液压驱动的四足机器人控制系统研究

张鹏翔，廖启征，魏世民，郭 磊

(北京邮电大学，北京 100876)

1 引言

四足机器人与履带、轮式机器人相比，具有较强的地形适应能力，能够通过山地，雪地等特殊地形。因此，四足机器人已成为机器人领域的研究热点。特别是采用液压作为驱动，机器人拥有一定的负载能力，从而具有较大的使用价值。名为 BigDog的四足机器人为典型。

四足机器人主要是依赖分布于四条腿上的驱动单元来行走，其运动性能直接取决于液压系统性能。因此，液压系统是机器人系统中的重点部分。由于驱动单元为液压执行器件，只要能控制液压执行器件的运动，就可以决定四足机器人的整体运动。所以控制系统的设计需要考虑到液压系统的实际情况。

四足机器人的每个腿部均有 4个驱动，仅驱动控制就有 16个，导致机器人的控制系统设计较为复杂。因此，机器人的控制系统分为两部分：主控制系统，用于机器人整体控制和外部通信;从控制系统，用于控制机器人各腿部的运动和与主控制系统通信。二者通过总线相连接。

2 液压系统研究

四足机器人的液压系统主要包括液压泵，液压执行元件(液压缸)，电液伺服阀，蓄能器，溢流阀和其他必要的附件。液压泵将外部动力能转化为液压能，驱动液压系统工作，为恒压变量泵，工作压力 16 MPa。液压缸将液压能转换为机械能，用以驱动机器人行走，单活塞杆型，内径 16 mm，活塞杆径 12 mm，行程70 mm。电液伺服阀是液压系统中最重要的元件，能将微弱的电信号转化为液压能，用以控制通过液压缸的流量，从而控制机器人的运动。四足机器人一个腿部的液压系统原理图如图 1所示。机器人的所有液压缸均由同一个液压泵驱动。由于机器人为独立工作，因此液压泵的动力源为两冲程汽油机，考虑到冷却因素，液压系统的冷却形式为风冷。

图1 四足机器人液压系统原理图

根据所选用伺服阀的情况，其电气接口主要有：电源输入端(24 V直流)，控制信号输入端(±10 V)，阀芯位置输出端(4～20 mA电流)，以及信号、保护接地。因此，调节控制信号输入端的电压大小和极性，即可控制液压缸的流量和运动方向。由液压控制原理可知，在开环情况下，即不把液压缸的位移作为反馈，通过伺服阀只能控制液压缸的移动速度。为此，采用电位计测量液压缸的伸缩量，构成闭环。伺服阀的控制采用 PWM信号，阀芯的位移响应 PWM信号的平均值，通过调节 PWM信号的占空比，来控制伺服阀的控制输入电压。由于 PWM信号包含一定频率的脉动量，使阀芯处于微振动状态，可减小伺服阀的滞环，静摩擦等负面影响。考虑伺服阀自身的动态特性，选择PWM信号的频率为 11 kHz。

3 控制系统硬件研究

由引言可知，四足机器人的控制系统分为两个部分。由于嵌入式系统具有体积小，重量轻，可靠性高等特点，因此主，从控制系统均采用嵌入式微处理器作为控制器。其中，主控制器为 S3C2440芯片，从控制器为 LPC2210芯片。考虑到芯片引脚的复用情况以及控制器之间的实时数据交互，各控制器采用 I2C总线连接，控制系统原理图如图 2所示：

图2 四足机器人控制系统原理图

主控制系统是四足机器人的核心部分。S3C2240硬件连接方面：通过 I2C总线与 LPC2210连接，保持相互之间的数据交互;通过 USB接口与陀螺仪相连接，获得机器人当前的姿态;通过串口与机器人各足底部的六维力传感器连接，获取机器人的受力情况，其中波特率 115200;此外接有通信模块，与外部操作人员保持通信。

在从控制系统中，每个控制器负责机器人一个腿部的运动控制。LPC2210通过 4路 PWM信号控制腿部的伺服阀的控制输入电压，进而调节液压缸的运动，由于管脚的电压为 0～3.3 V，因此 PWM信号在送入伺服阀之前需进行电平转换。LPC2210共有 8路 AD转化，其中 4路接电位计，用以测量液压缸的伸缩量。由于伺服阀有阀芯位置输出端，当输出电流为 0时，表明伺服阀出现故障，液压系统需要停止工作。为此，将该输出信号首先进行电流-电压转换，然后进行 AD转换，送至 LPC2210，用以实时监控伺服阀状态。AD采样频率均为 100Hz。另外，为了测量机器人腿部各关节的转动，采用光电编码器测量关节的转角。LPC2210硬件资源配置如图 3所示。

图3 从控制系统硬件配置框图

4 控制系统算法研究

主控制系统移植了嵌入式 Linux操作系统，采用多线程处理机器人的整体控制。主要线程有：通信线程，通过通信端口接收外部的操作指令;传感器线程，接收机器人陀螺仪，六维力传感器输出数据;控制线程，根据通信线程和传感器线程所获得的数据，由四足机器人的控制模型，计算出各腿部的运动指令;I2C线程，将控制线程所得运动指令通过 I2C总线发送至从控制器，同时接收从控制器的返回数据;监控线程，监控液压系统的工作状况，如液压系统任意部件出现异常，使机器人停止运动。

从控制系统中，接受主控制器的运动指令，根据当前腿部关节和液压缸的实际位置，计算出液压缸的位置，产生相应占空比的 PWM信号，驱动伺服阀测试相应的开度，使液压缸动作。控制器还监控伺服阀的阀芯位置输入，以避免伺服阀的故障对机器人系统造成损坏。同时，从控制器向主控制器返回当前腿部的运动状态。从控制系统程序流程图如图 4所示。

图4 从控制系统程序流程图

5 结语

针对四足机器人液压系统的性质，分析所用电液伺服阀的特点，提出了采用嵌入式控制器设计机器人的控制系统。将控制系统分为两层，主控制系统负责机器人的整体控制，产生机器人的运动指令。各从控制系统负责控制相应腿部的运动，根据主控制系统的指令，通过调节伺服阀的输入控制电压，来控制液压缸的动作。通过实际试验表明，该控制系统设计方案能够达到预期效果。

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