張鵬翔，廖啟征，魏世民，郭 磊

(北京郵電大學(xué)，北京 100876)

1 引言

四足機(jī)器人與履帶、輪式機(jī)器人相比，具有較強(qiáng)的地形適應(yīng)能力，能夠通過(guò)山地，雪地等特殊地形。因此，四足機(jī)器人已成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。特別是采用液壓作為驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人擁有一定的負(fù)載能力，從而具有較大的使用價(jià)值。名為 BigDog的四足機(jī)器人為典型。

四足機(jī)器人主要是依賴分布于四條腿上的驅(qū)動(dòng)單元來(lái)行走，其運(yùn)動(dòng)性能直接取決于液壓系統(tǒng)性能。因此，液壓系統(tǒng)是機(jī)器人系統(tǒng)中的重點(diǎn)部分。由于驅(qū)動(dòng)單元為液壓執(zhí)行器件，只要能控制液壓執(zhí)行器件的運(yùn)動(dòng)，就可以決定四足機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。所以控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮到液壓系統(tǒng)的實(shí)際情況。

四足機(jī)器人的每個(gè)腿部均有 4個(gè)驅(qū)動(dòng)，僅驅(qū)動(dòng)控制就有 16個(gè)，導(dǎo)致機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。因此，機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為兩部分：主控制系統(tǒng)，用于機(jī)器人整體控制和外部通信;從控制系統(tǒng)，用于控制機(jī)器人各腿部的運(yùn)動(dòng)和與主控制系統(tǒng)通信。二者通過(guò)總線相連接。

2 液壓系統(tǒng)研究

四足機(jī)器人的液壓系統(tǒng)主要包括液壓泵，液壓執(zhí)行元件(液壓缸)，電液伺服閥，蓄能器，溢流閥和其他必要的附件。液壓泵將外部動(dòng)力能轉(zhuǎn)化為液壓能，驅(qū)動(dòng)液壓系統(tǒng)工作，為恒壓變量泵，工作壓力 16 MPa。液壓缸將液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，用以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人行走，單活塞桿型，內(nèi)徑 16 mm，活塞桿徑 12 mm，行程70 mm。電液伺服閥是液壓系統(tǒng)中最重要的元件，能將微弱的電信號(hào)轉(zhuǎn)化為液壓能，用以控制通過(guò)液壓缸的流量，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。四足機(jī)器人一個(gè)腿部的液壓系統(tǒng)原理圖如圖 1所示。機(jī)器人的所有液壓缸均由同一個(gè)液壓泵驅(qū)動(dòng)。由于機(jī)器人為獨(dú)立工作，因此液壓泵的動(dòng)力源為兩沖程汽油機(jī)，考慮到冷卻因素，液壓系統(tǒng)的冷卻形式為風(fēng)冷。

圖1 四足機(jī)器人液壓系統(tǒng)原理圖

根據(jù)所選用伺服閥的情況，其電氣接口主要有：電源輸入端(24 V直流)，控制信號(hào)輸入端(±10 V)，閥芯位置輸出端(4～20 mA電流)，以及信號(hào)、保護(hù)接地。因此，調(diào)節(jié)控制信號(hào)輸入端的電壓大小和極性，即可控制液壓缸的流量和運(yùn)動(dòng)方向。由液壓控制原理可知，在開(kāi)環(huán)情況下，即不把液壓缸的位移作為反饋，通過(guò)伺服閥只能控制液壓缸的移動(dòng)速度。為此，采用電位計(jì)測(cè)量液壓缸的伸縮量，構(gòu)成閉環(huán)。伺服閥的控制采用 PWM信號(hào)，閥芯的位移響應(yīng) PWM信號(hào)的平均值，通過(guò)調(diào)節(jié) PWM信號(hào)的占空比，來(lái)控制伺服閥的控制輸入電壓。由于 PWM信號(hào)包含一定頻率的脈動(dòng)量，使閥芯處于微振動(dòng)狀態(tài)，可減小伺服閥的滯環(huán)，靜摩擦等負(fù)面影響?？紤]伺服閥自身的動(dòng)態(tài)特性，選擇PWM信號(hào)的頻率為 11 kHz。

3 控制系統(tǒng)硬件研究

由引言可知，四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小，重量輕，可靠性高等特點(diǎn)，因此主，從控制系統(tǒng)均采用嵌入式微處理器作為控制器。其中，主控制器為 S3C2440芯片，從控制器為 LPC2210芯片?？紤]到芯片引腳的復(fù)用情況以及控制器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，各控制器采用 I2C總線連接，控制系統(tǒng)原理圖如圖 2所示：

圖2 四足機(jī)器人控制系統(tǒng)原理圖

主控制系統(tǒng)是四足機(jī)器人的核心部分。S3C2240硬件連接方面：通過(guò) I2C總線與 LPC2210連接，保持相互之間的數(shù)據(jù)交互;通過(guò) USB接口與陀螺儀相連接，獲得機(jī)器人當(dāng)前的姿態(tài);通過(guò)串口與機(jī)器人各足底部的六維力傳感器連接，獲取機(jī)器人的受力情況，其中波特率 115200;此外接有通信模塊，與外部操作人員保持通信。

在從控制系統(tǒng)中，每個(gè)控制器負(fù)責(zé)機(jī)器人一個(gè)腿部的運(yùn)動(dòng)控制。LPC2210通過(guò) 4路 PWM信號(hào)控制腿部的伺服閥的控制輸入電壓，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)，由于管腳的電壓為 0～3.3 V，因此 PWM信號(hào)在送入伺服閥之前需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。LPC2210共有 8路 AD轉(zhuǎn)化，其中 4路接電位計(jì)，用以測(cè)量液壓缸的伸縮量。由于伺服閥有閥芯位置輸出端，當(dāng)輸出電流為 0時(shí)，表明伺服閥出現(xiàn)故障，液壓系統(tǒng)需要停止工作。為此，將該輸出信號(hào)首先進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行 AD轉(zhuǎn)換，送至 LPC2210，用以實(shí)時(shí)監(jiān)控伺服閥狀態(tài)。AD采樣頻率均為 100Hz。另外，為了測(cè)量機(jī)器人腿部各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，采用光電編碼器測(cè)量關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。LPC2210硬件資源配置如圖 3所示。

圖3 從控制系統(tǒng)硬件配置框圖

4 控制系統(tǒng)算法研究

主控制系統(tǒng)移植了嵌入式 Linux操作系統(tǒng)，采用多線程處理機(jī)器人的整體控制。主要線程有：通信線程，通過(guò)通信端口接收外部的操作指令;傳感器線程，接收機(jī)器人陀螺儀，六維力傳感器輸出數(shù)據(jù);控制線程，根據(jù)通信線程和傳感器線程所獲得的數(shù)據(jù)，由四足機(jī)器人的控制模型，計(jì)算出各腿部的運(yùn)動(dòng)指令;I2C線程，將控制線程所得運(yùn)動(dòng)指令通過(guò) I2C總線發(fā)送至從控制器，同時(shí)接收從控制器的返回?cái)?shù)據(jù);監(jiān)控線程，監(jiān)控液壓系統(tǒng)的工作狀況，如液壓系統(tǒng)任意部件出現(xiàn)異常，使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。

從控制系統(tǒng)中，接受主控制器的運(yùn)動(dòng)指令，根據(jù)當(dāng)前腿部關(guān)節(jié)和液壓缸的實(shí)際位置，計(jì)算出液壓缸的位置，產(chǎn)生相應(yīng)占空比的 PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服閥測(cè)試相應(yīng)的開(kāi)度，使液壓缸動(dòng)作?？刂破鬟€監(jiān)控伺服閥的閥芯位置輸入，以避免伺服閥的故障對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)造成損壞。同時(shí)，從控制器向主控制器返回當(dāng)前腿部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從控制系統(tǒng)程序流程圖如圖 4所示。

圖4 從控制系統(tǒng)程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)四足機(jī)器人液壓系統(tǒng)的性質(zhì)，分析所用電液伺服閥的特點(diǎn)，提出了采用嵌入式控制器設(shè)計(jì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)。將控制系統(tǒng)分為兩層，主控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人的整體控制，產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)指令。各從控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)控制相應(yīng)腿部的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)主控制系統(tǒng)的指令，通過(guò)調(diào)節(jié)伺服閥的輸入控制電壓，來(lái)控制液壓缸的動(dòng)作。通過(guò)實(shí)際試驗(yàn)表明，該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案能夠達(dá)到預(yù)期效果。

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