三自由度液压伺服关节样机的试验系统研究

　　三自由度液压伺服关节的设计及其控制方法的研究[1, 2],旨在设计出一种单关节即可实现三个方向的自由度、力矩大、运动范围大、体积小、质量轻、结构简单且运动解耦、易于控制的工业机器人的关节功能部件。而建立试验系统是三自由度液压伺服关节系统研究的重要组成部分,也是对解耦型关节理论进行验证和对试验样机进行试验与改进的必要环节。本文在对试验系统预期目标进行分析的基础上,以验证与评估关节系统及其组成元件的初步性能指标与系统特性等参量为目的,规划了一整套试验系统与测试方法[3,4]。

　　1　样机试验系统设计

　　图1所示为根据机器人关节运动解耦条件研制的三自由度液压伺服关节的试验样机,其总体尺寸为448mm×110·4mm×153mm,总质量为4·047kg。初步试验表明,该样机具有结构紧凑、重量轻、体积小且运动工作范围大等优点。

　　1·1　试验目的

　　试验系统的建立主要为三自由度液压伺服关节的研究提供试验平台与理论验证手段,保证研究工作的顺利开展和完整性。由于本试验系统是复杂的机、电、液一体化系统,涉及的因素多、范围广,基于现有条件的限制,初步确定本试验研究的预期目标主要是对系统的方案进行论证,对整个关节的性能进行初步评估,具体对关节的运动情况、响应情况、泄漏情况等方面进行观察;对关节运动的可控性与可操作性进行试验;对关节的伺服跟踪特性、避障特性与解耦特性进行验证;暂不涉及到系统的运动学、动力学研究与精确控制。

　　1·2　试验系统原理

　　为使试验系统本身在稳定性、可靠性与可重复性等方面具有良好的性能指标,达到试验的预期目标,建立如图2所示的试验系统。它主要由液压系统与控制系统两部分组成。

　　1·3　液压系统设计

　　1·3·1　流量控制方案

　　机器人关节对于控制命令的响应通常是一个渐变动态响应过程,即要求响应过程是速度由零开始加速到一个稳定值,稳态运行一段时间后再慢慢减速到零,目的在于减小系统冲击并合理控制响应时间。本试验系统流量控制采用节流调速的方案,即通过改变伺服阀芯阀口开度的方法来改变系统的流量,从而实现对系统响应速度的调节。

　　由于该关节中伺服阀芯的转动是由直流伺服电动机直接驱动,而直流伺服电动机的动作又直接来自控制系统的指令,因而如何对系统流量进行控制以实现节流调速,也就归结为如何设计控制系统以控制伺服阀口开度的问题。

　　1·3·2　压力控制方案