液压驱动足式机器人技术

一. 概述

1.电液伺服控制技术概述

电液伺服控制技术作为连接现代微电子技术，计算机技术，和液压技术的桥梁，已经成为现代控制技术的重要构成，具有线性好，死区小，灵敏度高，动态性能好，响应快，精度高等显著优点。电液伺服控制系统由液控单元，伺服油缸，动力油三大部分组成。系统的应用归纳起来共有以下几种方式：阀控油缸伺服系统，阀控马达伺服系统和泵控马达伺服系统。

电液伺服控制系统具有的优点如下：

(1)液压元件的功率-重量比和力矩-惯量比(或力-质量比)大，传递的力(或力矩)和功率很大，因而可以组成体积小，重量轻，加速能力强和快速动作的伺服系统，来控制大功率或大负载。

(2)液压执行元件响应速度快，在伺服控制中采用液压执行元件可以使回路增益提高，频带加宽。

(3)抗负载的刚性大，因此控制精度高。

除此之外，还有元件的润滑性好，寿命长，易实现无级调速，过载保护容易等优点。

电液伺服控制系统具有的缺点如下：

(1)由于工作介质是油液，易出现泄漏，污染环境。

(2)液压伺服元件加工精度高，因而价格贵。

(3)易受油液污染的影响。

2.足式机器人概述

目前，常见的步行机器人以两足式，四足式，六足式应用较多，以美国和日本的足式机器人研究最具代表性，其中，美国的bigdog机器人能以不同的步态在恶劣的地形上攀爬，可以负载高达52kg的重量，爬升斜坡可达35°，其腿关节类似动物腿的关节结构并且安装有吸收振动部件和能量循环部件，同时，腿步连有很多传感器，其运动通过伺服电机来控制，该机器人机动性和反应能力都很强，平衡能力极佳，但由于汽油发电机需携带油箱，故工作时受环境影响大，可靠性差，另外由于采用的是电液伺服控制系统，所以行走时引擎会发出怪异的噪声。另外日本千叶大学以平地低速行走，不怕坡功能为主的comet-tv机器人和日本chukyo universuty以低速行走，爬坡为主的TTTAN XI机器人也是足式机器人的典型代表。

综上所述，足式机器人因具有在陆地推进效率高;稳定性，地形适应性强;是常规移动不可达区域的最佳解决方案等巨大的优势，从而成为未来战场以，工业生产以及勘探开采的重要手段之一。

二. 电液伺服控制技术在足式机器人中的应用

足式机器人在运动的过程中，作为一个主要靠机械打造的刚性体，与地面因为撞击而产生可观的冲击载荷，而且载荷的大小和方向都始终呈现无规律的变化，以美国的BigDog机器人为例，它的液压驱动系统是由一个变量活塞泵在汽油发动机的驱动下同时对16个液压执行器实施油压的输出，以达到功率输出的目的，液压传动有2大特性：液压系统的油压大小取决于外界负载，执行元件的速度取决于液压系统的流量，这2点恰好与足式机器人肢体的负载及关节的转动相对应。发动机根据机器人机体各关节所承载的负荷及转速，控制自身转速进而控制活塞泵的油压输出，适应机器人运动时变化的动力需求，并具有预测的能力，机器人的运动速度越快，或者机体姿态变化越剧烈，相应的油压输出就越大，反之亦然，从而实现了足式机器人极强的适应地形变化能力。