机电液一体化仿真在腿式液压机器人设计中的应用.pdf

1 5 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 期 2 0 1 5年 1月 机电液一体化仿真在腿式液压机器人 设计中的应用 胡胜心 1 , 2 7 王 1 ． 南京航空航天大学 仿生结构与材料防护研究所， 江苏 南京 浩 ， 戴振 东 2 1 0 0 1 6 ； 2 ．南京航空航天大学 机电学院， 江苏 南京2 1 0 0 1 6 摘要 机电液一体化 系统是不同领域子系统的综合体， 为分析液压四足机器人单腿机电液系统的整体特性 ， 运用软 件接口的联合仿真方法对液压四足机器人单腿系统进行机电液一体化建模。 在联合仿真平台上， 对有无蓄能器两种情 况进行仿真比较 ， 显示 了蓄能器减 小系统压力脉动和稳定 系统压 力的作 用。设计 了一种仿 生足端轨迹 ， 与现有 的基 于 椭圆的足端轨迹比较， 发现在同样的条件下， 仿生足端轨迹所需的流量更小。仿真结果对液压四足机器人物理样机设 计具有一定指导意义。 关键词 机电液一体化； 腿式液压机器人； 足端轨迹 中图分类号 T H1 6 ； T P 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 一 -3 9 9 7 2 o 1 5 0 1 一 - 0 1 5 2 - - 0 5 Th e Ap p l i c a t i o n o f Hy d r o me c h a t r o n i c s Si mu l a t i o n i n L e g g e d H y d r a u l i c Ro b o t De s i g n HU S h e n g - x i n ，WANG Ha o ，DAI Z h e n -一 d o n g 1 ． I n s t i t u t e o f B i o - I n s p i r e d S t r u c t u r e a n d S u r f a c e E n g i n e e ri n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u ti c s ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a ； 2 ．． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o f A e ron a u t i c s a n d A s t r o n a u ti c s ， J i a n g s u N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t H y d r a u l i c a n d m e c h anic a l a n d e l e c t r o n i c i n t e g r a t i o n s y s t e m s a s u b s y s t e m o fc o m p l e x d iffe r e n t a F e a s， T o a n al y z e t h e h y d r o me c h atr o n i c c h a r a c t e r is t i c s of a s i n g l e h y d r a u l ic q u a d r u p e d r o b o t l e g ，a c o - s i mu l at ion i n v o l v i n g me c h ani c s ， h y d r aul i c s and c y b e r n e t i c s i s e m p l o y e d I n t h e c o - s i m u l a t i o n p l at f o r m，i t f i r s t l y t e s t e d t h e c o n t r i b u t i o n ofthe acc u m u l a t o r t o t h e w h o l e h y d r a u l i c s y s t e m ．wh i c h i l l u s t r ate d i t s i mp o r t a nt r o l e r e d u c i n g h y d r a u l i c p u l s ati o n an d s t a b i l iz i n g t h e s y s t e m p r e s s u r e ． ht h e n d e s i g n e d U b i o n i c f o o t t r a j e c t o r yi n s p i r e d b ya r u n n i n g c h e e t a hand c o m p are d如w i t ht h e t r adi t i o n al t r aj e c t o r y b a s e d o n e l l ip s e ， w h i c h s h o w e d the adv ant a g e ofl e s s flo w demand i n the for m e r ． A l l t h e s e r e s u l t s c o u l d b e r e f e r r e d the des i gn o fh y d r a u l i c q u adr u p e d r o b o t s ． Ke y Wo r d s H y d r o me c h a t r o n i c s ； L e g g e d Hy d r a u l i c Ro b o t ； F o o t T r a j i e c t o r y 1引言 机电液一体化系统是不同领域子系统的综合体，且各子系 统之间相互影响， 要实现机电液系统整体陛能的仿真， 不仅要研究 单个领域软件的仿真， 还要研究多领域软件之间的联合仿真 。 目前 机械动力学仿真、 液压系统仿真等各领域专业软件的发展都相当成 熟， 但若要在一种软件中建立机械、 液压、 控制系统的 精确模型仍有 一 定困难。 基于软件接口的联合仿真方法可以发挥各专业软件的优 势进行本领域建模，然后通过软件之间的接口实现多领域建模， 是 目前机电液体化仿真的主要方法。 腿式液压机器人是机电液体 化技术应用的典型案例和杰出代表， 目 前对腿式液压机器人的仿真 研究多是侧重其运动学、 动力学及控制系统方面， 对液压系统的压 力、 流量等参数则是根据机械系统的运动参数推算出来的， 没有深 入分析机械系统与液压系统之间的耦合关系， 使得对机器人的整体 性能评估有一定的误差 。另一方面， 对于工程机械等机电液一体 化设备的体化仿真研究则较为完善。 通过运用软件接口的联合仿 真方法对工程机械的机电液系统进行体化仿真， 实现了对系统的 完整动态模拟， 可以实时观测系统重要参数， 了解各子系统之间的 耦合程度， 且有结果证明 联合仿真的结果更接近实测数据 。通过 对比和分析腿式液压机器人和工程机械机电液系统的仿真现状发 现， 工程机械的机电液体化联合仿真方法可以全面评估系统的整 体l生能， 了解机械、 液压、 控制系统之间的耦合关系， 具有很大的优 越洼， 因此考虑将研究工程机械的机电液一体化联合仿真方法应 用到腿式液压机器人上， 为从事腿式液压机器人系统设计和优化 的研究者提供参考。 来稿 日期 2 0 1 4 ． - 0 7 2 0 基金项 目 高性能液压驱动 四足仿生机器人基础理论与关键技术研究 6 1 2 3 3 0 1 4 作者简介 胡胜心， 1 9 8 9 一 ， 女， 河北人， 硕士研究生， 主要研究方向 液压四足机器人； 王浩， 1 9 7 6 -一 ， 男， 安徽人， 副教授， 主要研究方向 仿生机器人、 动物机器人 第 1 期 胡胜心等 机电液一体化仿真在腿式液压机 器人设计中的应用 1 5 3 2腿式液压机器人单腿机电液系统分析 腿式液压机器人单腿系统主要由大腿、 小腿、 关节驱动液压 缸、 伺服阀、 控制器、 传感器等组成， 是典型的机电液一体化系统， 如 图 1 所示。液压缸上装有直线传感器， 传感器测得液压缸活塞杆的 实际位移后， 与输入的控制信号比较， 经控制器处理后， 传递到伺服 阀， 控制阀口的方向和开度， 使活塞杆伸出或缩回， 从而驱动关节的 旋转， 带动大腿和小腿的运动， 使脚掌按照给定的轨迹运动。 l 1 ． 油箱 2 ． 滤油器 3 ． 电动机 4 ． 泵 5 ．单 向阀 6 ． 溢流阀 7 ．伺服阀 8 腋 压缸 9 ．传感器 1 0 ．单腿机械系统 图 1单腿机电液 系统原理图 F i g ． 1 T h e Hy d r o me c h a t r o n i c s S y s t e m S c h e ma t i c Di a g r a m o f t h e S i n g l e L e g 在进行单腿系统机电液一体化仿真时， 可以在 A D A MS中建 立机械动力学模型， 定义作用在活塞杆上的力为输入， 活塞杆的 位移为输出；在 AM E S i m中建立液压及控制系统模型， A M E S i m 软件根据 A D A MS输出的活塞杆实际位移计算出液压缸的驱动 力并通过接口文件传递到 A D A MS ， 驱动 A D A MS中机构的运动， 联合仿真示意图， 如图2 所示。 图2联合仿真示意图 F i g ． 2 Co S i mu l a t i o n S c h e ma t i c 2 ． 1机械系统的建模 液压四足机器人的腿部结构是仿照四足哺乳动物的腿部骨 骼结构设计的 ， 三维模型， 如图 3 所示。单腿机械模型主要由髋 部、 大腿、 小腿、 脚掌和两个液压缸组成。其中大腿液压缸与动物 的髋关节对应， 用于驱动大腿的运动， 小腿液压缸与动物的膝关 节对应， 用于驱动小腿的运动。由于 A D AM S的三维建模能力较 弱， 单腿机构在 P R O ／ E中建模， 之后导入 A D A MS ， 并添加质量属 性、 相应的运动副及活塞杆上的驱动力。四足机器人整机模型中 髋部通过一个控制腿部侧向摆动的液压缸与机身相连， 本例中只 研究单腿系统在矢状平面的运动， 故将髋部固定， 将单腿视为平 面内多刚体系统。由于单腿机械系统为非树系统 ， 即带回路的系 统 ， 因此在按照实际情况添加运动副时存在冗余约束 ， 为解决此 问题， 可在保证与机构实际运动相符的条件下， 用基本副和基本 副的组合代替低副， 去除冗余约束㈣。之后通过 A D A MS ／ C 0 n t r o l 模块创建接口文件 ， 定义各个活塞杆上的力为输入变量， 活塞杆 的位移为输出变量， 实现机械系统与液压驱动系统的数据交互。 图3单腿三维模型 Fi g ．3 Th r e e Di me n s i o n a l Mo d e l o f t h e S i n g l e L e g 2 _ 2液压系统的建模 单腿的液压驱动系统主要由两组阀控非对称液压缸组成 ， 如 图 1 中液压部分所示。油箱中的油液经滤油器过滤后由液压泵加 压， 通过单向阀分别流向两个电液伺服阀， 进入两个液压缸， 推动活 塞杆运动， 最终再流回油箱。其中， 单向阀的作用是防止油液倒流， 溢流阀的作用是维持液压油的输出压力恒定。在 A ME S i m中建立 单腿的液压系统模型。A ME S i m中建模仿真需要进行四个步骤， 即 草图模式、 子模型模式、 参数模式和运行模式。 建模时在草图模式下 根据图 1 中液压系统原理调用 A ME S i m液压库中各个液压元件并 连接， 通过菜单栏中Mo d e l i n g - I n t e r f a c e b l o c k _ I mp o r t A d a m s m o d e l 导入AD A MS机械模型接口文件。导入接口文件时， 有两种联合仿 真方式可供选择 1 C o n t i n u o u s 即完全导出方式 ，此时系统由 A ME S i m求解器求解； 2 D i s c r e t e 即共仿真模式， 此时由两个软件分 别发挥各自的优势， 对各自的模型求解 。本例采用第二种方式。 2 ． 3机电液一体化系统的建模 ④圆 ⋯ ‘-I酉Fup Ddown-1 im Dup ≥ ⋯ 一⋯ ，一- ⋯ ⋯ 一 -⋯ ⋯ -⋯ t⋯ ．⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ F w B 卜 ；⋯ ～ lD ⋯ 一 图4单腿机电液一体化模型 F i g ．4 Hy d r o me c h a t r o n i c s Mo d e l o f t h e S i n g l e Le g 在足端轨迹给定的情况下，可以根据运动学逆解推算出髋 关节和膝关节的转角， 进而推算出活塞杆对应的伸长量， 以此控 制系统的输入信号。在初始建模时为简单起见， 给大腿控制器频 率为4 H z 幅值为 0 ．0 3的正弦信号，给小腿控制器频率为 4 H z 幅 值为0 ． 0 2 余弦信号。P I D控制器具有结构简单、 控制精度高和工 作性能稳定等特点，是应用最广泛的工业控制器。本例中选用 1 5 4 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 01 5 P I D控制器构成闭环系统， 将活塞杆的实际位移与控制信号的偏 差输入 P I D控制器， 控制器输出电压使伺服驱动系统动作 ， 完成 单腿系统的机电液一体化建模， 如图4所示。 3单腿系统机电液一体化仿真 以A ME S i m软件为主仿真平台， 在模型搭建完成后， 经过子 模型模式， 为系统各个元件选择合适的子模型， 之后进入参数设 置阶段。结合实际机械结构参数及系统液压回路， 为液压系统的 设置合适的参数， 主要参数， 如表 1 所示。 表 1液压 系统主要参数 T a b ． 1 Ma i n Pa r a me t e r s o f Hy d r a u l i c Sy s t e m 伺服阀固有频率 ∞ Hz 伺服阀额定流量 Q I J m i n 伺服阀阻尼 比f 液压缸活塞直径 D m m 液压缸活塞杆直径 D m m 大腿液压缸行程 L mm 小腿液压缸行程 L mm 系统压力 P s b a r P I D控制器参数采用试凑法整定， 最终确定为 大腿 P I D参数 K , 2 5 0 ， ， 。 _ 3 ；小腿 P I D参数 K s 2 2 5 0 ， ， K 。 0 。除此之 外， 在设置接口模块的通讯间隔时需要注意， 两个软件的求解器按 照设定的通讯间隔通过接口文件实时交换数据，通讯间隔越大， 仿 真运行越陕， 但是精度越差， 通讯问隔越小， 精度越高， 但仿真运行 越慢。在运行模式下， 设置仿真时间为 0 ．7 5 s ， 通讯间隔为 0 ．0 1 s ， 采 用变步长积分。仿真结束后， 可分别在两个软件中查看仿真结果。 3 ． 1椭圆足端轨迹下有无蓄能器对液压系统压力的影响 根据目前四足机器人的常用的椭圆足端轨迹l】 2 1 ， 结合本例中 单腿机械机构的参数 ， 取步长 L 3 0 O mm， 抬腿高度 H l O 0 m m， 周 期 T 0 ． 2 5 s ， 则在局部坐标系下摆动相和支撑相的表达式分别为 f _ 叶了16 t“ 12 ．2一 争 s 手 {『 j f 争 一 争 手 手 -- T Iv 0 早端 轨 ． 如 网 5所示 { 水平位 移 r a m 图 5局部坐标系下椭圆足端轨迹 F i g ． 5 T h e E l l i p t i c T r a j e c t o r y i n L o c a l C o o r d i n a t e S y s t e m 2 通过单腿模型的运动学逆解，推算出对应液压缸活塞杆的 位移 ， 并以此作为控制系统的输入， 得出两个液压缸活塞杆的位 移跟踪情况， 如图6所示。由于建模时液压缸活塞杆的初始位移 不为 0 ， 仿真运行的初始阶段系统未达到稳定状态， 因此文章给 出第一个周期之后系统相对稳定时液压缸位置跟踪结果。 从图 6 中曲线可以看出系统存在少量延迟， 但整体总体跟踪情况比较理 想。 另外， 活塞杆伸出时跟踪情况要优于活塞杆缩回的跟踪情况， 这是由于系统采用了单出杆非对称液压缸， 且活塞杆缩回时重力 做负功造成的。 系统的压力变化 曲线 ， 如图 7所示 。 可 以看出， 随 着仿真运行 ， 系统压力不断降低 ， 最终稳定在 7 0 b a r 左右。 说明系 统需求压力仅为初始设定值的 5 0 ％左右， 这为实际四足机器人液 压系统油源的选择提供 了参考。 a 大腿液压缸 的跟踪情况 b 小腿液压缸位置跟踪情况 图 6液压缸位置跟踪情况 F i g ．6 T h e P o s i t i o n T r a c k i n g o f t h e E l l i p t i c C y c l o i d T r a j e c t o ry 图 7系统压力 Fi g ． 7 Th e S y s t e m P r e s s u r e 加 一 0 一 黑出姆 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 机 械 设 计 与 制 造 1 5 5 为验证蓄能器在系统 中的作用 ，现将溢流阀压力设定为 6 8 b a r ， 在有无蓄能器两种情况下运行仿真， 系统压力变化， 如图 8 所示。结果表明在没有蓄能器的情况下， 系统存在明显的压力脉 动， 这将导致液压元件的寿命降低、 系统的工作精度降低等一系 列问题； 而在有蓄能器情况下， 压力脉动显著减小， 因此在液压机 器人的液压系统中增设蓄能器是十分必要的。 图 8两种情况下系统压力对比 F i g ． 8 Th e S y s t e m P r e s s ur e Un de r T wo Ca s e s 3 ． 2仿生足端轨迹与椭圆足端轨迹的比较 目前研究的腿式液压机器人的足端轨迹多是在椭圆或正弦 基础上加以改进得到的， 这使得机器人的运动与实际动物的运动 有很大差别。 为了实现使机器人像真实的动物一样运动这一终极 目标， 考虑到猎豹奔跑时的出色性能， 遵循仿生学原理， 综合猎豹奔 跑时实际的足端轨迹旧及仿猎豹机器人仿真得出的足端轨迹l 】4 1 ， 按比例提取出关键点， 结合本例中单腿机构参数 ， 取与椭圆足端 轨迹相同的步长、 抬腿高度和周期， 采用多项式分段拟合的方法 得到一种新的足端轨迹， 解算之后的轨迹方程如式 3 、 4 、 5 所示， 轨迹曲线， 如图9 所示。 雹 害 趟 蜘 图 9 局 邵 坐杯 糸 仿 生 足 瑞 轨迈 F i g ．9 T h e B i o n i c F o o t T r a j e c t o r y i n Lo c a l Co o r d i n a t e S y s t e m 当 时 L x 8 5 5 ．4 7 t 2 - 1 ．0 7 X 1 0 3 ． 7 5 , 1 0 f H 1 ．0 2 1 0 f 3 _ 1 ．6 3 x 1 0 6 ． 4 9 1 0 当 } s ≤ 手 日寸 ． 3 l 2 L 1 ．6 2 ．8 8 1 0 t - t s 1 7 ．6 8 1 0 4 t f 1 I Z sw 2 t H x O ．4 - 2 5 ．2 8 t t 1 4 f l o 2 -4 】 一 1 I ．0 8 x l O H 当 sT时 争 一 手 ㈦ 1 ￡ 0 根据足端轨迹推算出液压缸活塞杆的位移，以此作为控制 系统的输入信号， 在单腿机电液一体化仿真平台上进行仿真。在 A ME S i m软件中提取仿真结果， 液压缸跟踪情况， 如图 1 0所示 。 由于 P I D参数的不精确及受液压 系统性能 的影响， 实际跟踪曲线 存在一定的延迟。 两种足端轨迹下系统流量， 如图 1 1 所示。 可以 看出在椭圆足端轨迹时， 系统所需的最大流量为7 3 I J mi n ， 而在仿 生足端轨迹下 ， 系统所需 的最大流量为 6 0 Umi n ， 因此采用仿生足 端轨迹降低了系统对流量的需求。各个液压缸的驱动力如图 1 2 所示 ，可以看出仿生足端轨迹在液压缸的驱动力上并无优势 ， 这 可能是由于轨迹分段拟合连接点之间的不平滑导致加速度过大 引起的。在两种足端轨迹下， 活塞杆换向时， 系统稳定性均变差， 造成 了一定 的冲击力 ；大腿液压缸 的力 明显大于小腿液压缸 的 力 ， 这是 由机构 的重力及运动引起 的惯性力造成的。 a 大腿液压缸的跟踪情况 b ／ b 腿液压缸位置跟踪情况 图 1 0仿生足端轨迹跟踪情况 F i g ． 1 0 Th e P o s i t i o n Tr a c k i ng o f t h e B i o n i c F o o t T r a j e c t o ry 瑚 瑚m 如 。 1 5 6 机 械 设 计 与 制 造 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 图 1 1两种足端轨迹的系统流量 F i g ． 1 1 T h e S y s t e m F l o w o f T w o Ki n d s o f F o o t T r a j e c t o r y a 大腿液压缸驱动力 b 小腿液压缸驱动力 图 l 2液压缸驱动力 F i g ． 1 2 T h e Dri v i n g Fo r c e o f t h e Hy d r a u l i c C y l i n d e r 4结论 运用基于软件接口的方法建立了腿式液压机器人单腿系统 的机电液一体化仿真平台， 可以充分发挥各软件的优势 ， 通过仿 真验证了蓄能器对腿式液压机器人液压系统的必要性， 并规划了 一 种仿生足端轨迹， 将其与现有的椭圆轨迹进行对比发现， 规划 的仿生足端轨迹对流量的需求较低。 该仿真研究初步证明了将基 于软件接口的机电液一体化仿真方法应用到腿式液压缸机器人 机电液系统设计的可行性， 为研究腿式液压机器人机电液耦合系 统提供了参考。同时， 这些仿真结果对液压四足机器人系统设计 也具有一定的指导意义。 参考文献 [ 1 ] 高钦和， 龙勇， 马长林．机电液一体化系统建模与仿真技术[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 2 ． ， G a o Q i n h e ， L o n g Y o n g a n d Lon g Y o n g ． Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n T e c h n o l o g y 0 f Hy d mme c h a t mn i c s S y s t e m[ M] ．B e i n g E l e c t r 0 n i c I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 1 2 ． [ 2 ] 张君， 李声晋， 卢刚． 液压作动的四足机器人步态规划及运动分析[ J j ． 机械设计， 2 0 0 9 4 2 9 3 1 ． Z h a n g J u n ， L i S h e n g - 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5 1 ． [ 1 1 ] 李剑峰， 汪建兵， 林建军机电系统联合仿真与集成优化案例解析[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 0 1 2 1 1 2 2 ． L i J i a n - f e n g ， Wang J i a n b i n g ， L i n J i a n - j u n ． A n a l y s i s o f E l e c t ri c a l a n d Me c h a n i c al S y s t e m S i m u l a t i o n a n d I n t e g r a t e d O p t i mi z a t i o n 【 M] ． B e i j i n g E l e c t r o n i c I n d u s t ry P r e s s ， 2 0 1 0 1 2 1 1 2 2 ． [ 1 2 J R o n g X， L i Y， R u a n J ． D e s i gn a n d s i m u l a t i o n f o r a h y d r a u l i c a c t u a t e d q u a d r u p e d r o b o t[ J j ． J o u rna l o f Me c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ， 2 6 4 1 1 7 1 1 1 7 7 ． [ 1 3 ] H i l d e b r a n d M． F u r t h e r s t u d i e s o n l o c o mo t i o n o f t h e c h e e t a h [ J ] ． J o u rna l o f Ma mm a l o g y ． 1 9 6 1 4 2 8 4 _ 9 1 ． [ 1 4 ] Wa n g X， L i M， Wang P ． B i o - i n s p i r e d c o n t r o l l e r for a r o b o t c h e e t a h w i t h a n e u r al m e c h a n i s m c o n t r 0 l 1 i n g l e g m u s c l e s [ J ] ．J o u r n a l o f B i o n i c E n g i n e - e r i n g ， 2 0 1 2 ， 9 3 2 8 2 2 9 3 ．