Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Концепция построения системы электрогидравлических следящих приводов двуногого шагающего робота

# 01, январь 2010
авторы: Семёнов С. E., Кулаков Д. Б., Ковальчук А. К.

УДК 621.391.535.8

 

 

Работы по созданию двуногих шагающих роботов (ДШР) ведутся во всем мире все более широко, и успех этих работ во многом зависит от качества системы приводов таких роботов. Требования, предъявляемые к системе приводов, зависят от сферы применения робота, и если это робот для экстремальных условий, то требования очень жёсткие. При работе робота в очагах техногенных катастроф, природных бедствий и других подобных условиях, его приводы могут подвергаться воздействию высоких и низких температур, пыли и грязи, воды и химически агрессивных веществ, а также ударов, вибраций и других неблагоприятных внешних факторов. При этом приводы, учитывая автономность робота, должны быть компактными, быстродействующими, экономичными. Этим весьма противоречивым требованиям из наиболее широко применяемых в настоящее время на роботах приводов (электрических, гидравлических, пневматических) всему комплексу требований наилучшим образом удовлетворяют электрогидравлические следящие приводы (ЭГСП).

Коллективом авторов был создан лабораторный двуногий шагающий робот с ЭГСП, способный перемещаться в рамках динамической ходьбы      [1, 2, 3, 4]. Авторами был накоплен определенный опыт по созданию систем ЭГСП ДШР, который и излагается в данной статье.

Несмотря на большой прогресс электроприводов, достигнутый в последние годы, при уровне мощностей, характерном для основных приводов ДШР, наилучшими динамическими и массогабаритными характеристиками обладают электрогидравлические дроссельные приводы. Однако, они  имеют меньший, чем у электроприводов КПД, высокую стоимость, сложны в обслуживания. Это определяет традиционные области их применения:  авиация, различное технологическое оборудование, строительно-дорожная и другая мобильная техника. Наиболее совершенные и одновременно близкие по параметрам к приводам ДШР ЭГСП созданы для авиации. Независимо от области применения основными подсистемами системы ЭГСП являются:  насосная установка, система кондиционирования жидкости, система трубопроводов и другие формы канализации, электрогидравлические усилители (ЭГУ), исполнительные гидродвигатели, электронная аппаратура системы приводов (аппаратура сопряжения с системой управления, датчики, кабели).

         Насосная установка является источником энергии системы ЭГСП. В её состав входят приводной двигатель, насос для создания давления в линии нагнетания, предохранительный клапан, бак для хранения запаса рабочей жидкости. Также могут использоваться гидроаккумуляторы, обратный клапан, отделяющий выход насоса от точки присоединения гидроаккумулятора, разгрузочный электроклапан, другая вспомогательная гидроаппаратура.

         Приводной двигатель в принципе может быть любым, подходящим по мощности. Наибольший интерес представляют электродвигатели и поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Электродвигатель удобнее в эксплуатации, однако, для него требуется источник электроэнергии. Это может быть либо кабель, соединяющий робот с внешним источником, либо электрические аккумуляторы. Учитывая относительно невысокую энергетическую эффективность гидропривода, целесообразность использования аккумуляторов как основного источника энергии вызывает сомнение. Роботы, предназначенные для работы в экстремальных условиях, должны либо снабжаться кабелем питания, либо оснащаться  ДВС. Несмотря на очевидные недостатки, оба эти варианта используются в экстремальной робототехнике. Известно об успешном использовании ДВС и на шагающих роботах (например, знаменитый Big dog).

         В качестве основного насоса гидросистем рассматриваемого класса чаще всего используют регулируемые аксиально-поршневые насосы с регулятором, замкнутым по давлению. Аксиально-поршневые насосы обладают высоким КПД, хорошими массогабаритными показателями, малой пульсацией расхода на выходе. Регулирование позволяет повысить энергетическую эффективность гидросистемы, что при автономном питании чрезвычайно важно. Однако им присущи некоторые недостатки. Во-первых, многие модели таких насосов (в особенности авиационные, обладающие наилучшими массогабаритными характеристиками) требуют подпора на входе в несколько атмосфер. Во-вторых, габариты и масса аналогичного по производительности и давлению нерегулируемого насоса могут быть в два и более раз меньше. В-третьих, даже при минимальном потребляемом гидросистемой расходе электродвигатель (или ДВС) работают на номинальных оборотах.

          В этой связи перспективным представляется использование нерегулируемых насосов, приводимых в движение высокооборотными вентильными электродвигателями. При этом регулирование давления в системе производится путем управления оборотами электродвигателя. Это уменьшает непроизводительные затраты энергии на поддержание постоянных высоких оборотов насоса, значительно (на десятки процентов) уменьшает габариты агрегата "насос-электродвигатель"  и делает более конкурентным питание ДШР от электрических аккумуляторов.

         Может быть целесообразным использование дополнительного насосного агрегата, состоящего из небольшого насоса постоянной производительности и электродвигателя с практически постоянными оборотами для питания первых каскадов ЭГУ. Такое решение кроме экономии энергии позволяет уменьшить взаимовлияние приводов через линию питания.

         Для обеспечения необходимого качества регулирования давления в гидросистеме путём изменения подачи насоса (вне зависимости от способа, которым это делается) в линии нагнетания должен быть установлен гидроаккумулятор, объём которого определяется при расчете контура управления давлением. Кроме того, гидроаккумулятор позволяет покрывать пиковые значения потребления расхода гидросистемой, превышающие возможности насоса. Ёмкость этого гидроаккумулятора может составлять один и более литров. В случае использования насоса с золотниковым распределением, между  насосом и гидроаккумулятором обязательно должен быть установлен обратный клапан, препятствующий разряду гидроаккумулятора через насос при отключении приводного двигателя.

         Пуск ДВС и нерегулируемого электродвигателя необходимо производить без нагрузки. Для этого необходимо предусмотреть разгрузочный электроклапан, который при пуске соединяет линию нагнетания с линией слива, либо средство принудительной установки насоса на нулевую производительность. При регулировании двигателем этот клапан может отсутствовать (уменьшая габариты и вес системы), однако в лабораторных условиях его всё же следует использовать для обеспечения безопасности. С помощью этого клапана можно практически мгновенно сбросить давление в гидросистеме и не допустить серьёзной аварии.

         В целях уменьшения габаритов и веса насосной установки целесообразно использование гидроаппаратуры патронного исполнения.

Качество работы гидросистемы в значительной степени зависит от качества рабочей жидкости. В процессе работы  системы параметры жидкости меняются, и необходимо принимать меры по их удержанию в заданных пределах. В первую очередь это касается поддержания её температуры и чистоты. Вследствие довольно низкой энергетической эффективности дроссельных гидроприводов в жидкость выделяется большое количество тепла. Можно выделить четыре основных источника нагрева: потери энергии  в насосе, потери в трубопроводах и каналах проводки жидкости, утечки в первых каскадах ЭГУ, потери на дросселирование в основных золотниковых распределителях в процессе управления приводами.

В насосе тепло выделяется за счет объёмных, гидравлических и механических потерь, и общий КПД исправного объёмного насоса высокого класса (например аксиально-поршневого), как правило, приближается к 90 %. Потери энергии в каналах гидросистемы в принципе могут быть сведены к минимуму за счет использования каналов большего диаметра (как следствие, снижения скорости течения), исключения резких поворотов и других местных сопротивлений. Но при этом гидросистема станет чрезмерно громоздкой и тяжелой, что абсолютно недопустимо для ДШР. В авиации в подобной ситуации идут на увеличение скоростей течения в каналах до 10 и более м/с, принимая за основной критерий работоспособности динамические свойства приводов. Для этого суммарные потери давления в каналах должны быть в несколько раз меньше, чем перепад на кромках золотников ЭГУ на основных режимах работы. В гидросистеме ДШР это условие можно выполнить при значительно более высоких скоростях в каналах, т.к. протяжённость его гидролиний на  порядок меньше, чем у самолетов. Однако, следует учитывать, что гидросистема самолёта, в отличие от ДШР, не является основным потребителем энергии, поэтому можно рекомендовать скорость течения в каналах в диапазоне от 10 до 15 м/с, что позволяет обеспечить потерю порядка 5 % энергии в каналах гидросистемы.

Потери энергии в первых каскадах ЭГУ часто могут быть доминирующими в гидросистеме. Для авиационных ЭГУ, которые наиболее часто используются в приводах роботов экстремального назначения, характерны утечки первых каскадов порядка от 0,2 до 0,4 л/мин. Это приводит к выделению до 150 Вт тепла на один ЭГУ не зависимо от характера движения. Эти потери могут быть уменьшены по крайней мере в   5 раз за счёт использования отдельной линии питания первых каскадов ЭГУ. Однако, это требует проводки дополнительных линий питания (меньшего диаметра и на меньшее давление) и установки дополнительного насоса постоянной производительности, поэтому эффективность такого решения для робота в целом должна оцениваться исходя и конкретных требований к роботу.

Потребление рабочей жидкости дроссельным приводом (соответственно и потребление энергии) определяется только скоростью выходного звена привода и его конструктивными параметрами. Доля этой энергии, переводимая в тепло, зависит от нагрузки привода. Для ДШР характерна работа на многих фазах основных движений с малой нагрузкой, а при этом большая часть энергии, подводимой к гидросистеме, рассеивается на кромках распределителей.

Таким образом, зная характер движений, производимых роботом, можно оценить тепловую мощность, которую необходимо отводить от рабочей жидкости ДШР. Традиционно система охлаждения гидросистем строится из расчёта, что значительная часть тепла рассеивается в окружающую среду непосредственно с поверхности её элементов. В промышленных гидросистемах, в первую очередь, это бак с рабочей жидкостью. Для ДШР дело обстоит иначе. Его гидросистема   делается очень компактной, элементы компонуются очень плотно. Соответственно их охлаждение за счет естественной конвекции сильно затруднено. Бак с рабочей жидкостью маленький,  всего несколько литров,  поэтому приходится исходить из того, что все тепло должно отводиться при помощи специального радиатора. Для уменьшения размеров и веса радиатор должен быть рассчитан на принудительный обдув при помощи вентилятора. Привод вентилятора целесообразно делать непосредственно от основного двигателя.

Рабочая жидкость в гидросистеме должна соответствовать определенному классу чистоты. В гидросистеме ДШР элементами, наиболее чувствительными к загрязнениям, являются ЭГУ (главным образом, их первые каскады), для которых рекомендуется 10-й класс чистоты. Загрязнения в гидросистеме появляются за счёт недостаточно качественного отмывания деталей и агрегатов после изготовления, при сборке, заносятся при заправке рабочей жидкостью, с воздухом, засасываемым в бак при изменении в нём уровня жидкости, вдвигающимися штоками гидроцилиндров, образуются за счёт износа деталей пар трения в системе.

 Для обеспечения такого высокого класса чистоты необходимо одновременное выполнение ряда мероприятий.  Проведение всех операций с гидросистемой допустимо только людьми, обладающими необходимой квалификацией. Монтаж и ремонт гидросистемы должны проводиться только в специальных чистых помещениях, в которых степень запыленности воздуха постоянно контролируется, а поддержание необходимой чистоты обеспечено технически и организационно. Все поступающие на сборку детали и узлы должны быть чистыми. Должна быть обеспечена качественная промывка монтируемых деталей и агрегатов (например, в ультразвуковых ваннах), степень чистоты должна контролироваться инструментально. Очень важно использовать рабочую жидкость от надёжных поставщиков только в заводской таре, заправлять гидросистемы  только при помощи специальных насосов (не "через край"), а также организовать надлежащее хранение тары с жидкостью и заправочного оборудования. Заправочная горловина бака должна быть герметично закрыта. В случае, если используется открытая гидросистема, должен быть предусмотрен сапун с воздушным фильтром, препятствующим проникновению в бак загрязнений с засасываемым воздухом.  В напорной магистрали (или магистралях) гидросистемы должен быть установлен фильтр с тонкостью фильтрации от 3 до 5 мкм, обладающий значительной грязеёмкостью. Недопустимо повторное использование рабочей жидкости в случае её слива из гидросистемы. Необходим регулярный контроль чистоты рабочей жидкости в гидросистеме с использованием специальных пробоотборников и оборудования инструментального контроля. В целом, можно рекомендовать руководствоваться нормами  и опытом обеспечения чистоты при работе с гидросистемами, принятыми в авиации.

Для качественной работы гидросистемы, в частности обеспечения высоких динамических параметров приводов, необходимо поддерживать низкое содержание воздуха и других газов в рабочей жидкости. Для этого необходимо принять специальные конструктивные меры. В частности, недопустимо размещение выходного отверстия сливной линии близко к поверхности рабочей жидкости, т.к. возникающее из-за этого бурление способствует насыщению жидкости воздухом. В случае, если струя жидкости выходит в воздух, гидросистема практически сразу становится неработоспособной из-за образования большого количества воздушных пузырьков.

Качество работы, надёжность, удобство компоновки гидросистемы в значительной степени зависит от того, как реализована система трубопроводов. При неправильном проектировании увеличиваются масса и габариты робота, гидросистема  становится механически уязвимой,  повышаются гидравлические потери, как следствие, снижается энергетическая эффективность и ухудшаются динамические свойства системы приводов. Могут возникнуть проблемы из-за  волновых процессов в гидравлических линиях и взаимовлияние каналов системы приводов через общие линии питания. Может понижаться гидравлическая жёсткость исполнительных гидродвигателей.

Главными факторами, определяющими специфику этой  проблемы для шагающих машин, является чрезвычайная плотность компоновки (в отличие, например, от самолетов), жёсткие ограничения по массе (в отличие от станков и строительно-дорожной техники), нобходимость проводки жидкости через множество шарниров, необходимость обеспечения устойчивости к механическим и другим внешним воздействиям (робот может падать, сталкиваться с различными предметами, работать в агрессивной внешней среде).

Традиционно в гидросистемах используют три основных способа проводки жидкости: металлические трубки, рукава высокого (и низкого в сливных линиях) давления, каналы в корпусных деталях полученные сверлением, литьём или электроэрозионной обработкой. Все эти способы использовались при создании лабораторных образцов ДШР, что позволяет сделать некоторые выводы.

Традиционный способ изготовления жёсткого трубопровода предполагает использование нескольких возможных способов соединения: по наружному конусу, по внутреннему конусу, при помощи врезного кольца, фланцев или сварки. Известен также способ неразъёмного соединения при помощи металлических муфт с памятью формы. Первые три способа удобны при монтаже гидросистем, не отличающихся плотной компоновкой. Для присоединения трубки в этом случае требуется специальный штуцер, накидная гайка и специальная деталь (ниппель, привариваемая полусфера либо врезное кольцо) на конце трубки должен быть предусмотрен прямой участок в несколько диаметров (в зависимости от технологии). Весь этот узел имеет длину порядка от 4 до 7 диаметров трубки, а поперечный габарит порядка 2,5 диаметров и может быть сопоставим по размерам с используемым приводом или звеном робота, которое приводится в движение. Фланцевое соединение с приваренным фланцем может иметь длину порядка двух диаметров и несколько больший поперечный габарит. При необходимости получить разъёмное соединение целесообразно использовать именно его.  Надёжность фланцевого соединения может быть повышена  использованием радиального уплотнения.

Если применение неразъёмных соединений трубопроводов не мешает сборке и обслуживанию робота, следует использовать именно их, в частности  сварку. Габариты сварных соединений трубопроводов редко превышают    1,5 диаметра трубки.

При использовании жёстких металлических трубопроводов необходимо выдерживать минимальный радиус изгиба, который (в зависимости от используемой трубки) составляет несколько диаметров трубки. Это значительно затрудняет компоновку гидросистемы робота, однако использование плавных изгибов снижает гидравлические потери. При невозможности использования плавных изгибов следует использовать привариваемые угольники.  Разветвления трубопроводов также по возможности следует делать сварными.

Для проводки жидкости через шарниры часто используют гидравлические рукава высокого давления (РВД). Достоинством такого решения является простота и относительная дешевизна, однако использование РВД вызывает ряд проблем.  РВД должен иметь радиус изгиба не менее допустимого, который  на порядок и более превышает условный проход рукава. Жёсткие заделки концов рукава вместе с присоединительными элементами имеют длину порядка 10 условных диаметров. Кроме того, не желательно изгибать рукав непосредственно у заделки. РВД имеют очень высокую жёсткость на скручивание, поэтому при необходимости проводки жидкости через подвижное соединение звеньев с двумя и более степенями свободы приходится так предварительно изгибать рукав, чтобы он имел петли в нескольких плоскостях, либо использовать вращающиеся в осевом направлении штуцеры. Сам рукав имеет внешний диаметр от 1,5 до 2,5 условного диаметра. В результате размеры РВД, установленных на роботе для проводки жидкости к приводам, сопоставимы или превышают размеры звеньев робота. Поперечные габариты ног робота практически определяются габаритами петель РВД. Эти петли торчат во все стороны, ими легко зацепиться при движении, что может вызвать тяжёлые аварии.

Ещё одним характерным свойством РВД является большая податливость его стенок. С одной стороны, это может быть использовано для фильтрации пульсаций давления в линиях нагнетания и слива, с другой стороны, если РВД использованы для подвода жидкости от ЭГУ к гидродвигателям, увеличивается податливость гидродвигателя. При этом, увеличиваются постоянные времени силовой части привода, что ухудшает динамику робота в целом.  Таким образом, использования РВД при компоновке гидросистемы ДШР следует избегать.

Для проводки жидкости через сочленения звеньев робота целесообразно использовать специальные герметичные шарнирные соединения трубопроводов, которые могут быть выполнены отдельно, либо встроены в шарниры, соединяющие звенья.

Проводка жидкости через каналы в корпусных деталях и использование стыкового монтажа позволяет значительно уменьшить габариты гидросистемы. Однако в общепромышленной практике соответствующие гидравлические плиты делают простых геометрических форм (например, прямоугольные) из стали, а каналы, полученные сверлением, занимают в них очень малую долю объема. Кроме того, некоторые части гидросистемы присоединяют к гидроплитам при помощи штуцеров и жестких трубопроводов либо РВД. Такие гидроплиты получаются очень тяжелыми и громоздкими (за счет штуцеров). Применение для изготовления гидроплит материала из стали часто оправдывают в несколько раз более высокой стоимостью лёгких сплавов. Однако, следует заметить, что если пересчитать стоимости стали и алюминиевых сплавов на единицу объёма, то цена получится близкой. Для уменьшения габаритов целесообразно присоединять необходимые трубопроводы при помощи фланцевых соединений. Для дополнительного снижения веса необходимо отказаться от простых геометрических форм и продумать технологические решения, позволяющие убрать из гидроплит лишний металл. В большинстве случаев, гидроплиты все равно получаются относительно массивными, жесткими и прочными. Это позволяет их использовать как элементы несущей конструкции робота.

Каналы, полученные сверлением, могут быть использованы для проводки жидкости непосредственно в материале некоторых звеньев робота, имеющих небольшие размеры, например, через крестовины двухстепенных  (карданных) шарниров. В тоже время,  в некоторых случаях жёсткие трубопроводы, выполненные из металлических труб, могут быть использованы как элементы несущей конструкции звеньев (при соблюдении необходимых мер безопасности).

Для выполнения дренажных и сливных линий в некоторых случаях могут быть использованы гибкие рукава из полимеров.

         Требования, предъявляемые к ЭГУ приводов ДШР, чрезвычайно жёсткие. Можно особо выделить следующие: большой коэффициент усиления по мощности, высокое быстродействие, необходимое демпфирование, высокая стабильность параметров, линейность характеристики в области нуля, малые непроизводительные утечки, малые вес и габариты.

         Наиболее качественные ЭГУ традиционно использовались и разрабатывались в авиационной отрасли. Еще в 70-е годы ЭГУ от авиационных рулевых и сервоприводов стали использовать в робототехнике. И на данный момент им по-прежнему практически нет альтернативы. Именно такие ЭГУ использованы на лабораторном образце ДШР. Наряду с их неоспоримыми достоинствами (малый вес и габариты, достаточно высокое быстродействие, малый ток управления) у них есть и существенные недостатки. Обмотка управления обладает большой индуктивностью            (до 2 Гн), что приводит к необходимости использовать для управления усилитель тока с большим напряжением питания. Первый каскад ЭГУ выполнен по схеме "сопло-заслонка" либо "струйная трубка". Для первого варианта характерны малые рабочие зазоры (от 30 до 50 мкм) и, как следствие, склонность к засорению. Это предъявляет очень жёсткие требования к чистоте рабочей жидкости. Золотниковый распределитель, как правило, выполнен  с достаточно большим (более 10 мкм) положительным перекрытием дросселирующих кромок. Это вызывает появление зоны нечувствительности в области “0” либо с плавным уменьшением коэффициента передачи ЭГУ при приближении к ней на расстояние несколько мкм. При применении на роботах с высокой точностью позиционирования это приводит к сильному уменьшению добротности привода при малых амплитудах управляющего сигнала (порядка 1 % от номинальной) и практически к полному блокированию прохождения сверхмалых амплитуд (0,1 % номинальной). В сочетании со склонностью к дрейфу нуля это приводит к снижению точности позиционирования привода до уровня, мешающего обеспечить приемлемое качество управления роботом в целом. Наиболее хорошими статическими и динамическими свойства обладают ЭГУ с глубокими отрицательными обратными связями по положению золотника (электрическими либо механическими) с первым каскадом на основе струйной трубки, которые, также, значительно меньше склонны к засорению. Однако, в настоящее время такие ЭГУ выпускаются малыми сериями, и их стоимость очень высока.

Общим недостатком всех двухкаскадных ЭГУ с гидравлическим первым какадом является значительный непроизводительный расход утечки, который при большом числе степеней подвижности, свойственном для ДШР, может приводить к потерям энергии в несколько киловатт независимо от режима работы робота. Одним из возможых выходов является введение в гидросистему дополнительной маломощной линии питания с давлением приблизительно 4 МПа. Это приведёт к пятикратному уменьшению потерь мощности за счёт утечек при приемлемом усложнении гидросистемы. Для этого необходимо предусмотреть дополнительный насос постоянной производительности (например, дешёвый и компактный шестеренный насос) и минимальный набор дополнительной аппаратуры – предохранительный клапан, гаситель пульсаций и фильтр тонкой очистки (от 3 до 5 мкм). Применение дополнительного фильтра именно для наиболее чуствительных к загрязнениям устройств позволяет снизить тонкость фильтрации основного фильтра до 10 мкм и уменьшить его размеры. Это снизит рост габаритов гидросистемы из-за введения дополнительного насоса. Дополнительный выигрыш получается за счет почти двухкратного уменьшения мощности охлаждающего гидросистему радиатора и обдувающего его вентилятора. На несколько десятков процентов могут быть снижены  мощность приводного двигателя и запаса энергии на борту (либо сечение кабеля для подвода электроэнергии).

Проанализируем способы повышения энергетической эффективности гидроприводов, которые использовали разработчики авиационных систем приводов.

Во-первых, сделаны попытки использовать непосредственное управление золотникам при помощи линейных электродвигателей (ЛЭД). Такой подход использован и на некоторых серийных самолетах. Однако дальнейший анализ показал, что  ЛЭД обладают существенно нелинейными статическими характеристиками, ухудшающими динамические характеристики привода вблизи нуля [6]. Динамика ЛЭД может быть описана звеном второго порядка с ярко выраженным всплеском на собственных частотах порядка 200 Гц и коэффициентом демпфирования равным приблизительно 0,2.  Традиционными путями уменьшить нелинейные эффекты в сервоприводе с ЛЭД можно только существенно увеличивая мощность управления, а следовательно массу и габариты ЛЭД. Таким образом, использование ЛЭД приводит к увеличению габаритов и массы как собственно гидравлических агрегатов, так и электронной части привода, что вызывает необходимость увеличивать мощность этих же приводов, а также станции гидропитания и источника энергии робота, чтобы нести эти отяжелевшие приводы. При этом динамика системы приводов ухудшается.

         Во-вторых, в авиации исследовалась возможность использовать автономные объёмные рулевые приводы, в том числе и с высокими динамическими параметрами на сверхмалых амплитудах [5]. Возникают значительные трудности с обеспечением требуемых динамических характеристик при малых амплитудах управляющих сигналов.  Конструктивная схема привода объёмного регулирования существенно сложнее привода дроссельного регулирования. Также значительно больше, чем у дроссельного привода, масса и габариты. При максимальной мощности нагрузки, заданной при относительно малых значениях усилия привода, при переходе на приводы объёмного регулирования достигается существенный (более чем в два раза) выигрыш по установленной мощности, а с увеличением усилия этот эффект существенно падает. Выигрыш в интегральном расходе энергии при использовании приводов объёмного регулирования достигается при больших управляющих воздействиях, при малых управляющих сигналах выигрыш в КПД значительно уменьшается.

         Применительно к ДШР это означает, что его исполнительную систему практически невозможно скомпоновать на основе приводов объёмного регулирования. Серьёзные затруднения возникнут и с получением требуемых динамических характеристик (в особенности в области нуля). Однако, энергетические характеристики такого привода наилучшим образом подходят для ДШР, т.к. значительную часть времени приводы ДШР работают практически без нагрузки, но с большими скоростями (фаза переноса). Возможный выход  – использование объёмного привода только в наиболее энергоёмких степенях подвижности ног.

         В-третьих, в последнее время в авиации все более широкое распространение приобретают электрогидростатические приводы. В этих приводах управляющим элементом являются вентильные электродвигатели, приводящие насосы постоянной производительности. Преимущества подобные приводы получили при использовании наиболее современных вентильных электродвигателей последнего поколения с предельно возможной удельной энергией постоянных магнитов и моноблочном исполнении электродвигателя и насоса [7]. Выигрыш в энергетических характеристиках по сравнению с объёмными приводами достигается, в основном, за счёт того, что электродвигатель объёмного привода постоянно работает на номинальных оборотах, а электрогидростатического – на оборотах, соответствующих скорости в степени подвижности. Однако быстродействие и массогабаритные параметры такого привода существенно хуже, чем у привода с дроссельным регулированием. Выходом из положения могло бы быть сочетание электрогидростатического привода с дроссельным регулированием в наиболее энергоёмких степенях подвижности робота. Но этот вопрос требует серьёзного отдельного исследования.

В качестве исполнительных двигателей в гидроприводах используют гидроцилиндры, гидромоторы различных видов, неполноповоротные гидродвигатели (гидроквадранты), другие, менее распространённые типы гидродвигателей (сильфоны, мембраны, деформируемые оболочки и т.д.)

         Опыт использования сильфонов и деформируемых оболочек (иногда их называют "искусственными мышцами") имеется у некоторых зарубежных разработчиков ДШР. Как правило, такие двигатели использованы в пневмоприводах при небольших удельных мощностях. Такие роботы, соответственно, не пригодны для решения практических задач в экстремальных условиях. Гидромоторы практически не пригодны для построения высокоточных следящих приводов из-за существенных особенностей их поведения при малых скоростях вращения.

Наиболее хорошие компоновочные решения позволяют получить гидроцилиндры и гидроквадранты. Однако, традиционные гидроквадранты (с прямоугольной лопастью) обладают большими и плохо прогнозируемыми перетечками. Эти перетечки сильно увеличиваются при увеличении давления в полостях в следствие деформации торцевых стенок гидроквадранта. По этой причине гидроквадранты традиционной конструкции при проектировании ДШР использовать не целесообразно. Данный недостаток устранён в гидроквадрантах с замкнутым уплотнительным элементом сложной пространственной формы и ротором с тороидальной уплотняемой поверхностью. Однако, эта конструкция очень сложна технологически и обладает несколько большими массой и габаритами.

Наилучшими параметрами обладают гидроцилиндры. Они исключительно надёжны, дешёвы, хорошо компонуются в конструкцию ДШР. Видимо, именно гидроцилиндры следует пытаться использовать в первую очередь и отказываться от их применения только при явном преимуществе других гидродвигателей в каком-либо конкретном случае. Например, затруднения вызывает использование гидроцилиндров для приводов ротации  (вращения звеньев вокруг продольной оси). В этом случае преимущество может быть отдано гидроквадрантам. Иногда в этом случае для манипуляторов используют гидроцилиндры в сочетании с передачей "рейка-шестерня", однако для ДШР такое решение представляется слишком громоздким.

При проектировании высокоточных приводов ДШР, обладающих хорошей динамикой,  необходимо учесть ряд особенностей гидродвигателей.

Во-первых, это люфты в уплотнениях. Уплотнительные кольца устанавливаются в предназначенные для них  канавки таким образом, что заполняют не весь объем канавки (запас на температурное расширение). В результате, при изменении знака перепада давления на уплотнении кольцо смещается, и освобождаемый объём заполняется жидкостью из рабочей полости. Это приводит к смещению выходного звена привода на величину, сопоставимую с требуемой статической точностью привода (порядка люфта). Между тем, практика работы с лабораторным ДШР показала, что люфты в системе абсолютно не допустимы. Бороться с этим эффектом можно путем использования дифференциальных гидроцилиндров. Однако, возможна ситуация, когда приложенная внешняя нагрузка приводит к малому усредненному перепаду давления на поршне, и тогда возможно возникновение автоколебаний.

Радикально решает проблему использование дифференциального гидроцилиндра с соотношением площадей 1 : 2. В штоковую полость, при этом, подключается непосредственно линия питания, к поршневой полости жидкость подводится через двухкромочный золотник. Скоростная характеристика привода при этом получается без излома в нуле, а передаточная характеристика без дополнительных полюсов и нулей. Габариты гидроцилиндра несколько увеличиваются, однако в штоке, который приобретает большой диаметр, можно разместить какое-либо дополнительное оборудование, например датчик перемещения или силы. Существенный  недостаток данной схемы  - проникновение помех из линии нагнетания непосредственно на выход привода и повышенное взаимовлияние приводов через источник питания.

Еще один способ решения проблемы люфтов в уплотнении – использование на поршне двух встречно включённых манжет. Уплотнительный узел при этом становится более громоздким, увеличиваются осевые размеры гидроцилиндра. Результат существенно зависит от качества используемых манжет.

Во-вторых, это малое демпфирование и большая податливость, вызванная значительным объёмом сжимаемой жидкости в полостях гидроцилиндров или гидроквадрантов. В результате, присоединённые к выходному звену гидродвигателя, массы ведут себя как гиря на пружине. Если не принять мер по увеличению демпфирования, то возникающие резонансы не позволяют получить большую добротность приводов по скорости, и динамическая точность оказывается не достаточной для реализации устойчивого движения ДШР. Ситуация усугубляется тем, что звенья робота соединены в кинематические цепи, на которые могут накладываться дополнительные связи (робот может опираться одной или двумя ногами). Параметры матрицы инерции механизма и объёмы жидкости в полостях гидродвигателей  зависят от обобщённых координат. Все это приводит к тому, что резонансные пики возникают одновременно на разных частотах.  При этом коэффициенты демпфирования и сами частоты постоянно изменяются.

Наиболее простой и традиционный способ демпфирования гидропривода – организации перетечек между полостями гидродвигателя. Такой способ широко используется в авиации. Однако, для ДШР он оказался неприемлем. Во-первых, при достаточных для демпфирования перетечках резко увеличиваются потери энергии, что неприемлемо для ДШР, дроссельная система приводов которого и так обладает низкой энергетической эффективностью. Во-вторых, статическая ошибка приводов становится недопустимо большой. Непосредственно использовать разработанные для авиационных гидроприводов методы демпфирования по динамическому давлению [15] в системе приводов ДШР не возможно, т.к. фактически обратная связь по динамическому давлению равносильна введению обратной связи по ускорению в среднечастотной области. Для одноканального привода ускорение (без учёта внешней нагрузки, спектр которой, как правило, низкочастотный) пропорционально перепаду давлений на поршне гидроцилиндра. В многостепенном исполнительном механизме ДШР угловое ускорение в каждой степени подвижности зависит одновременно от всех шарнирных моментов (соответственно и от перепадов давлений на поршнях всех гидроцилиндров), а также от текущей конфигурации механизма, реакций наложенных внешних связей. Поэтому, задача демпфирования системы приводов по сигналам датчиков давления, установленных в полостях гидродвигателей, принципиально усложняется. Однако, этот метод является эффективным. Еще один способ – использование акселерометров, расположенных на концах ног. Сигналы с акселерометров определенным способом должны распределяться по приводам в степенях подвижности.

Исполнительные гидродвигатели обладают большими механической прочностью и жесткостью. Звенья исполнительного механизма при движении деформируются под нагрузкой. Если не принять специальных мер то детали гидродвигателей, вследствие этих деформаций, могут испытывать значительные механические напряжения, не предусмотренные их конструкцией (например, изгиб штоков гидроцилиндров). Возможны повреждения пар трения. Традиционным решением в таком случае является использование шарнирных подшипников, допускающих кроме вращения вокруг основной оси еще и компенсирующие вращения вокруг остальных. Однако применительно к ДШР с его предельно облегчённой конструкцией и плотной компоновкой такое решение нельзя признать единственно возможным и оптимальным.

Звенья робота, выполненные из легких материалов, получаются весьма податливыми, а их необходимая прочность сопоставима или меньше прочности корпусов гидродвигателей. В этих условиях в ряде случаев может оказаться целесообразным использование деталей гидродвигателей в качестве основных несущих элементов звеньев. При этом гидродвигатели должны быть спроектированы таким образом, чтобы выдерживать дополнительные нагрузки.

Исполнительный механизм и система приводов ДШР снабжены множеством датчиков. Их можно разделить на пять основных классов:  датчики относительного положения звеньев исполнительного механизма;  датчики, измеряющие нагрузки на приводах; датчики силомоментного очувствления стоп робота; датчики системы ориентации робота; датчики внешней обстановки. Датчики пятой группы участвуют в планировании поведения и движения робота, но не влияют непосредственно на работу исполнительной системы робота. Датчики системы ориентации робота непосредственно работают в контуре управления движением робота, но не участвуют в работе гидроприводов. Первые три группы датчиков непосредственно обеспечивают необходимое качество работы системы приводов.

Датчики относительного положения звеньев исполнительного механизма обеспечивают замыкание приводов по положению и обеспечивают систему управления робота информацией о текущей конфигурации исполнительного механизма. Они могут устанавливаться, как в гидродвигателях, так и в шарнирах степеней подвижности робота. В первом случае они оказываются более защищёнными от внешних воздействий, занимают меньше места и, что наиболее важно, измеряют положение выходного звена привода непосредственно, без промежуточных соединений и передач. Благодаря этому исключается влияние люфтов и упругости механических передач на качество (динамические свойства и статическую точность)  привода. Однако, недостатком такой схемы (в случае использования гидроцилиндра) является нелинейная связь между показаниями датчика и углом в соответствующей степени подвижности. Кроме того, возникает влияние шарнирного момента на измерение обобщенной координаты, что является чрезвычайно вредным. Если эти отрицательные факторы удается скомпенсировать, то следует отдать предпочтение первой схеме.

Принципиальное значение для качества работы приводов играют абсолютная точность, разрешающая способность и быстродействие датчика. Опыт работы с лабораторным образцом ДШР показал, что абсолютная погрешность датчика, приведённая к оси степени подвижности,  не должна превышать 10', а разрешающая способность – 1', что приблизительно соответствует 11 и 15 двоичным разрядам на полный оборот.  Обновление данных должно происходить не реже, чем каждые 2 мс. Этим требованиям удовлетворяют оптические датчики и датчики, использующие магнитное поле (индуктивные, трансформаторные и т.п.).

При установке в шарнир хорошо компонуются СКВТ и оптические датчики. Однако, оптические датчики более уязвимы, поэтому предпочтение следует отдать СКВТ. На лабораторном образце ДШР были использовы, как корпусные, так и бескорпусные СКВТ. Бескорпусные СКВТ на первый взгляд позволяют получить более компактную конструкцию, однако, возникают две серьёзные проблемы, делающие такое решение нецелесообразным. Во-первых, значительные габариты и стоимость приобретает узел передачи электрических сигналов через шарнир (уже имеющийся в корпусных датчиках). Во-вторых, использование силовых опор вращения шарнира для центровки ротора СКВТ относительно статора приводит к зависимости показаний датчика от радиальной нагрузки на шарнир, причём эта зависимость не поддается компенсации.

При установке датчика непосредственно в гидроцилиндр целесообразно использовать индуктивные датчики, хорошо зарекомендовавшие себя в авиационных гидроприводах.

Для измерения шарнирных моментов, необходимых для демпфирования приводов, могут быть использованы датчики силы, установленные на штоках гидроцилиндров, либо датчики давления, подключённые к полостям гидродвигателей. Первый способ имеет преимущества, так как позволяет получить информацию без учёта сил трения в уплотнениях гидродвигателей, которые могут вносить погрешность в несколько процентов. Однако, это может потребовать проектирования специфического для данной конструкции датчика силы. Использование датчика момента для гидроквадрантов затруднено, поэтому предпочтение следует отдать датчикам давления, по сигналам которых затем вычисляется шарнирный момент. В качестве датчиков давления хорошие результаты показали тензопреобразователи с полупроводниковыми тензорезисторами.

Силомоментные датчики (СМД) стоп конструктивно не связаны с гидроприводами, однако сигналы, получаемые с них, могут использоваться для демпфирования системы приводов ДШР, непосредственно влияя на устойчивость и показатели качества ее работы. На лабораторном образце ДШР установлены шестикомпонентные СМД с крестообразной плоской конструкцией, которая хорошо компонуется в стопы робота. В нашем случае СМД содержат четыре тензомоста (по числу измерительных балок) с фольговыми тензорезисторами. Однако, известны более компактные конструкции с тремя измерительными балками. Кроме того, использование фольговых тензорезисторов не обеспечивает необходимой стабильности в работе и годится только для проведения лабораторных исследований. Известны конструкции с полупроводниковыми тензорезисторами. При проектировании СМД стоп особое внимание должно быть уделено механической прочности чувствительных элементов датчиков, их устойчивости к ударам и хорошей защите от неблагоприятных факторов внешней среды (пыль, влага и т.п.).

         ЭГУ и датчики, расположенные на ногах ДШР соединены с системой управления при помощи кабелей. Например, на лабораторном образце ДШР на каждой ноге установлены  СМД с восемью каналами                                    (8 дифференциальных экранированных линий  передачи сигнала плюс             2 линии питания),  6 СКВТ (9 линий на каждый в общем экране),  8 датчиков давления (4 линии на каждый в общем экране), 6 ЭГУ (два провода на каждый в экране). Таким образом, количество проводов, подводимых от каждой ноги к системе управления, равно 116 плюс экраны кабелей. Конструкция кабелей должна быть достаточно прочной. Кабели присоединяются к датчикам, ЭГУ и системе управления при помощи электрических разъёмов. В результате объём и масса кабельного хозяйства вносят заметный вклад в объём и массу  всего робота. Значительной оказывается и их стоимость.

При проектировании ДШР, предназначенного для работы в экстремальных условиях, концепция создания системы кабелей должна быть изменена.    Во-первых, кабели должны быть расположены внутри силовых элементов звеньев робота и защищаться не собственными прочными оболочками, а деталями звеньев. Во-вторых, должно быть сведено к минимуму использование электрических разъёмов. Такое решение продиктовано большими габаритами существующих конструкций разъёмов, необходимостью введения в конструкцию специальных элементов для крепления разъёмов, необходимостью их размещения с учетом возможности монтажа, что делает их уязвимыми и сильно увеличивает габариты всей конструкции ДШР. В-третьих, минимизация, по возможности, количества проводов. Это может быть достигнуто благодаря отказу от передачи к системе управления и обратно электрических сигналов в аналоговой форме. Перспективным является принцип передачи информации по последовательной цифровой шине (например, I2C или CAN). Датчики и ЭГУ сопрягаются с этой шиной при помощи микроконтроллеров, расположенных непосредственно около них (например, AVR-микроконтроллеров, содержащих, как устройства сопряжения с последовательной шиной, так и с аналоговым оборудованием). Необходимое количество проводов при этом уменьшается на порядок, а микроконтроллеры, размеры которых даже с учётом необходимого конструктивного оформления не превышают размеров электрических разъёмов, от которых целесообразно отказаться, легко компонуются в конструкцию и могут обслуживать сразу группу близко расположенных датчиков и ЭГУ.

Известно техническое решение, когда кабели располагаются в сливной гидравлической линии. При значительной сложности монтажа, это обеспечивает их надёжную защиту не только от механического, но и химического или термического повреждения. Такое решение целесообразно для роботов, предназначенных для работы, например, под водой.

         Электронная аппаратура сопряжения с системой управления традиционно считается частью системы электрогидравлических приводов. Она может быть расположена в блоке управления, а может быть вынесена непосредственно в состав электрогидравлических агрегатов. В свете вышеизложенного, второй подход предпочтителен.

         Таким образом, можно констатировать, что системы приводов ДШР и других шагающих машин образуют предмет отдельной области инженерной деятельности, методы которой во многом специфичны, хотя и базируются на подходах, сформировавшихся в других областях применения гидроприводов. Эта новая область требует внимания и дальнейшего развития.

 

Список литературы

1. Ковальчук А.К., Семёнов С.Е. Кинематический алгоритм управления движением двуногого шагающего робота // Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана. Приборостроение. М., 1996. ╧ 1. С.57-69.

2. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е.. Принципы построения программного обеспечения системы управления антропоморфным шагающим роботом // Изд-во вузов. Машиностроение. Автоматизация и современные технологии. М., 2007. ╧ 2.

3. Ковальчук А.К., Семёнов С.Е., Кулаков Д.Б., Горина Г.Ю. История и развитие антропоморфных шагающих роботов – как нового класса робототехнических средств для экстремальных условий // Наука и образование: электронное научно-техническое издание. М., 2006. ╧ 12.

4. Ковальчук А.К., Кулаков Д.Б., Семёнов С.Е. Управление исполнительными системами двуногих шагающих роботов. Теория и алгоритмы / Под ред. А.К.Ковальчука // Двуногие шагающие роботы. М.: Изд-во МГОУ, 2007.    160 с.

5. Оболенский Ю.Г. Управление полетом маневренных самолетов. М.: Воениздат, 2007. 480 с.

6. Редько П.Г. Повышение безотказности и улучшение характеристик электрогидравлических следящих приводов. М.: Янус-К, 2002. 232 с.

7. Состояние и результаты научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию перспективных электрогидростатических приводов для систем управления полетом самолетов "AIRBUS". (Обзор по материалам иностранной печати)                    / Выпуск 1. М.: НИИСУ, 2003. 56 с.

 

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)