数字液压驱动技术在仿生足式机器人中的应用

白晶，秦现生，伍彬艺

(西北工业大学 机电学院， 陕西 西安710072)

    仿生足式机器人关节普遍采用传统液压驱动方式，由于其能量效率不高，无法满足机器人高负载能力和自主连续工作时间的应用要求。在对机器人关节运动进行分析的基础上，提出了一种基于数字液压的关节驱动系统的实现方法，并对其所需流量和能量效率进行分析和仿真。结果表明：与传统液压相比，数字液压能减少关节驱动系统所需流量，从而提高能量效率。

    仿生足式机器人［1-2］与轮式和履带式机器人相比，具有更强的环境感知和地形适应能力，可以相对容易地跨过比较大的障碍，在战地、反恐、抢险救援、空间探索、危险环境作业等场合有广泛的应用前景和显著的优势，已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，各国都投入大量的经费和人员进行研究。由于机器人主要适合工作在人所不及的外部环境或危险场所，在携带的能源有限的情况下，搭载更多设备和延长自主连续工作时间就显得尤为重要，如何提高驱动系统的能量效率，从而增加平台承载能力和自主连续工作时间就成为了关注的焦点。

    目前仿生足式机器人的驱动系统一般采用电动、气动、传统液压或其组合形式［3］。电动驱动系统由于其技术先进性和低廉的价格而成为机器人领域中最常见的驱动器，但存在输出功率小、减速齿轮等传动部件容易磨损的问题。相对电动驱动系统，传统液压驱动系统具有较高的输出功率、高带宽、快响应以及一定程度上的精准性。因此，仿生足式机器人在大功率的应用场合下一般采用液压驱动，但传统液压驱动存在能量效率较低的问题，影响了仿生足式机器人承载能力和自主连续工作时间，进而限制了仿生足式机器人的使用范围。因此，研究和设计高能量效率的机器人关节驱动系统具有十分重要的理论和现实意义。

1数字液压驱动技术

    数字液压简单来说是将液压元件直接数字化, 通过接收数字控制器发出的脉冲信号和计算机发出的脉冲信号, 实现可靠工作。一般来讲, 数字液压元件包括数字泵、数字阀、数字液压缸和数字液压马达。

1.1数字液压的特点和优势

a.输出流量量化。

    数字液压能根据液压执行器的速度需要，通过对并联单向阀的状态控制来调节输出流量，其流量输出量化的特性能有效提高驱动装置的能量效率。

b.反应时间短。

    其系统的反应时间主要取决于简单单向阀的反应时间，反应时间短。

c.冗余度高。

    并联单向阀的结构方式具有较大的冗余性，单个单向阀故障只会降低驱动系统的性能，而不会导致系统完全失效，冗余度高。

    数字液压输出流量量化、响应时间短、容错能力强的特性，使其具有能量效率高、反应速度快、任务可靠性高的优势。

1.2数字液压的研究现状

    芬兰坦佩雷技术大学对数字液压的基本原理、实现方法、自身特性进行了分析，并对其应用领域和面临的挑战进行了介绍［4-5］。国内研究机构如浙江大学［6］、海军工程大学［7等对数字液压的研......

作者简介：白晶(1978—)，女，甘肃白银人,西北工业大学讲师，博士,主要研究方向为复杂机电产品模块化设计及智能数控系统模块化。
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