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。

足式机器人在动力学方面充分利用了液压传动的特性，把动力学的分析和计算转移到液压系统的控制中完成，液压系统的力和扭矩输出主要取决于终端执行器的负载，根据负载的大小和变化，调整发动机的转速，实现对液压总路油压的控制，再通过电液伺服阀控制进入单个执行器的油压，流量和流速等参数，实现根据负载的变化对应输出与之平衡的力和扭矩，还包括加速和减速的情况。

然而利用电机控制的足式机器人，需要预测下一时段各个关节的负载，设定电机的输出，但是这个输出无法达到液压快速实现与负载平衡的输出效果。电机的输出或大于终端的负载，或小于终端的负载，只在少数情况下两者刚好平衡，这就是常见的电机驱动足式机器人在行走时，机身多数会出现晃动的原因，即受力不平衡，而液压驱动的足式机器人，除非遭受突然的外力作用，大多数情况下都能处于动态的平衡中，关键还是它的液压系统的适应能力发挥了决定性的作用，当液压驱动的足式机器人进行加速的时候，输出的扭矩需要大于当前的负载，这是利用了伺服阀的控制流速的功能，当某个执行器所在肢体载荷突然增大，也可利用伺服阀的增压功能，实现在执行器中油压大于总路油压的性能。

足式机器人的运动效率主要取决于3个方面：运动方式造成的内耗，机械结构的传动效率和控制造成的内耗。运动方式的内耗包括重心的欺负，腿部相对机身的摆动等，机械部分主要包括各个主动关节和液压执行器内部及输出端运动转换机构。从而要求高能效的驱动，柔顺的适应和适应地形的切换控制。虽然电液伺服控制技术可以很好的满足后两条的要求，但是液压系统的低效率成为了足式机器人进一步发展的软肋，这直接导致了足式机器人的效率低，体积大，输入功率高以及续航能力差的显著缺点。另外由于液压系统工作时具有很大的噪声，也直接导致了足式机器人在工作时的产生噪声，不利于在战场上执行任务和执行勘探，这也是目前足式机器人没有广泛应用的重要原因之一。

综上所述，足式机器人的驱动要求高功率密度比并且为了强的地形适应性，所以还需要位置和力的快速响应和精确控制与切换，所以电液控制系统成为了驱动足式机器人的最佳的不可替代的方案。

三.液压驱动足式机器人发展和面临的挑战

1.足式机器人的研究趋势

随着足式机器人的研究日益深入和发展，足式机器人在速度，稳定性，灵活性和对地面的适应性等方面的性能将不断提高，自主化和智能化将逐步实现，综合分析，在未来的研制中，足式机器人有以下几个发展趋势：

(1)实现腿机构的高能，高效性

动物的肌腱肌肉均是高效储能和节能的元件，能够解决高速稳定行走和能量利用率的问题，而足式机器人的腿机构和关节均为刚性连接，不但不能储能，且因触地的冲击，要消耗掉许多能量，因而高功率且具有缓冲储能措施的腿机构是未来的研究热点问题。

(2)足式移动方式与轮式技术的结合

足式移动方式与轮式技术的结合，既可通过轮式调节控制移动的效率，也可利用腿机构实现越障，避障等高效运动，目前国内外开展了轮，足相结合机器人的相关研究，在以后的研究工作中轮，足相结合的研究力度会进一步加大。

(3)步行机器人的微型化

微型步行机器人有着广阔的应用前景，它可以广泛应用于各类科学探索，工业作业中，例如可在狭小的空间如管道内行走，作业和维修等。

(4)增强足式机器人的负载能力

目前足式机器人的研究主要集中在小型轻便，易于控制等方面，距离低能耗，高负载的要求还有一定的差距，在进行野外实际作业时实用性较差，基于此，开展负载能力强，步行机构能耗低的足式机器人的研究也是未来研究的一个重要的方向。

(5)机器人仿生的进一步深化

足式机器人不能仅仅限制在模仿机构上，还应该模仿生物的一些功能，如蝙蝠的听觉，狗的嗅觉，蜻蜓的视觉等。

综上所述，尽管足式机器人技术有了很大的发展，但是制约足式机器人进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决，许多的机器人还达不到生物简单运动的速度和稳定性，足式机器人的关键技术还有待于进一步大力开发。

2. 电液伺服控制足式机器人技术面临的挑战

由于电液伺服系统是一个严重不确定的非线性系统，环境和人物复杂，普遍存在参数变化，外干扰和交叉耦合干扰，另外，电液伺服系统对频带和跟踪精度都有很高的要求而且在足式机器人的应用中，由于是在高精度快速跟踪条件下，电液伺服系统中的非线性作用已经不容忽视，所以可以说电液伺服系统是一类典型的未知不确定非线性系统，这类系统扰动大，工作范围宽，时变参量多，难以精确建模，这些特点对系统的稳定性，动态特性和精度都将产生严重的影响，特别是控制精度受负载特性的影响而难以预测，计算机控制在电液伺服系统的应用使得复杂控制策略的实现成为可能，从而提高了系统的鲁棒性和控制精度，并在解决许多工程问题上，发挥了积极的作用，但是在驱动足式机器人的环境下，由于环境存在大的扰动和严重的不确定性，要求自适应算法趋向复杂，造成实现上的困难，此外，它对非线性因素的处理能力也不尽人意，近几年，控制学科的发展也推动了电液伺服控制系统智能控制的研究。

综上所述，液压驱动足式机器人因为电液伺服系统具有的许多显著优点而具有广阔的应用前景和研究价值，但是由于液压系统本身存在的一些重大缺陷也限制了液压驱动机器人的进一步发展，所以现在需要对电液伺服控制技术存在的种种问题如效率低，噪声大，非线性等关键问题加以研究和解决，只有突破了这些技术难关，才能使足式机器人的发展走上更高的层次。