液压腿足式机器人因其可承受大负载、具有更高的速度上限等优势被广泛应用于物资搬运、地形侦查等场景。伺服阀作为液压系统中的控制元件,与机器人作业过程的运动稳定性、地形适应性、节能等方面都存在着密切关联。目前腿足式机器人系统普遍应用喷嘴挡板式伺服阀,不同阀型号的选择往往只需要满足阀的频响、压力、流量等指标,并且伺服阀的数学模型也通常近似为低阶环节,这在设计中弱化了伺服阀对系统的影响。为探究不同结构伺服阀与控制系统最佳匹配问题,研究了增材制造旋转直驱式伺服阀在机器人位置控制系统中的性能,并将其与传统喷嘴式挡板阀作比较,分别建立其数学模型并在单腿试验台上完成实验验证。结果表明,在相同的流量压力需求下,应用旋转直驱阀的控制系统足端阶跃响应时间减少了14%,足端正弦轨迹跟踪误差减少了21%。

双叶片式伺服摆动缸是液压执行元件的一种,能将液压能转化成旋转的机械能。当其作为液压腿足式机器人的关节驱动元件时,具有结构紧凑、重量轻、直接输出关节转矩等优势。由于液压系统的非线性特性以及足式机器人自身易受冲击、对系统产生干扰等因素,传统的PID控制方法难以满足关节转矩的控制需求。利用自抗扰控制(ADRC)方法实现叶片摆动缸的转矩控制,利用扩张观测器来观测和补偿系统外部负载力的不确定性,有效地抑制了外部扰动对系统的影响。建立了伺服阀控制叶片式摆动缸的数学模型并设计了线性自抗扰控制器,在恒负载、变负载等多种工况下采用ADRC进行力矩闭环控制,并与PID控制方法进行比较。仿真表明,ADRC控制器可以有效抑制外部扰动,与PID控制器相比,在受到干扰后的平均误差缩小了30%以上。

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有抗热冲击、抗拉强度高、耐腐蚀等优点,已广泛应用在机器人、航空航天、工程装备及其他领域,用CFRP来制备液压缸能够大幅度提升液压系统的轻量化的水平,帮助系统降低能耗。本文从复合材料缸筒、活塞和活塞杆、成型工艺、密封润滑和发展趋势五个方面综述了CFRP液压缸的发展现状,介绍缸筒和活塞中金属与复合材料之间的联接方法及多材料设计的参考准则,并对手糊式、缠绕式、拉挤式、树脂传递模型成型等加工工艺进行介绍,然后讨论了CFRP液压缸存在的密封、摩擦、动态响应等问题,最后从涂层、加工、后处理给出了碳纤维液压缸的发展趋势。

针对液压四足机器人结构布局混乱、能量损失大及控制策略复杂等问题,从机器人整机、液压系统和控制策略3个角度分析了液压四足机器人的研究现状。首先,对各团队的机器人进行介绍,指出国内外的技术差距;然后,从动力来源、系统类型、液压回路和伺服执行元件4个方面对液压系统的主要2大构成分别阐述,着重介绍了以节能为目的的阀控系统和集成化、一体化的伺服执行器;接着概述了主流的几种控制策略,并分析各自的优缺点;最后,指出液压四足机器人的发展方向将集中在高速高压化、轻量化、节能降噪以及先进的控制算法,以实现液压四足机器人的高动态性能和行业应用。