下肢外骨骼机器人电液伺服控制系统设计

谢飞飞，赫东锋，刘波，张君安

(西安工业大学 机电工程学院，陕西 西安710021)

    利用电液伺服阀和非对称液压缸的流量连续性方程、力平衡方程，推导出阀控缸动态数学模型；利用拉格朗日函数法和虚位移原理，建立了下肢外骨骼机器人各液压缸的负载力计算模型；通过稳定边界参数整定方法设计了下肢外骨骼机器人电液伺服系统PID控制器，并运用Simulink仿真软件对该系统跟随人体步态情况进行了仿真。仿真结果表明，该系统能够达到下肢外骨骼机器人对电液伺服系统的相关要求。

    外骨骼是一种可以让人穿戴的人机一体化机械装置，它将人类和机器人结合在一起，靠人的行为来控制机器人，通过机器人与人的结合完成一些单个人不能完成的事情。电液伺服驱动具有控制精度高、响应速度快、信号处理灵活、易于实现各种参量的反馈等优点，但是也不排除一些电液伺服系统故障的产生［1］。下肢外骨骼机器人多采用电液伺服驱动的方式来驱动下肢各关节，主要依靠液压缸在一定范围的伸缩来实现下肢的摆动。作为外骨骼机器人的驱动系统，电液伺服系统性能的好坏对外骨骼机器人性能的优劣具有很大影响，是外骨骼机器人的关键性技术之一。

    本文利用非对称液压缸和伺服阀流量连续性方程、力平衡方程、拉格朗日函数法和虚位移原理建立了数学模型，同时在存在外负载的情况下运用MATLAB/Simulink对下肢外骨骼机器人电液伺服系统跟随人体步态进行了仿真。

1下肢外骨骼机器人电液伺服控制原理

    下肢外骨骼机器人的控制实质上是控制各关节处的阀控缸。机器人在运动过程中，关节处的角度会发生变化，编码器将信号传入PID控制器，同时结合输入信号不断地矫正，由PID控制器实现更加精确的控制。下肢外骨骼机器人三维模型和原理图如图1、图2所示。

图1下肢外骨骼机器人三维模型

2电液伺服系统模型建立

2.1阀控缸数学模型的建立

    阀控缸数学模型由电液伺服阀方程、伺服阀流量方程、液压缸流量连续方程、液压缸力平衡方程联立而成，同时在建立阀控缸特性仿真模型中应充分考虑非线性特性［2］，其结果如下 ［3］：

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Xp(s)=［Kq/A1Xv(s)-(Kc+Ctp)FL(s)/A1(1+Vt/4βe.s)］/{MVt/4βeA1.s3+［M(Kc+Ctp)/A1+BpVt/4βeA1］s2+........

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作者简介：谢飞飞（1988—），男，陕西宝鸡人，西安工业大学硕士研究生，主要从事电液伺服控制研究。
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