阀功率放大器的设计原理、过程以及测试结果，实现将微弱的控制信号功率放大。试验结果表明该驱动电路运行稳定可靠，在以后的设计中可以改进机械设计最终达到减小甚至消除机械间隙，同时改进油管与液压缸的连接方式，减小截流现象。

　　参考文献

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