引言
近年來各種軍用機器人正在國防范疇跟地緣策略中施展著緊張的作用。正在我國恢弘西部地域，因為地形龐大、途徑坎坷，傳統(tǒng)的輪式或履帶式機器人沒法知足地形經(jīng)由過程性要求，而仿生四足機器人可能較好天知足正在非結(jié)構(gòu)化地形前提下靠得住前進的使命需要。液壓驅(qū)動的仿生四足機器人是比年國內(nèi)外的研討熱點與主攻名目，正在其關(guān)鍵技術(shù)群中，電液伺服控制技術(shù)則是保證仿生液壓四足機器人實現(xiàn)不變前進功用的核心技術(shù)。
1總體設(shè)計
1.1節(jié)制工具剖析
本文依靠北京理工大學(xué)特種機器人技術(shù)創(chuàng)新中間正在研發(fā)的一款仿生液壓四足機器人開展研討，機器人每條腿存在3個自動自由度跟1個主動自由度，離別為髖側(cè)擺樞紐、髖正擺樞紐、膝關(guān)節(jié)跟足部二階彈簧減震器，悉數(shù)12個自動樞紐均由液壓缸驅(qū)動。機器人的布局尺寸長為120cm，寬為50cm，大腿腿節(jié)桿件等效長度為40cm，小腿腿節(jié)桿件等效長度為40cm。正在已集成機載液壓油源的試驗前提下自重118.5kg。四足仿生機器人整體布局如圖1所示。
1.2體系架構(gòu)設(shè)計
綜合思量伺服節(jié)制使命可以發(fā)明，體系機能要求有若干抵觸，如多通道并行伺服節(jié)制跟單一通道伺服控制精度的工夫資源摩擦和多輸入/輸出接口計劃的硬件資源摩擦。利用單一控制器的集中式控制系統(tǒng)很難正在工夫資源與硬件資源的分派上實現(xiàn)均衡，從而沒法到達使命目標要求?；谏鲜龇结槪倔w系采取一種分布式系統(tǒng)架構(gòu)停止電液伺服控制系統(tǒng)的計劃事情。本體系正在運動控制器下計劃4個伺服控制器，如圖2所示，并經(jīng)由過程伺服總線毗鄰組成分布式電液伺服控制系統(tǒng)。
4個伺服控制器離別擔任機器人一條腿上3個液壓伺服單位的伺服節(jié)制。經(jīng)由過程分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，一方面，拆分簡化了節(jié)制使命，使得單個控制器的使命時序加倍存在規(guī)律性，進步了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面實現(xiàn)了控制系統(tǒng)跟機器布局絕對應(yīng)的模塊化計劃。該計劃統(tǒng)籌了體系使命中對精度跟實時性的要求。
2伺服總線接口計劃
伺服總線接口是位于運動控制器與4個伺服控制器之間的總線接口，擔任傳送下行的各液壓伺服單位伺服指令跟反應(yīng)下行的各液壓伺服單位事情形態(tài)，須要具有收集特性。常用的總線次要包羅RS422/485串行通訊總線、以太網(wǎng)、I2C總線、SPI總線跟CAN總線。CAN總線拓撲布局靈巧多變，無主從特性。收集上任何一個處于事情形態(tài)的節(jié)點皆可以隨時發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)點對點、面對多的數(shù)據(jù)傳輸。采取非破壞性仲裁技巧，郵箱跟ID決意了節(jié)點數(shù)據(jù)的優(yōu)先級，ID越小，優(yōu)先級越高。采取短幀布局傳輸時，每幀8個無效字節(jié)，傳輸工夫短，抗干擾能力強［1］。本計劃取舍CAN總線作為體系的伺服總線，拓撲布局如圖3所示。
伺服總線更新頻次為200Hz，伺服指令幀長度為每軸6字節(jié)，可以利用CAN和談計劃單幀伺服指令，單周期指令總長為72字節(jié)，每周期吞吐量計較以下所示：
156bpf×12f×200Hz=374.4kbps
快遞分揀機器人工作設(shè)計圖此中，bpf是位每幀，f為幀，可計較得總線波特率為374.4kbps，CAN總線正在40m內(nèi)通訊波特率可達1Mbps，可能知足總線通訊速度要求。思量到伺服指令的下實時性要求，須要思量制止反應(yīng)信息數(shù)據(jù)包占用總線影響數(shù)據(jù)時效性的問題，是以正在計劃時利用雙線計劃，CAN1只用于運動控制器對伺服控制器下發(fā)指令數(shù)據(jù)包，CAN2用于伺服節(jié)制向運動控制器前往傳感反應(yīng)信息。CAN收發(fā)器電路原理圖如圖4所示。
取舍SN65HVD232CAN總線收發(fā)器。圖4中R1為CAN總線的端負載電阻，依照伺服控制器所處總線地位決意是不是短接跳線JP1。當對應(yīng)伺服控制器位于總線端點時，為了防備旌旗燈號反射，短接跳線JP1，將端接負載電阻傳入差分旌旗燈號環(huán)路，抑止旌旗燈號反射滋擾。CAN總線控制器利用STM32F4系列MCU的片表里設(shè)bxCAN，兩個bxCAN外設(shè)離別控制指令總線跟傳感反應(yīng)總線。伺服控制器總線驅(qū)動計劃如圖5所示。
3伺服閥節(jié)制接口計劃
常用的輸出級計劃包羅模擬直驅(qū)、DAC功率放大對折字驅(qū)動、數(shù)字功率驅(qū)動［2］。本文利用PWM驅(qū)動MOSFET全橋的方法實現(xiàn)數(shù)字功率驅(qū)動，利用MOSFETSI4405P跟SI4404N搭建功率驅(qū)動全橋。利用STM32F405外部定時器發(fā)生互補PWM驅(qū)動對應(yīng)橋臂，這類節(jié)制方法起首實現(xiàn)了間接的數(shù)字控制，不利用模擬器件；其次利用單電源供電實現(xiàn)單極性節(jié)制，簡化了電源跟電路設(shè)計，而且可以經(jīng)由過程對PWM載波頻次的調(diào)劑，去實現(xiàn)伺服閥驅(qū)動旌旗燈號中顫振旌旗燈號的疊加［3］。
4傳感反應(yīng)接口計劃
機器人液壓驅(qū)動單位利用的地位傳感器跟壓力傳感器均利用電壓旌旗燈號輸出情勢，STM32F405集成有2個16通道的12位高性能外部ADC，單通道采樣頻次可達2.4Msps，6通道輪詢采樣最快可保障每通道400ksps，可以知足1kHz伺服頻次和精度要求，是以本計劃沒有利用自力的內(nèi)部ADC，間接利用外部外設(shè)。傳感器輸出旌旗燈號為0~10V，調(diào)節(jié)電路如圖6所示。圖6無源增益?zhèn)鞲徐浩鞜籼栒{(diào)節(jié)電路原理圖
并聯(lián)分揀機器人廠家直銷ADC利用STM32F405外部外設(shè)，單通道采樣頻次設(shè)置為16ksps，經(jīng)由過程DMA寫入16字節(jié)滾筒緩存，停止數(shù)字濾波。軟件流程如圖7所示。
5伺服總線指令和談計劃
設(shè)置CAN總線通訊ID為尺度11位ID。經(jīng)由過程對11位ID的設(shè)置，計劃伺服指令I(lǐng)D格局以下所示。
ID0、ID1位為伺服控制器編號編碼位，依照左前腿0號、右前腿1號、左后腿2號、左后腿3號的次序停止編碼。ID2、ID3位為樞紐編號編碼位，對單腿自上而下的髖側(cè)擺、髖正擺跟膝關(guān)節(jié)離別編碼為0、1跟2。詳細編碼如表1所列。
ID5~9位用于指令編碼，由于伺服總線跟反應(yīng)總線彼此自力，以是對伺服節(jié)制跟形態(tài)反應(yīng)離別停止計劃。ID4位為播送標記位，該地位為1時，對應(yīng)指令以播送的情勢發(fā)給每一個通道。ID10位為伺服總線的讀寫標記位，該地位為0時，控制指令代表對響應(yīng)節(jié)制量的讀指令，伺服控制器經(jīng)由過程CAN2收回回包數(shù)據(jù)。
5.1伺服節(jié)制總線指令和談
菜鳥快遞分揀機器人智能視覺分揀機器人原理伺服控制指令由運動控制器經(jīng)由過程CAN1下發(fā)，依照CAN總線對ID的相應(yīng)機制停止計劃，下優(yōu)先級指令節(jié)制字較小，總線仲裁優(yōu)先級較下。計劃的控制指令略——編者注。
5.2形態(tài)反應(yīng)總線指令和談
形態(tài)反應(yīng)指令用于經(jīng)由過程CAN2反應(yīng)自檢信息跟回傳事情形態(tài)略——編者注。
6非對稱前饋賠償恍惚自順應(yīng)PID算法計劃
仿生液壓四足機器人的運動由液壓執(zhí)行機構(gòu)體系驅(qū)動，而機器人自身存在負載可變、情況時變的特色，是以節(jié)制工具是一個非線性、參數(shù)時變的體系?；秀盤ID節(jié)制正在這類系統(tǒng)控制方面有很大劣勢，可進步節(jié)制機能［5］。
為了降低恍惚控制器的復(fù)雜度，本體系利用了一種偏差分段智能控制算法，其節(jié)制計劃的原理如圖8所示。圖中的辨識開關(guān)經(jīng)由過程斷定偏差閾值，取舍BangBang節(jié)制或恍惚自順應(yīng)PID節(jié)制。當偏差大于設(shè)定閾值時，停止BangBang節(jié)制；當偏差小于設(shè)定閾值時，停止恍惚自順應(yīng)PID節(jié)制。模糊推理專家?guī)斓膮?shù)經(jīng)由過程自整定體系正在調(diào)試模式獲得［6］。
針對液壓控制系統(tǒng)的非對稱性跟滯環(huán)特性，正在以上控制器計劃根底上參加速率跟加速度前饋控制參數(shù)，以賠償體系的滯環(huán)，進步響應(yīng)速度。經(jīng)由過程對兩個運動標的目的設(shè)置分歧的前饋參數(shù)，實現(xiàn)對有桿腔跟無桿腔運動標的目的的非對稱賠償。詳細的實現(xiàn)方法是，由一個標的目的斷定開關(guān)去取舍兩個運動標的目的的賠償參數(shù)，從而實現(xiàn)節(jié)制，同時，液壓缸控制參數(shù)的非對稱性正在恍惚戰(zhàn)略表中表現(xiàn)。
7試驗
將液壓缸一端流動正在試驗平臺上，另一端空載或許串連10kg負載，利用存在功率冗余的21MPa大功率外油源供油。
7.1正弦地位節(jié)制試驗
關(guān)于85mm路程液壓伺服系統(tǒng)，輸入20mm幅值、4.5Hz正弦波激勵所取得的相應(yīng)成果略——編者注。其顯示了機能對稱、地位速率跟蹤環(huán)境優(yōu)越的伺服節(jié)制后果。
7.2階躍相應(yīng)試驗
對膝關(guān)節(jié)100mm路程液壓伺服系統(tǒng)施加幅值30mm的方波激勵，實現(xiàn)正反雙向60mm路程的階躍旌旗燈號。能正在三次震蕩以內(nèi)到達0.01mm的穩(wěn)態(tài)偏差，試驗相應(yīng)曲線略——編者注。紀錄試驗數(shù)據(jù)表略——編者注。
結(jié)語
高速分揀機器人規(guī)格本文基于STM32F405計劃了分布式電液伺服節(jié)制架構(gòu)，利用CAN總線搭建了伺服總線，并對電液伺服輸入跟輸出接口停止了有針對性的計劃，引入了存在非對稱前饋賠償?shù)幕秀弊皂槕?yīng)控制算法。顛末試驗?zāi)ゾ?，控制器伺服?jié)制程度知足性能指標要求，到達了優(yōu)越的節(jié)制后果。
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