基于液压SEA的仿生机器人驱动器设计研究.pdf

基于液压S E A的仿生机器人驱动器设计研究 The desi gn an d an al ys i s of bi oni c r obot dr i v e s ys t em bas ed on h ydr aul i c SEA 杜挺豪’ ，韩莉莉’ ，宁神’ ，罗健文 ，杜婷婷’ DU T i n g ． h a o 。 ，H A N L i ． 1 j ，NI N G Y _ 1 L UO J i a n - we n 。DU T i n g ． t i n g ’ 1 ． 河南工业大学 机器人研究所，郑州 4 5 0 0 0 7 ；2 ． 哈尔滨工业大学 机器人研究所，哈尔滨 1 5 0 0 8 0 摘要 根据液压串联弹性驱动器 以下简称液压S E A 驱动仿生机器人关节的需要，设计了一种新型 驱动器，其驱动电路采用三级控制结构和深度电流负反馈技术。阐述了驱动器的设计原理和 动态特性分析 ，并对制作的驱动器物理系统进行了性能测试。结果表明，驱动器输出负载电 流稳定， 线性度好， 响应速度快，满足设计要求。 关键词仿生机器人；液压S E A；驱动器 ；深度电流负反馈 中图分类号T P 2 7 3 ；T P2 4 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 - 0 1 3 4 2 0 1 6 0 3 0 0 5 3 0 4 0 引言 重载仿生机器人需要较大的负载能力和驱动力矩 ， 其驱动方式的选择非常重要。电机驱动的功率密度低， 负载能力小，满足不了这类机器人的需要 ；而液压驱动 以其功率密度高，响应速度快和负载能力强的优越性能 受到了工程界的青睐。 目前国内外已经出现 了一些采用液压驱动的仿生机 器人系统。如美 国波士顿动力公司研制的阿特拉斯、大 狗机器人与国内山东大学研制 的液压驱动机器人在这方 面具有代表性。腿形机器人在行走的过程中，脚部与地 面直接接触 ，承受 一定的冲击载荷 ，需要具有一定的柔 性 。为了适应这种需求 ，采用S E A 是一个不错的技术途 径 。采用电机驱动的S E A的研究工作已有不少，但是采 用液压S E A 驱动的仿生机器人还鲜有报道。本文主要设 计用于驱动液压S E A的仿生机器人驱动器。 1 系统结构与技术要求 研 究的驱动 器主要 用于液 压S E A驱动 的仿 生机器 人。该驱动器作为仿生机器人的重要执行部分，除了要 求输出功率大、动、静态性能好，还要具有线性度好、 响应速度快、频带宽等特 点[ 1 ] 。特别对于液压驱动的仿 生机器人来说，要尽量减少液压管线的分布，减轻仿生 机器人的重量。设计的驱动器要满足轻量化、小型化的 要求，易于与液压S E A 集成。液压S E A 驱动器的结构如 图1 所示。 液 压 S E A驱动 器 应满 足 以下 技术 参 数 1 输 入 的 电压范 围为 1 O Va1 O V；2 输 出 的电流 范 围 为． 4 0 mA 4 0 mA；3 驱动器 的线性度 误差要小于 ．⋯⋯⋯J 图1 液压S E A驱动器结构 3 ％；4 驱动器的频带度应大于4 0 0 Hz ，以适应 电液伺 服 阀的高频响应；5 采用2 4 V单 电源供 电，满足各个 模块的供 电要求。 2 电气特性分析 电液伺服 阀在长 时间连续 工作后 会产生很高 的温 升 。受温度变化 的影响，线圈的 电阻值产生高达3 0 ％的 变化曙 。采用深度电流负反馈技术，可以抑制负载线圈 电阻变化对输 出电流的影 响，消除阀线圈阻抗变化引起 阀的增益变化和相位滞后。 收稿日期2 0 1 5 -1 1 - 2 8 基金项目国家8 6 3 计划支持项 目 2 0 1 4 AA1 3 2 9 作者简介 杜挺豪 1 9 9 0一 ，男，河南许昌人，硕士研究生，主要从事机器人控制系统的研究工作。 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 - 0 3 [ 5 3 1 一 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． 一 广 ； ● ● ． 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m A u 图2 驱 动 器 等 效 电 路 当采用深度 电流负反馈时，为了方便分析，可 以将 驱动器用图2 所示的等效电路来表示。 其 中，u 为放大器输入控制电压 ，A u 为经过放大器 放大后的电压，R、L 分别为负载 电阻和 电感，r 为等效 内阻，i 为负载 电流。 由基尔霍夫定律可得 _f R 斗 1 取拉式反变换得 A u s Rr i s s L i s 2 即 A A 一 面而一 面 3 其中，时问常数 n R r 4 电气转折频率 1 R ， ． T 5 在实验中，若采用电压负反馈，其等效 内阻r 0 ， 此时的转折 频率很低 ，会使系统 的频率响应受到 的 限制口 。当采用深度 电流负反馈时，可 以使等效内阻r 增 大，从而增 大系统 的电气转折频率 ，提高系统的动 态特性 。 3 电路设计及相关计算 本文设计 的驱 动器 电路采用三级控制 结构 前置 级、电压跟随级和功率放大级。前置级主要将输入信号 放大 ；电压跟随级主要是隔离前后两级 功率放大级采 用深度电流负反馈技术驱动 电液伺服阀，提 高驱动器的 动态特性 。 驱动器电路原理 图如图3 所示。 当不考虑调零电路的作用时，根据运算放大器 的虚 短和虚断原理，通过放大器U 可得 Ui n 6 足 见 式 6 进行整理可得 Ul - - 心 R4 7 【 5 4 】 第3 8 卷第3 期2 0 1 6 0 3 图3 驱动器 电路原理 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m