行走机器人新型电机-液压复合驱动器性能评价与实验方法

Since the four-legged robot named BigDog is developed by Boston Dynamics, quadruped robot becomes the research focus of robotics. For the requirements of high load to weight ratio, robots lack high performance actuator. So high power density drive is the bottleneck in the development of walking robot. This project directs at an invented new "motor-hydraulic (Hy-Mo)" hybrid actuator of quadruped robot and to study its performance evaluation and experimental methods. In the novel Hy-Mo actuator, micro-motor is used to drive the valve spool directly. Thus there is no tiny flow channel that makes the hydraulic servo system possessing character of anti-pollution, low leakage, integrated structure and light-weight. The innovation of this project is to reveal the law of seal interfacial mechanical characteristics acting on spool driving torque, to establish the spiral spool and spool drive torque association model, to reveal the relationship of the motor, spiral valve port and cylinder fluid driving dynamic performance, to propose the performance evaluation method of the Hy-Mo actuator with varying external load and variable inertia character, to verify the validity of the above theory by experiments, to lay theoretical and experimental foundation for developing the novel Hy-Mo actuator of quadruped walking robot with proprietary intellectual property rights.

自美国波士顿动力公司研发出四足机器人BigDog后，四足机器人成为国际机器人领域研究热点。由于机器人负重与自重比高要求具有高性能的驱动器，因此高功率密度驱动是行走机器人发展的瓶颈。本项目针对我们发明的四足机器人新型"电机-液压（Hy-Mo）"复合驱动器开展其性能评价与实验方法研究。该新型Hy-Mo驱动器用微型电机直接驱动阀芯，无细微流道使得液压伺服系统抗污染能力强、动密封泄漏低使得液压系统发热少，从而具有一体化的结构和轻量化的特征。 本项目研究的创新点是揭示Hy-Mo驱动器密封界面力学特性对阀芯驱动力矩的影响规律，建立螺旋阀芯结构与阀芯驱动力矩的关联模型，揭示电机与螺旋阀口和液压缸的流体传动动力学特性关系，提出变外载荷与变惯量特性对Hy-Mo驱动器的动力学影响特性与性能评价方法，通过实验验证上述理论的有效性，为开发具有自主知识产权的四足仿生行走机器人新型Hy-Mo驱动器奠定理论与实验基础。

仿生行走机器人要求自重轻、负重大、能耗低，高性能的机器人驱动器是开发行走机器人的关键技术之一。本项目提出一种新型“电机-液压（Hy-Mo）”复合驱动器，主要原理是用微电机驱动螺旋阀芯，并研究电机的驱动力矩和阀芯结构、密封特性关系以及它们之间的相互作用机理。本项目取得以下研究成果：（1）螺旋阀芯结构及流体动力学分析，解决了螺旋阀芯结构中静压合力矩平衡问题，得到了螺旋阀芯结构中流体动态作用力矩的发生规律。（2）建立了机电耦合控制模型，得到了伺服电机和液压阀、缸之间的内在联系和相互作用规律，分析了Hy-Mo 驱动器的稳态控制误差和动态响应特性。（3）机器人液压驱动特性和动态载荷分析，得到了机器人液压系统供油流量与步长、时速的关系，提出了一种基于动力学模型的四足机器人脚力估算方法。（4）提出了Hy-Mo 驱动器静态性能测试和动态性能测试的方法，设计并制造了3种类型的Hy-Mo 驱动器，研制了驱动器单元实验台和机器人实验台各1套。（5）Hy-Mo 驱动器实测泄漏量仅为伺服阀系统的1/10，实测阀芯驱动力矩很小可用微小型伺服电机，实测半闭环定位精度 0.1mm，适用于成本低、稳定性好、控制简单的场合。实测全闭环定位精度 0.01mm，适用于高精度要求场合。实测响应频率 15Hz，伺服电机功率加大则响应频率更高。新型电机-液压复合驱动器具有自主知识产权，对我国四足仿生机器人研究进入国际先进行列具有重要的理论意义和明显的实际应用价值。