The design and analysis of bionic robot drive system based on hydraulic SEA

杜挺豪1，韓莉莉1，寧　祎1，羅健文2，杜婷婷1

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人研究所，鄭州 450007；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人研究所，哈爾濱 150080）

DU Ting-hao1,　HAN Li-li1,　NING Yi1,　LUO Jian-wen2,　DU Ting-ting1

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基于液壓SEA的仿生機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)研究

The design and analysis of bionic robot drive system based on hydraulic SEA

杜挺豪1，韓莉莉1，寧祎1，羅健文2，杜婷婷1

（1.河南工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人研究所，鄭州 450007；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)器人研究所，哈爾濱 150080）

DU Ting-hao1,HAN Li-li1,NING Yi1,LUO Jian-wen2,DU Ting-ting1

摘要：根據(jù)液壓串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)液壓SEA）驅(qū)動(dòng)仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)的需要，設(shè)計(jì)了一種新型驅(qū)動(dòng)器，其驅(qū)動(dòng)電路采用三級(jí)控制結(jié)構(gòu)和深度電流負(fù)反饋技術(shù)。闡述了驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)原理和動(dòng)態(tài)特性分析，并對(duì)制作的驅(qū)動(dòng)器物理系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試。結(jié)果表明，驅(qū)動(dòng)器輸出負(fù)載電流穩(wěn)定，線性度好，響應(yīng)速度快，滿足設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；液壓SEA；驅(qū)動(dòng)器；深度電流負(fù)反饋

0　引言

重載仿生機(jī)器人需要較大的負(fù)載能力和驅(qū)動(dòng)力矩，其驅(qū)動(dòng)方式的選擇非常重要。電機(jī)驅(qū)動(dòng)的功率密度低，負(fù)載能力小，滿足不了這類(lèi)機(jī)器人的需要；而液壓驅(qū)動(dòng)以其功率密度高，響應(yīng)速度快和負(fù)載能力強(qiáng)的優(yōu)越性能受到了工程界的青睞。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與技術(shù)要求

研究的驅(qū)動(dòng)器主要用于液壓SEA驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人。該驅(qū)動(dòng)器作為仿生機(jī)器人的重要執(zhí)行部分，除了要求輸出功率大、動(dòng)、靜態(tài)性能好，還要具有線性度好、響應(yīng)速度快、頻帶寬等特點(diǎn)[1]。特別對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)的仿生機(jī)器人來(lái)說(shuō)，要盡量減少液壓管線的分布，減輕仿生機(jī)器人的重量。設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器要滿足輕量化、小型化的要求，易于與液壓SEA集成。液壓SEA驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

液壓SEA驅(qū)動(dòng)器應(yīng)滿足以下技術(shù)參數(shù)：1）輸入的電壓范圍為-10V～+10V；2）輸出的電流范圍為-40mA～+40mA；3）驅(qū)動(dòng)器的線性度誤差要小于3%；4）驅(qū)動(dòng)器的頻帶度應(yīng)大于400Hz，以適應(yīng)電液伺服閥的高頻響應(yīng)；5）采用24V單電源供電，滿足各個(gè)模塊的供電要求。

圖1　液壓SEA驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)

2　電氣特性分析

電液伺服閥在長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作后會(huì)產(chǎn)生很高的溫升。受溫度變化的影響，線圈的電阻值產(chǎn)生高達(dá)30%的變化[2]。采用深度電流負(fù)反饋技術(shù)，可以抑制負(fù)載線圈電阻變化對(duì)輸出電流的影響，消除閥線圈阻抗變化引起閥的增益變化和相位滯后。

圖2　驅(qū)動(dòng)器等效電路

當(dāng)采用深度電流負(fù)反饋時(shí)，為了方便分析，可以將驅(qū)動(dòng)器用圖2所示的等效電路來(lái)表示。

其中，u為放大器輸入控制電壓，Au為經(jīng)過(guò)放大器放大后的電壓，R、L分別為負(fù)載電阻和電感，r為等效內(nèi)阻，i為負(fù)載電流。

由基爾霍夫定律可得：

取拉式反變換得：

即：

其中，時(shí)間常數(shù)：

電氣轉(zhuǎn)折頻率：

在實(shí)驗(yàn)中，若采用電壓負(fù)反饋，其等效內(nèi)阻r≈0，此時(shí)的轉(zhuǎn)折頻率很低，會(huì)使系統(tǒng)的頻率響應(yīng)受到ωa的限制[3]。當(dāng)采用深度電流負(fù)反饋時(shí)，可以使等效內(nèi)阻r增大，從而增大系統(tǒng)的電氣轉(zhuǎn)折頻率ωa，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性[4]。

3　電路設(shè)計(jì)及相關(guān)計(jì)算

驅(qū)動(dòng)器電路原理圖如圖3所示。

當(dāng)不考慮調(diào)零電路的作用時(shí)，根據(jù)運(yùn)算放大器的虛短和虛斷原理，通過(guò)放大器U1可得：

式(6)進(jìn)行整理可得：

圖3　驅(qū)動(dòng)器電路原理圖

放大器U2是個(gè)電壓跟隨器，輸出電壓緊緊跟隨輸入，可得：

放大器U3是功率輸出級(jí)，可得：

將式(8)代入式(9)可得：

求得，流過(guò)負(fù)載RL的電流為：

通過(guò)式(11)可以看出，當(dāng)電路中的參數(shù)確定時(shí)，負(fù)載上的電流和輸入電壓信號(hào)成線性關(guān)系，并且與負(fù)載電阻的大小無(wú)關(guān)，趨于恒流源。

4　動(dòng)態(tài)特性分析

為了有效地提高伺服閥線圈的固有頻率 ，采用深度電流負(fù)反饋方式電路[5,6]。

T=5.7×10-8將式(12)、式(13)、式(14)帶入式(15)，伺服放大器的傳遞函數(shù)為：

其中：

由于放大器的開(kāi)環(huán)增益A很大，所以在深度電流負(fù)反饋中時(shí)間常數(shù)：

采用FF-102電液伺服閥，其傳遞函數(shù)：

驅(qū)動(dòng)器的傳遞函數(shù)為：

將相關(guān)參數(shù)帶入式(18)后，用MATLAB進(jìn)行仿真，驅(qū)動(dòng)器的伯德圖如圖4所示，在階躍信號(hào)輸入下的響應(yīng)曲線如圖5所示。

分析圖4、圖5，驅(qū)動(dòng)器的帶寬為550Hz，上升時(shí)間為1.5ms，峰值時(shí)間為3ms，調(diào)節(jié)時(shí)間為4.7ms，超調(diào)量為9.3%。驅(qū)動(dòng)器動(dòng)態(tài)性能好、響應(yīng)迅速，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4　驅(qū)動(dòng)器伯德圖

圖5　驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)曲線

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)果分析

驅(qū)動(dòng)器輸入-10V～+10V的電壓，測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　伺服放大器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到輸入電壓與負(fù)載電流曲線如圖6所示。

圖6　輸入電壓與輸出電流關(guān)系圖

分析圖6的曲線，可以得到，曲線線性度好，誤差小于3%，輸出電流與輸入電壓成線性關(guān)系，符合設(shè)計(jì)要求。

6　結(jié)束語(yǔ)

參考文獻(xiàn)：

[1] 李玲瓏,等.伺服放大器設(shè)計(jì)與仿真分析[J].自動(dòng)化儀表,2012(12): 83-85.

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[3] 封元華.電液伺服系統(tǒng)中的電流負(fù)反饋放大器[J].航空計(jì)測(cè)計(jì)術(shù),1993(6).

[4] Changqi Chen,Hongjun Tang. An electro-hydraulic servo control system research for CFETR blanket RH[J].Fusion Engineering and Design,2014,89(11).

[5] 邵華平,董選明.基于LH0041的伺服電流放大器電路設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1998(7).

[6] Has,Z.Robust Precision Control for a Class of Electro-Hydraulic Actuator System based on Disturbance Observer[J].international journal of precision engineering and manufacturing,2015,16.

作者簡(jiǎn)介：杜挺豪（1990 -），男，河南許昌人，碩士研究生，主要從事機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究工作。

基金項(xiàng)目：國(guó)家863計(jì)劃支持項(xiàng)目（2014AA1329）

收稿日期：2015-11-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273；TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)03-0053-04