[發明專利]一種四足機器人液壓系統仿真建模方法

在審

• 申請號: 202010742314.4
• 申請日: 2020-07-29
• 公開（公告）號: CN111810493A
• 公開（公告）日: 2020-10-23
• 發明（設計）人: 晁智強;韓壽松;李志強;李勛;劉相波;李華瑩;靳瑩;寧初明;譚永營;薛大兵;王飛;郭浩
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍陸軍裝甲兵學院;軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所;浙江省軌道交通運營管理集團有限公司
• 主分類號: F15B19/00
• 分類號: F15B19/00;F15B21/00;F15B21/041;F15B21/0423
• 代理公司: 濟南光啟專利代理事務所(普通合伙) 37292
• 代理人: 鄒文婷

1.一種四足機器人液壓系統仿真建模方法，其特征在于：包括以下步驟：

第一步：所述液壓系統分為液壓驅動單元和液壓油源兩個部分，然后分別建立液壓油源和液壓驅動單元的數學模型；

第二步：在AMEsim中構建液壓系統的仿真模型，所述液壓驅動單元是四足機器人的動作執行部分，主要由伺服閥和雙作用單出桿液壓缸組成，四足機器人總共包含十二個液壓驅動單元，用于驅動四足機器人全身十二個個關節；所述液壓油源主要用于提供恒壓油液，以保證充足的流量供應；同時液壓油源還具有消除系統震蕩，防止液壓驅動單元之間的流量、壓力耦合，清潔油液，降低油溫等作用；主要包含變量泵、溢流閥、蓄能器、濾油器和散熱器等元件；

第三步：利用Solidworks建立四足機器人腿部液壓驅動單元的三維模型，所述四足機器人腿部液壓驅動單元主要包含伺服閥、液壓缸、位置傳感器和力傳感器等部分，所述位置傳感器和力傳感器分別用于測量液壓缸出桿位移量和液壓缸受力變化，并將數據實時反饋給控制模塊以使得系統運動更加精確；將液壓驅動單元的動力機構進行簡化，可將其簡化成典型閥控缸模，液壓驅動單元中采用的三位四通電磁換向閥可視為理想情況下的零開口四通滑閥，其線性化流量方程為：

ΔQ_L＝K_q·Δx_v-K_G·Δx_L (1.1)

其中，ΔQ_L為負載流量，K_q為滑閥在穩態工作點附近的流量增益，Δx_v為閥芯在穩態工作點附近的位移變化量，K_G為滑閥在穩態工作點附近的流量——壓力系數，Δp_L為負載壓降變化量；

四足機器人運動過程中，可認為換向閥是在穩態工作點附近運動，則式(1.1)可進一步改寫為：

Q_L＝K_q·x_v-K_G·p_L (1.2)

受油液壓縮性影響，液壓缸活塞處于中間位置時液壓缸固有頻率最低，阻尼最小，控制性能最差，因此只要活塞處于中間位置時其動態性能滿足整個過程的需求，則可保證液壓驅動單元全過程的穩定工作。液壓缸活塞處于中間位置時的流量連續性方程可表示為：

其中，A為活塞有效面積，y為活塞位移，C_tG為液壓缸總泄露系數，V_t為液壓缸油腔總容積，β_e為有效體積彈性模數；

考慮到該四足機器人體型較小，腿部液壓驅動單元結構緊湊、管路較短，且運動速度不快，故忽略油液管路損失、庫倫摩擦等因素對系統的影響，可得液壓缸和負載的力平衡方程為：

其中，m為活塞及負載總質量，B_e為活塞的粘性阻尼系數，K為負載彈性剛度，F為液壓缸上的負載；

液壓油源由一臺變量泵提供動力，其轉速主要通過發動機控制，則泵的實際輸出流量Q_P為：

Q_P＝n_E·i·D_p·n_v (1.5)

其中，n_E為發動機轉速，i為發動機到變量泵的傳動比，D_P為變量泵的排量，η_v為變量泵的容積效率系數；

由于油液在管路中的壓縮效應，變量泵的出口壓力會高于液壓系統的工作壓力；泵的出口壓力可利用與泵相連管路中的流量以及系統的能耗進行計算，與泵相連管路中的流量等于流入、流出管路流量之差。

2.根據權利要求1所述的一種四足機器人液壓系統仿真建模方法，其特征在于：所述四足機器人在運動過程中液壓系統的流量需求變化幅度較大且周期性明顯，為了消除系統震蕩以及降低系統能耗，需要在液壓油源部分添加蓄能器；

蓄能器的容積V₀：

其中，V_M為蓄能器的工作容積，p₀為蓄能器的充氣壓力，p_max和p_min為蓄能器的最大和最小輸出壓力，n為蓄能器的熱傳導指數，等溫時n＝1，絕熱時n＝1.4(蓄能器工作循環超過3min選取等溫條件，否則選取絕熱條件)，因此此處取n＝1.4。