高性能液压驱动四足机器人 SCalf 的设计与实现

第36卷第4期2014年7月机器人ROBOTVol.36,No.4July,2014DOI：10.13973/j.cnki.robot.2014.0385高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现柴汇，孟健，荣学文，李贻斌（山东大学控制科学与工程学院，山东济南250061）摘要：详细阐述了液压驱动的四足仿生机器人SCalf的结构组成、机载动力系统、液压驱动器和实时控制系统．利用基于姿态解耦的运动控制方法，实现了机器人的平稳、快速运动．开发了基于足底接触力的腿部柔顺控制方法，提高了机器人对复杂地形的适应能力．在实际运行实验中，验证了SCalf机器人在非平整路面、易打滑路面、上下坡及上楼梯状况下的运动能力，以及受到侧向冲击时的抗扰动能力和自主平衡能力，证明了SCalf四足机器人能够满足较为复杂地面环境下的行走需求．关键词：四足机器人；液压驱动；柔顺控制；平衡控制中图分类号：TP24文献标识码：A文章编号：1002-0446(2014)-04-0385-07DesignandImplementationofSCalf,anAdvancedHydraulicQuadrupedRobotCHAIHui，MENGJian，RONGXuewen，LIYibin(SchoolofControlScienceandEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061,China)Abstract:AnadvancedhydraulicquadrupedrobotnamedSCalfisintroduced,anditsmechanism,onboardpowersystem,hydraulicactuatorsandreal-timecontrolsystemarepresented.Byusingalocomotioncontrolbasedonattitudedecoupling,SCalfcanmovefastandstably.SCalfisalsoabletoadapttocomplexterrainsbasedonalegcompliantcontrolsystemwithcontactforcesensorsonitsfeet.NumerousexperimentsshowthatSCalfcansafelywalkthroughvariouscomplexterrainsincludingroughterrain,slipperyterrain,slopeandstairs.Theself-balancingofSCalfundersideimpacthasalsobeenexperimentallyverified.AlltheseresultsdemonstratethewalkingabilityofSCalfoncomplexterrains.Keywords:quadrupedrobot;hydraulicactuating;compliantcontrol;balancingcontrol1引言（Introduction）亿万年生物进化的结果表明，陆生大型动物基本上都是四足形式，四足哺乳动物的运动形式在复杂地形适应能力、运动灵活性方面较其他移动形式具有十分巨大的优势[1]．在腿足式机器人研究领域，综合其机构复杂度和稳定性，四足机器人是一种较优的选择方式[2]．因此，以四足哺乳动物为仿生对象，构造具有大负载能力、高动态性和复杂环境适应能力的高性能四足仿生机器人，一直以来都是研究人员关注的焦点问题．随着动力源、执行器以及传感器等技术的发展，以BigDog[3-4]为代表，欧美相继出现了四足支援系统（LS3）[5]、HyQ[6-7]等高性能四足仿生机器人，亚洲的日本、韩国等制造业发达国家也开始了这方面的研究、开发工作[8-12]．这些机器人大都采用液压驱动或电液混合驱动，具有12～16个主动运动自由度，能够以动步态行走或奔跑，具有很强或较强的移动能力、野外地形适应能力和自主平衡能力，已经基本可以作为野外腿足式移动平台使用．近年来国内开展的四足机器人研究也逐渐开始注重移动平台的适应性和实用性．哈尔滨工业大学[13-14]、上海交通大学、国防科技大学以及北京理工大学均研制出了配备有机载动力源、具有一定地形适应能力的液压驱动腿足式移动机器人平台[15]．这些机器人平台较以往的腿足机器人平台最大的区别在于，可以利用自身的动力源走出实验室，在室外、甚至是野外环境，依靠自身的适应能力和平衡能力进行移动．山东大学机器人研究中心在以往四足机器人平台，以及四足动物运动的研究基础上，围绕适用于基金项目：国家自然科学基金重点资助项目（61233014）；国家863计划资助项目（2011AA041001）；国家自然科学基金青年基金资助项目（61305130）；山东大学自主创新基金资助项目（2012TS214）．通信作者：李贻斌，[e-mail]收稿／录用／修回：2013-08-22/2013-12-05/2014-04-22385386机器人2014年7月腿足式机器人的高功率密度的液压驱动、动态平衡控制、仿生机构、环境感知与适应控制五大关键技术展开研究与设计工作，最终研制出配备机载动力系统、具有一定野外适应能力的高性能四足仿生机器人平台SCalf．本文将对SCalf机器人的性能参数、设计参数以及系统构架进行阐述．2SCalf机器人结构（StructureofSCalf）SCalf液压驱动四足机器人以大型有蹄类动物为仿生对象，同时考虑到运动能量消耗、载重、运动指标以及开发成本，以刚性框架作为其躯干，并对其腿部骨骼进行简化，最终形成了12个主动自由度、4个被动自由度的四足仿生机构．其中，每条腿上分别有1个横摆关节和2个俯仰关节，由铝合金材料加工制成，通过安装在腿末端被动自由度上的直线弹簧来吸收来自地面的冲击．SCalf整体结构如图1所示[16]．থࡼᴎ⎆य़ᴎ䕑⎆य़キᬷ⛁఼䒃ᑆ῾ᨚ݇㡖׃ӄ݇㡖Ⳉ㒓㹿ࡼ㞾⬅ᑺԎ᳡⊍㔌䎇ᑩ໮㓈࡯Ӵᛳ఼图1SCalf机器人的整体结构Fig.1TheoverallstructureofSCalf在上述框架的基础上，SCalf集成了发动机系统、传动系统、液压驱动系统、控制系统、传感系统、热交换系统及燃料箱等．表1SCalf机器人参数Tab.1ThespecificationofSCalf名称参数长/mm1100宽/mm490站立高度/mm1000自重/kg123步态trotting,creeping负重/kg120行走速度/(km·h−1)5最大爬坡角度/(◦)10续航时间/min40跨越垂直障碍高度/mm150SCalf具有较好的负重行走能力，可以携带一定的燃料和其它重物，采用支撑系数为0.5的对角小跑步态（trotting）[1]在普通路面、斜坡和较为崎岖的泥土、草地中行走，并且能够使用爬行步态（creeping）[1]跨越障碍．SCalf机器人的尺寸、重量及性能的测试参数如表1所示．3动力与驱动设计（Designofpoweranddrivingsystems）3.1机载动力系统设计SCalf的机载动力系统由一台22kW单缸两冲程卡丁车发动机、变量柱塞泵、机载液压站及其燃料箱、热交换、排气、传动、转速控制与状态监控单元组成，如图2所示．থࡼᴎЏ⊍ㆅࡃ⊍ㆅᬷ⛁఼䫒Ӵࡼ⎆य़⋉⎆य़キᴎ䕑ࡼ࡯᥻ࠊ఼⊍䏃∈䏃䕀䗳䕀䗳⎆य़ㅵ䏃䕀䗳⏽ᑺय़࡯㡖⇨䮼ᓔᑺ图2机载动力系统结构框图Fig.2Thestructureoftheonboardpowersystem考虑到发动机与液压泵配合工作的问题，为了使二者都能工作在一个良好的功率输出和转速曲线上，在发动机与液压泵之间安装了传动比为1.5:1的高速链条传动机构，将发动机的输出转速降速作为液压泵的转速输入．根据液压系统的工作流量，液压泵的转速输入期望范围在5500r/min～7500r/min，发动机的转速输出需控制在8000r/min～11000r/min．根据发动机的输出特性曲线，在这个范围内，发动机的功率输出特性稳定，而且覆盖发动机的最大扭矩输出点，从而避免了机器人运动过程中，因动力匹配问题而造成发动机转速与液压系统流量大幅波动．为了避免发动机系统与液压泵系统繁琐、复杂的建模工作，文中将发动机与液压泵系统看成黑箱，采用PID（比例－积分－微分）控制器控制舵机位置，改变发动机节气门开度，以20Hz的频率伺服液压泵的转速．在机器人运动时，液压系统的流量一直快速变化，为了提高系统的鲁棒性，设计了分段PID控制器，在速度偏差值较大时，采用强收敛性参数，保证控制器响应的快速性；在偏差较小时，使用调节较弱的参数，保证控制器稳定输出，避免系统振荡．转速控制器的控制框图如图3所示．其中，qpd为液压泵的期望值，|e|为qpd与液压泵的实测转速qp经过卡尔曼滤波后的偏差的绝对值，E1、E2为偏差|e|的两个阈值．与此同时，控制器模块还负责采集机载动力系统液压输出压力及液压系统的工作温度，以方便对动力系统的状态第36卷第4期柴汇，等：高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现387进行评估．PID1+−|e|E2㡥ᵪਁࣘᵪ⏢঻⌥㌫㔏঑ቄᴬ└⌒PID2PID3E1|e|İE20|e|İE1qpdqp图3液压泵转速伺服控制框图Fig.3Theblockdiagramofthehydraulicpumpspeedcontrol3.2一体式液压驱动单元设计在有限的空间中，一体化的液压驱动单元是实现每个关节液压伺服驱动的关键．该单元将电液伺服阀、杆端拉压力传感器以及直线位移传感器集成在一个直线伺服油缸上，如图4所示．SCalf每一个主动关节都由一个这样的一体式液压伺服驱动单元驱动．油缸的PID伺服控制器以500Hz的伺服频率对油缸直线位移进行伺服，同时以100Hz的频率通过杆端拉压力传感器检测油缸的出力状态．ᢝय़࡯Ӵᛳ఼Ⳉ㒓⎆य़㔌⬉⎆Ԏ᳡䯔䖯ǃߎ⊍ষⳈ㒓ԡ⿏Ӵᛳ఼图4一体化液压驱动单元结构图Fig.4Thestructureoftheintegratedhydraulicactuator4控制系统与控制方法设计（Designofcon-trolsystemandcontrolapproach）4.1控制系统设计由于SCalf的各个控制、传感设备分散在机器人本体的各个位置，而且发动机、电瓶等能源设备同时存在，因此SCalf的控制系统必须具备分布式采集与控制、可抵抗复杂外部干扰的特点．为此，本文将SCalf的控制系统设计成一个具有双CAN总线与分层结构的分布式网络系统，如图5所示．运动控制计算机负责底层的运动伺服及运动相关传感器的数据采集．由于对实时性要求较高，因此采用了QNX实时操作系统．在SCalf自动运行模式下，运动控制计算机的运动指令来自上层的环境感知计算机；在手动操作模式下，运动控制计算机的运动指令直接来自无线操作器．环境感知计算机对实时性的要求低于运动控制计算机，因此在环境感知计算机上运行实时性低、通用性较强、易于扩展的Linux内核的通用操作系统．环境感知计算机负责采集GPS（全球定位系统）数据以及2维激光扫描测距仪的数据，同时根据上述数据进行路径、人员跟踪以及避障的运动规划．䖤ࡼ᥻ࠊ䅵ㅫᴎ⎆य़㔌Ԏ᳡᥻ࠊ఼ᴎ䕑ࡼ࡯᥻ࠊ఼䎇ᑩ࡯᭄᥂䞛䲚ᇣ㝓ᔍㇻԡ⿏Ẕ⌟⦃๗ᛳⶹ䅵ㅫᴎCAN᥹ষ᮴㒓䗮䆃᥹ষൖⳈ䰔㶎ҾCOM1᪡԰఼485MHz᮴㒓䗮䆃GPS▔ܝᠿᦣ⌟䎱ҾCOM2COM2COM1CAN᥹ষ1AD᥹ষDA᥹ষCAN᥹ষ2CANᘏ㒓1CANᘏ㒓2图5SCalf控制系统结构框图Fig.5TheblockdiagramoftheSCalfcontrolsystem4.2控制方法设计SCalf有一套简便、快速、实用性强的运动控制方法，使其能够在不同的地形条件下稳定行走．如图6所示，SCalf的运动控制指令分为躯干运动线速度vvvd与航向角速度ωγd的速度输入，姿态横滚角αd以及姿态俯仰角βd的角度输入．↕ᘱ㿴ࡂvdǃωγdုᘱ᧗ࡦုᘱ䀓㙖ѫࣘḄ亪S