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南昌航空大学科技学院 （论文） 附 录 A 000, 4. - 8. 000 N F , 47057 a of or to is in no of is by of is to of is to on 1. he in is It of a a 200 It be as a 2), by it be as a 1). of a of 2. in an It be a 昌航空大学科技学院 （论文） s an no 1. 1: 2: or of is a in of is as as is at By of a is on to or To is we do is on a of is on a of a in of a in :1, 3: . 昌航空大学科技学院 （论文） of is it is on of is a of a 4), of To of we of of is in 4. To of to an a 3). It be on is by a in is an a 15kW an a 0 l/00 is be on be by a 27kW an a of as to is on to An of is as be to of is on a of is in as 3, or on of on to be in of of to be to be 南昌航空大学科技学院 （论文） 3. s of is to be or a In on of on of is of to of As is a be to be To a .2 m, .5 m/s) of in m as a it a of 2 4) is of in + a a a 3. 南昌航空大学科技学院 （论文） on of to a 5). To of of on As we 6, 2 of a is he of be of of 昌航空大学科技学院 （论文） to of is is of in of of of a on is To a is or t* be as a of t ll of t* on a we t t* i. As of t* be or on k i. As an a of of is s j in i j of is in fl hr so , of in on be 南昌航空大学科技学院 （论文） We of of e de e de If of e de is As e de a be In it . is to to To a in a in or an if is de is if it is k mt,is of of k mt k mt,is K mt to k mt,1. of at a on 4 at is :1. As to to k mt,is To k mt,is k mt, 南昌航空大学科技学院 （论文） 7: n 7, at t = 2.5 s we it be by be 8, it e of t* by k as 9.) By e de of in be As is a of a it is to be is be to a 南昌航空大学科技学院 （论文） 4. ue to to as by or at to is on in by at if of an of on of at 南昌航空大学科技学院 （论文） 5. t is a To be to to be a as 10. in be in of 6. is by 录 B 南昌航空大学科技学院 （论文） 如何为大型的步行机器人在供能不足的情况下 选择合适的速度轨道 摘 要 在操作步行机器人时，只有让所有的油缸协调动作，才能使之安全、稳定的行走。本文所研究的这个大型液力驱动步行机器人 没有外部力量的供给。因此，在机器人平台上的液压装置及其柴油引擎的尺寸大小都将被它们自身的重量所限制。当各个油缸以高速运动时，液压 力的供给就将不足，从而导致机器人的脚步及其整个平台的移动轨迹都将变成不可预知的。当此 接近其稳定边界的状态运作就将导致它的不安定甚至是整个系统的瓦解，下面将讨论的解决方案是用于发现这种油缸时位错误并由此在需要的时候降速。 1、介绍 本文中所研究的系统是像人一样的可以用脚行走但又可以有轮子的机器人 是由一个其上有一间为操作人员所准备的小屋的平台和四只每只长为 的脚所组成。估计它的重量是 1200公斤。它可以被用作是像四足动物一样行走的步行机器（如图 2），而且当将其后面的两只脚用轮 子替换时，它又能被当作是一种有腿有轮的，腿和轮相结合的交通工具（如图 1），现今的这种腿和轮相结合的步行机相对于那种全部是轮子的交通工具的稳定性和速度而言，其优势在于它高度的机动性 2。 1: 2: 在险峻及危险的地带操作时，安全扮演了重要的角色。只要在移动中出现了一个错误，机器人都将可能变的不稳定，因此，机器人的气缸必须确保要完 全地按计划轨道动作。步行机器人的腿是籍由一个开启了的液压系统所提给的液力驱动的。正常地情况下，在设计这种液压系统时，优先考虑重量最大的部分。而对于这个步行机 每一处的比值都是被最优化了的。 一旦同时发动了多个气缸或气缸的运动速度非常快时，由液压所供给的流量就将变的不足，从而导致机器人的运动变得无法控制。下面所讨论到的解决方案是关于计算轨道上速度如何减少的，机器人要随时都可以稳定的停下来。籍由发现那些气缸的时位错误，并由此作出在轨道上减速或者增速的决定，运动同时被触发，所有计算所依赖的采样频率将 被降低，如此我们便可以保证机器人的腿以及它的平台能且确实随着预定的轨道运行。这个策略可以被应用于 虚拟模型的测试中并且正在实验室中南昌航空大学科技学院 （论文） 被应用。 3: 、实验的装备 腿是拟人的，也就是说它是以几何学和人类的腿的功能为基础的。它的股关节是一个自由度为三的圆球形的球接头，它的膝部是一个只有一个自由度的涡形的接头。这些接头的动作都是由液压缸驱动的（如图 4）。然而，它脚上所附加的两个自由度对它而言，作用却是消极的，为了使得到一套明确的翻转运 动学的方案变成可能，我们锁上了股关节处的一个液压缸。这个直接的翻转运动学的明确的方案详细的显示在 4上。 为了调查腿的动态行为，并测试不同的控制方案，一种专为一只完全按规定尺寸制作的腿而设计的实验装置发展，并被制造出来了（如图 3）。 它包括所有将在实验室中被用于第一台 个实验装置上由一个拥有一个 15比起真的系统中所使用的 27了测试液压流的不够，另外的四个液压缸（ 被看做是一只脚）被安在试验支架的边上。 一个用来实现测试支架传感器内容和控制计算机（有一个即时操作系统）数据转换的光学线路也被安装使用了。液压缸就被当作是包括了位置和压力感应器的输入装置使用。因此，这种动态的测试就可以在机械、液压组件和电子控制系统三者互相结合的情况下被实行。 实验装置的臀部是安装一对线形 轴承上，因此，它在垂直方向上是可移动的。 不管是像图 3那样脚的组合，还是在腿和轮结合的系统中用轮子装在两只后脚上，当步行运动进行时在其腿上的测试都将被允许载入。在行走过程中那种 摇摇摆摆着把臀不以下的脚抬起来的 行动被停止下来。 这第一次的测试很好的显示了模拟人腿的机械装置的灵活性，并且这里的光学总线系统也已经被证明了是可靠的。 南昌航空大学科技学院 （论文） 3、加速改编 足的液压流量 正如已经提到的，在面板上那些能量供应包因为自身的重量和尺寸的被限制而不得不保持底下。 当多的液压缸同时运动或当它们以高速运行时，液压力是供给将会不足而且系统的压力也会匮乏。 这 种 情况产生的运动主要地依靠阀比例的大小和液压缸的外部的负荷。 它的脚和平台的轨迹就将是杂乱无章的。 当 近系统的稳定性的界限时这样的 行为能导致不稳定甚至推翻原来稳定的系统。同样非常重要的安全问题是必须 防止压力的崩溃 (人们将会受到伤害 )。 为了要研究这种情况 , 叁考在水平的状态下在臀部下面 1 半径 0.2 m,速度 0.5 m/s)。这一个轨道的形成要有三个开启的液压缸作用。而脚的一次典型的垂直步进运动它旁边的液压缸 (图 4 的 2 号 ) 几乎是不动的。像三个液压缸驱动脚的旋转映射出的在空间中的旋转的运动学为已经在 C+设计环境中得到了发展 3。 当在试验支架上进行实验时引起脚的轨道退化到一个封闭矩 形时 .(图 5) 为了要增加液压的消耗 ,液压缸的组合就会被使用 (也就是脚上的液压缸即四个固定组合在地面上的液压缸 ). 南昌航空大学科技学院 （论文） 正如我们能在图 6 中所看到的那样 ,2 号缸远远滞后于在它的正弦曲线。液压缸的线性运动显示出一个完全开启着的定量阀。可利用的液压流量明显不够。 道速度减少 无法控制其运动的问题可以从不同的几个方面着手处理 : 改变泵和阀的尺寸。 通过 详细的模型及重新计算临界的运动 来判断流量 /压力的不足从而以较 低的速度来运转。 当校对轨道时，通过压力的下降和整个运转的变慢来发现位置的错误。 第一种方式增加了液压系统的重量，因此并不受欢迎。而第二种方式不受欢迎的原因是它对计算能力有所要求，而且液压模型本身也并不很准确。因此，在这里选择了通过减慢运行速度来发现位置误差的方法并且将它实现。 为了在一次必须的降速之后，不再重新计算所有的轨迹，轨迹计算所依赖的时间变量将被减缓。到南昌航空大学科技学院 （论文） 此为止一个全新时间变量 被引用。这个轨道时间或者说是采样时间 可表示成为即时时间 和导致所有误差产生的时间增量因素的函数，而所有轨迹都是 的函数。 为了在实时操作系统上控制系统的运行，我们需要在 和 之间与它们有关的时间步长 。 由于所有的轨迹都是 的函 数，因此它们会因为 的变化而同时地减缓和加快 液压缸位置误差的一个函数被选择作为液压流量不足的指示器。矢量 包含了每只脚上的液压缸的位置作用点，而矢量 则是标准的位置矢量，它们的区别是误差不同。 表的是左前方 , 而 在重量矩阵 W 中，每只腿的四个液压缸对脚的位置的影响都可以进行调整。 我们把 所有的液压缸的误差的平方和 和液压缸的最初量 进行加权平均并使其标准化，而且要使它在规格化的误差范围内（极限 和 之间） 南昌航空大学科技学院 （论文） 倘若 和 的和超出了它们的上界时，采样频率就将被减缓。而当 和 的一个极限标准化时，它们的上界将是固定的，这种情况就是所述的第二种极限；而第三种极限（较低的极限）是用来决定何时该再一次加速用的。为了尽量避免在减速甚至是加速过程中的错误停机，如果 为正，它也只有加速，即使这样会让误差更大也一样。 是 的减速率而同样地 是 的加速率。 必须在区间 。 果 对于极限的价值，采样时间的加速率和减速率和液压缸的重量都是按经验选择的。在胯关节处的液压缸对脚的位置比在膝关节处的 4号液压缸有着更高的影响力。而它们对应的重量比被调整为 2:1。 作为系统必须对误差产生非常快的反应 , 因此是很高的。而为了避免太多振动，加速率 k mt,k mt, 7: 昌航空大学科技学院 （论文） 在图 7 中，在 t=2.5 s 我们能看到液压缸 2的点值快速地升起 ，而且它不会被实际的系统跟随。 产生的标准化误差可在图 8 中看到 ,在它超出 e 的极限时 ,由于减少采样时间因素 k 减短 (如图 9 所示 .) 由于设定极限 e de 对误差和误差的变化的影响就可被调整。 后者是标准的时间信号，但它或许是比较吵杂的。 当这里这个极限是置低时。另一种可能性是将会过滤掉那些可能会产生一条比较大的不变波段的信号。 南昌航空大学科技学院 （论文） 4、结论 由于对驾驶步行机器 操作员有很高的安全性要求，需要保证主动器所有的运动严格的按照控制器所计算的运行。所有主动器同时地或在高速的运行，那么液压的补给能变成不足并且压力也会崩溃。这里所描述的方法是避免在对液压的流动情况检定不足的基础上观察主动器位置误差以在适当的时候降低所有运动的速度。 通过 执行调整采样时间来计算由 测试而得的 度运动的实行彻底被改良。 5、工作前景 现在 ， 机器人的腿是由一个相应的被锁上的液压缸的转动来控制的。为了能够使用所有的液压缸且减少追踪的误差，那种基于压力和模型基础上的控制器将会这种控制器取代。如图 10所示，这种控制器将会减少的位置的残余误差。 附加在液压油路上的压力感应器所发出的信号将会被包含在以液力驱动的补给评估中。 6、致谢 这项工作得到了 德国研究小组） 的充分支持 参 考 文 献 南昌航空大学科技学院 （论文）
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