一种四足机器人液压系统仿真建模方法
技术领域
本发明涉及四足机器人液压系统技术领域，具体为一种四足机器人液压系统仿真建模方法。
背景技术
四足机器人主要应用于野外复杂地形中的抢险救灾、地质勘探等任务中，采用轮式、蠕动式等运动方式的机器人仅能通过有限不平度的地形，而四足机器人作为仿生机器人的一个重要研究方向，仿照狗、马等哺乳动物的肢体结构进行设计，通过腿足与地面发生散点接触，能够适应地面不平度较大的地形，同时液压驱动是四足机器人常用的驱动形式之一，相较于电驱动具有输出力矩大、功率密度高、响应迅速等优势，能够为机器人运动提供强劲的动力。
然而，现今的四足机器人使用的单泵多执行器液压系统中油源压力供应与执行器需求不匹配，造成大量功率损失，使得液压系统能耗较高且发热严重，且由于地形环境的制约，四足机器人无法随时得到能源补充，如何提高四足机器人的续航能力就成为一个影响四足机器人实用进程的关键问题，为此我们提出一种四足机器人液压系统仿真建模方法。
发明内容
本发明提供了一种四足机器人液压系统仿真建模方法，具备对四足机器人单泵多执行器液压系统进行仿真，以便掌握单泵多执行器液压系统的能耗情况，采用两级压力供能的方法降低系统能耗，提高系统效率的优点，解决了现今的四足机器人使用的单泵多执行器液压系统中油源压力供应与执行器需求不匹配，造成大量功率损失，使得液压系统能耗较高且发热严重，且由于地形环境的制约，四足机器人无法随时得到能源补充的问题。
为实现以上目的，本发明提供如下技术方案予以实现：一种四足机器人液压系统仿真建模方法，包括以下步骤：
第一步：所述液压系统分为液压驱动单元和液压油源两个部分，然后分别建立液压油源和液压驱动单元的数学模型；
第二步：在AMEsim中构建液压系统的仿真模型，所述液压驱动单元是四足机器人的动作执行部分，主要由伺服阀和双作用单出杆液压缸组成，四足机器人总共包含十二个液压驱动单元，用于驱动四足机器人全身十二个个关节；所述液压油源主要用于提供恒压油液，以保证充足的流量供应；同时液压油源还具有消除系统震荡，防止液压驱动单元之间的流量、压力耦合，清洁油液，降低油温等作用；主要包含变量泵、溢流阀、蓄能器、滤油器和散热器等元件；
第三步：利用Solidworks建立四足机器人腿部液压驱动单元的三维模型，所述四足机器人腿部液压驱动单元主要包含伺服阀、液压缸、位置传感器和力传感器等部分，所述位置传感器和力传感器分别用于测量液压缸出杆位移量和液压缸受力变化，并将数据实时反馈给控制模块以使得系统运动更加精确；将液压驱动单元的动力机构进行简化，可将其简化成典型阀控缸模，液压驱动单元中采用的三位四通电磁换向阀可视为理想情况下的零开口四通滑阀，其线性化流量方程为：
ΔQL＝Kq·Δxv-KG·ΔxL(1.1)
其中，ΔQL为负载流量，Kq为滑阀在稳态工作点附近的流量增益，Δxv为阀芯在稳态工作点附近的位移变化量，KG为滑阀在稳态工作点附近的流量——压力系数，ΔpL为负载压降变化量；
四足机器人运动过程中，可认为换向阀是在稳态工作点附近运动，则式(1.1)可进一步改写为：
QL＝Kq·xv-KG·pL(1.2)
受油液压缩性影响，液压缸活塞处于中间位置时液压缸固有频率最低，阻尼最小，控制性能最差，因此只要活塞处于中间位置时其动态性能满足整个过程的需求，则可保证液压驱动单元全过程的稳定工作。液压缸活塞处于中间位置时的流量连续性方程可表示为：
其中，A为活塞有效面积，y为活塞位移，CtG为液压缸总泄露系数，Vt为液压缸油腔总容积，βe为有效体积弹性模数；
考虑到该四足机器人体型较小，腿部液压驱动单元结构紧凑、管路较短，且运动速度不快，故忽略油液管路损失、库伦摩擦等因素对系统的影响，可得液压缸和负载的力平衡方程为：
其中，m为活塞及负载总质量，Be为活塞的粘性阻尼系数，K为负载弹性刚度，F为液压缸上的负载；
液压油源由一台变量泵提供动力，其转速主要通过发动机控制，则泵的实际输出流量QP为：
QP＝nE·i·Dp·nv(1.5)
其中，nE为发动机转速，i为发动机到变量泵的传动比，DP为变量泵的排量，ηv为变量泵的容积效率系数；
由于油液在管路中的压缩效应，变量泵的出口压力会高于液压系统的工作压力；泵的出口压力可利用与泵相连管路中的流量以及系统的能耗进行计算，与泵相连管路中的流量等于流入、流出管路流量之差。
可选的，所述四足机器人在运动过程中液压系统的流量需求变化幅度较大且周期性明显，为了消除系统震荡以及降低系统能耗，需要在液压油源部分添加蓄能器；
蓄能器的容积V0：
其中，VM为蓄能器的工作容积，p0为蓄能器的充气压力，pmax和pmin为蓄能器的最大和最小输出压力，n为蓄能器的热传导指数，等温时n＝1，绝热时n＝1.4(蓄能器工作循环超过3min选取等温条件，否则选取绝热条件)，因此此处取n＝1.4。
可选的，所述液压驱动单元控制系统建立MATLAB/Simulink模型步骤如下：
第一步：模糊推理系统根据位置传感器反馈的位置数据与输入信号的差值，利用模糊控制规则推理出模糊控制量，然后通过对PID控制器中控制参数的实时调整实现对AMEsim模型的控制；
第二步：确定输入、输出量隶属度函数，控制系统MATLAB/Simulink模型中，模糊模块采用两输入三输出的形式。其中，AMEsim模型中位置偏差e及偏差变化率ec为输入量；比例系数变化量ΔKP、积分系数变化量ΔKI与微分系数变化量ΔKD为输出量。输入量和输出量的模糊语言集均定义为：其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，输入量和输出量模糊子集的论域均表示为：
{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}(1.7)
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，输入量和输出量模糊子集的论域均表示为：
{-3,-2,-1,0,1,2,3} (1.8)
输入量与输出量的隶属度函数均为两侧Z型隶属函数(zmf)、中间三角型函数(trimf)的形式，这样既保证了隶属度函数的分辨率，又保证了在临近边界时模糊控制器的控制稳定性；
第三步：建立模糊逻辑规则表，模糊模块在检测到液压缸的位置偏差e及偏差变化率ec后，会按照不同的模糊逻辑规则调整PID控制器的参数，与之对应的逻辑规则表述如下：
①位置偏差e与偏差变化率ec符号相同时，伺服阀控制信号应当向偏离原始信号的方向变化，比例系数应变大；位置偏差e较大，且与偏差变化率ec符号相反时，比例系数应变小；
②位置偏差变化率ec变大时，比例系数应变小，积分系数应变大；反之，比例系数应变大，积分系数应变小；
③系统中的微分量主要用于调整液压系统的动态特性，有助于减小工作过程中液压缸位移的超调量，消除系统震荡，缩短调整时间。微分系数变小时会增大系统的稳态误差，使得系统精度降低。当位置偏差e较大时，微分系数应趋近于零，使系统处于PI控制状态；位置偏差e变小时，微分系数应逐渐增大，实现PID控制。
可选的，利用AMEsim与MATLAB/Simulink联合仿真平台搭建的系统物理模型与控制模型展开仿真研究，经过仿真，发现采用基于模糊自适应指数趋近规律的滑模变结构控制能够实现对负载口的控制。
本发明提供了一种四足机器人液压系统仿真建模方法，具备以下有益效果：
1、该四足机器人液压系统仿真建模方法，通过对单泵多执行器液压系统进行建模，探究液压驱动单元在模糊PID控制算法下的控制特性，综合单泵多执行器液压系统模型和液压驱动单元控制算法，对四足机器人单泵多执行器液压系统进行仿真，以便掌握单泵多执行器液压系统的能耗情况，采用两级压力供能的方法降低系统能耗，提高系统效率。
2、该四足机器人液压系统仿真建模方法，采用模糊自适应PID控制方法能够满足液压驱动单元的控制精度，使系统的位置跟踪误差始终保持在允许范围之内；且仿真结果表明，通过合理调节系统参数，同时验证了采用MATLAB/Simulink与AMEsim联合仿真方法进行液压系统能耗分析的可行性。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种四足机器人液压系统仿真建模方法，包括以下步骤：
第一步：所述液压系统分为液压驱动单元和液压油源两个部分，然后分别建立液压油源和液压驱动单元的数学模型；
第二步：在AMEsim中构建液压系统的仿真模型，所述液压驱动单元是四足机器人的动作执行部分，主要由伺服阀和双作用单出杆液压缸组成，四足机器人总共包含十二个液压驱动单元，用于驱动四足机器人全身十二个个关节；所述液压油源主要用于提供恒压油液，以保证充足的流量供应；同时液压油源还具有消除系统震荡，防止液压驱动单元之间的流量、压力耦合，清洁油液，降低油温等作用；主要包含变量泵、溢流阀、蓄能器、滤油器和散热器等元件；
第三步：利用Solidworks建立四足机器人腿部液压驱动单元的三维模型，所述四足机器人腿部液压驱动单元主要包含伺服阀、液压缸、位置传感器和力传感器等部分，所述位置传感器和力传感器分别用于测量液压缸出杆位移量和液压缸受力变化，并将数据实时反馈给控制模块以使得系统运动更加精确；将液压驱动单元的动力机构进行简化，可将其简化成典型阀控缸模，液压驱动单元中采用的三位四通电磁换向阀可视为理想情况下的零开口四通滑阀，其线性化流量方程为：
ΔQL＝Kq·Δxv-KG·ΔxL(1.1)
其中，ΔQL为负载流量，Kq为滑阀在稳态工作点附近的流量增益，Δxv为阀芯在稳态工作点附近的位移变化量，KG为滑阀在稳态工作点附近的流量——压力系数，ΔpL为负载压降变化量；
四足机器人运动过程中，可认为换向阀是在稳态工作点附近运动，则式(1.1)可进一步改写为：
QL＝Kq·xv-KG·pL (1.2)
受油液压缩性影响，液压缸活塞处于中间位置时液压缸固有频率最低，阻尼最小，控制性能最差，因此只要活塞处于中间位置时其动态性能满足整个过程的需求，则可保证液压驱动单元全过程的稳定工作。液压缸活塞处于中间位置时的流量连续性方程可表示为：
其中，A为活塞有效面积，y为活塞位移，CtG为液压缸总泄露系数，Vt为液压缸油腔总容积，βe为有效体积弹性模数；
考虑到该四足机器人体型较小，腿部液压驱动单元结构紧凑、管路较短，且运动速度不快，故忽略油液管路损失、库伦摩擦等因素对系统的影响，可得液压缸和负载的力平衡方程为：
其中，m为活塞及负载总质量，Be为活塞的粘性阻尼系数，K为负载弹性刚度，F为液压缸上的负载；
液压油源由一台变量泵提供动力，其转速主要通过发动机控制，则泵的实际输出流量QP为：
QP＝nE·i·Dp·nv (1.5)
其中，nE为发动机转速，i为发动机到变量泵的传动比，DP为变量泵的排量，ηv为变量泵的容积效率系数；
由于油液在管路中的压缩效应，变量泵的出口压力会高于液压系统的工作压力；泵的出口压力可利用与泵相连管路中的流量以及系统的能耗进行计算，与泵相连管路中的流量等于流入、流出管路流量之差。
液压驱动单元是驱动四足机器人腿部运动的基本组成要素，也是研究液压系统执行器控制算法的最小对象，通过对液压驱动单元控制算法的仿真，可以准确模拟在四足机器人行走时液压系统中各执行机构的状态，为分析液压系统效率做铺垫。因本节只研究四足机器人液压驱动单元的控制算法，因此仿真模型中采用定量泵代替变量泵，该做法不会影响液压驱动单元的控制，却可以节约变量泵建模时间，提高仿真速度。
其中，所述四足机器人在运动过程中液压系统的流量需求变化幅度较大且周期性明显，为了消除系统震荡以及降低系统能耗，需要在液压油源部分添加蓄能器；
蓄能器的容积V0：
其中，VM为蓄能器的工作容积，p0为蓄能器的充气压力，pmax和pmin为蓄能器的最大和最小输出压力，n为蓄能器的热传导指数，等温时n＝1，绝热时n＝1.4(蓄能器工作循环超过3min选取等温条件，否则选取绝热条件)，因此此处取n＝1.4，液压油源主要用于提供液压驱动单元所需的油液，仿真参数的设置仿照真实元件参数进行设置，参数设置如表1-1所示。
表1-1液压油源仿真参数设置
其中，所述液压驱动单元控制系统建立MATLAB/Simulink模型步骤如下：
第一步：模糊推理系统根据位置传感器反馈的位置数据与输入信号的差值，利用模糊控制规则推理出模糊控制量，然后通过对PID控制器中控制参数的实时调整实现对AMEsim模型的控制；
第二步：确定输入、输出量隶属度函数，控制系统MATLAB/Simulink模型中，模糊模块采用两输入三输出的形式。其中，AMEsim模型中位置偏差e及偏差变化率ec为输入量；比例系数变化量ΔKP、积分系数变化量ΔKI与微分系数变化量ΔKD为输出量。输入量和输出量的模糊语言集均定义为：其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，输入量和输出量模糊子集的论域均表示为：
{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}(1.7)
其中，NB表示负大，NM表示负中，NS表示负小，ZO表示零，PS表示正小，PM表示正中，PB表示正大，输入量和输出量模糊子集的论域均表示为：
{-3,-2,-1,0,1,2,3}(1.8)
输入量与输出量的隶属度函数均为两侧Z型隶属函数(zmf)、中间三角型函数(trimf)的形式，这样既保证了隶属度函数的分辨率，又保证了在临近边界时模糊控制器的控制稳定性；
第三步：建立模糊逻辑规则表，模糊模块在检测到液压缸的位置偏差e及偏差变化率ec后，会按照不同的模糊逻辑规则调整PID控制器的参数，与之对应的逻辑规则表述如下：
①位置偏差e与偏差变化率ec符号相同时，伺服阀控制信号应当向偏离原始信号的方向变化，比例系数应变大；位置偏差e较大，且与偏差变化率ec符号相反时，比例系数应变小；
②位置偏差变化率ec变大时，比例系数应变小，积分系数应变大；反之，比例系数应变大，积分系数应变小；
③系统中的微分量主要用于调整液压系统的动态特性，有助于减小工作过程中液压缸位移的超调量，消除系统震荡，缩短调整时间。微分系数变小时会增大系统的稳态误差，使得系统精度降低。当位置偏差e较大时，微分系数应趋近于零，使系统处于PI控制状态；位置偏差e变小时，微分系数应逐渐增大，实现PID控制。
其中，利用AMEsim与MATLAB/Simulink联合仿真平台搭建的系统物理模型与控制模型展开仿真研究，经过仿真，发现采用基于模糊自适应指数趋近规律的滑模变结构控制能够实现对负载口的控制，AMEsim作为一款集液压/机械系统建模、仿真以及动力学分析为一体的液压系统仿真软件，具有操作简单、数据准确等优点，非常适合用作四足机器人液压系统的能耗仿真分析工具。
首先对四足机器人单泵多执行器液压系统的工作原理进行分析，再针对单泵多执行器液压系统进行建模，随后研究液压驱动单元在模糊PID控制算法下的控制特性，最后综合单泵多执行器液压系统模型和液压驱动单元控制算法，对四足机器人单泵多执行器液压系统进行仿真，以便掌握单泵多执行器液压系统的能耗情况，最后针对单泵多执行器液压系统能耗较高的问题提出采用两级压力供能的方法降低系统能耗，提高系统效率。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
