1.3　伺服液压缸及其伺服控制系统

1.3.1　伺服液压缸概述

伺服液压缸是指将步进电动机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压缸内部，能实现精确的位移。伺服液压缸可内置活塞、外置缸体或端部不同检测传感器，集成伺服阀及放大器于一体，实现位置、力、速度闭环，安装方式可以有多种选择。

虽然已有很多将伺服缸、伺服阀、反馈传感器组成一体的产品可供选用，但由于各种原因，在实际应用中，常常需要自行设计伺服缸。

伺服缸与普通缸不同之处在于，伺服缸要满足伺服系统的静态精度、动态品质的要求，要求低摩擦、无爬行、无滞涩、高响应、无外漏、长寿命。因此，伺服缸的最低启动压力、泄漏量等指标与普通缸要求不同，除此之外，伺服缸在频率特性方面还有要求。

在设计计算时，伺服缸设计必须与伺服阀选用同时考虑，伺服缸除了要像普通缸一样根据力值、速度选取适当的缸径、杆径，还需要对固有频率进行校核，以满足系统或伺服阀的要求，为提高响应速度，伺服阀还应尽量装在缸体上，以减少阀与缸之间的管路，同时，避免使用软管。

在结构设计上，伺服缸的密封和导向设计极为重要，不能简单地沿用普通液压缸的密封与支撑导向。这是因为伺服缸和普通缸的性能指标要求不同。伺服缸要求启动压力低（即低摩擦），通常双向活塞杆的最低启动压力不高于0.2MPa，单向活塞杆的最低启动压力不高于0.1MPa。而普通缸根据密封形式及压力等级等的不同，最低启动压力在0.1～0.75MPa，在标称压力高的情况下，按百分比计算确定，有的可高达1.8MPa。只有密封和支撑导向的低摩擦才能保证无爬行、无滞涩、高响应，而无外漏、长寿命等要求也都和密封与支撑导向密切相关。其实，密封与支撑导向的不同就是伺服缸和普通缸最本质的不同。现在，已有很多专门用于伺服缸的成熟的密封产品，既可保证密封效果，又可保证低摩擦，可供选用。因此，设计伺服缸的关键是选择和设计密封与支撑导向部分。

此外，设计伺服缸也还要考虑如何保证缸的刚性，有的还要考虑如何安装传感器等。

伺服缸总体来说在各方面要求比普通缸高，但在内泄漏方面是个例外。伺服缸的内泄漏量一般要求≤0.5mL/min或由专门技术条件规定。而普通缸内泄漏量根据缸径和密封形式等不同最低可达0.03mL/min。可见，伺服缸的内泄漏量指标并不比普通缸要求高，甚至可以低于普通缸的要求。这是因为伺服系统一般都有闭环反馈控制，内泄漏引起的误差可以通过系统的闭环反馈得到调节补偿，即使稍大一些也无妨。另外，内泄漏量能够影响系统的稳定性和响应速度等动态指标，有时还会希望稍大一些，以增大系统稳定性。

伺服缸在系统中的匹配计算，尺寸确定也是很重要的。

在液压伺服系统中，最常见的是电液位置伺服系统。由于它能充分地发挥电子和液压两方面的优点，既能产生很大的力和力矩，又具有很高的精度和快速响应性，还具有很好的灵活性和适应能力，因而得到了广泛的应用。

1.3.2　闭环控制数字液压缸及其控制系统

目前的数字液压缸主要有两种：一种是能够输出数字或者模拟信号的内反馈式数字液压缸；另一种是使用数字信号控制运行速度和位移的开环控制数字液压缸。前者仅能够将液压缸运行的速度和位移信号传递出来，其运动控制依靠外部的液压系统实现，数字液压缸本身无法完成运动控制；而后者虽然可以通过发送脉冲完成对数字液压缸的运动控制，但由于它是一个开环控制系统，无法对由于系统温度、压力负载、内泄及死区等因素引起的速度和位移的变化进行补偿。使用一个中空式光电编码器将两者的优点结合在一起，数字液压缸既能输出准确反映液压缸运动的数字信号，又能对系统温度、压力负载、内泄及死区等因素的影响进行补偿，进一步提高运动精度。

（1）闭环控制数字液压缸的结构及工作原理

图1-38是一种闭环控制数字液压缸的结构原理。

步进电动机1接到脉冲信号，其输出轴旋转一定的角度，旋转运动通过花键2、万向联轴器3、阀芯4传递给外螺纹5，外螺纹5和沉入缸外转轴7右端的内螺纹相互配合，内螺纹位置固定，在旋转作用下外螺纹带动阀芯发生轴向的移动。本数字液压缸采用负开口三位四通阀控制流量，阀口存在一定的死区，开始的几个脉冲产生的一小段位移并不能将P口处的高压油与A口或B口接通。死区过后，步进电动机再旋转一定角度，在旋转作用下阀芯又发生一定的轴向位移。如果阀芯向左移动，P口和A口连通，B口和T口连通。P口处的高压油，通过A口流入液压缸的后腔。后腔增压，空心活塞杆向左运动，前腔的油经过B口、T口流回油箱。空心活塞杆向左移动时，带动固定在空心活塞杆上的丝杠螺母14向左运动，滚珠丝杠13在轴向上不移动，丝杠与步进电动机旋向相反，带动缸内转盘11旋转。后缸盖9两边的磁铁10相互吸引，使得缸外转盘8和缸内转盘11同时旋转相同的角度。反向旋转运动通过这样一个磁耦合机构被准确地传递到液压缸外。缸外转轴7和缸外转盘8是一个整体，缸外转轴7和编码器6通过平键连接，沉入缸外转轴7右端的内螺纹和外螺纹5配合。缸外转轴7反向旋转，外螺纹5向右移动，阀口关闭，一个步进过程结束。

滚珠丝杠旋转的角度被平键连接于缸外转轴7上的编码器6检测到，此旋转角度和空心活塞杆的位移对应，此信号传给以单片机为核心的控制系统，控制系统根据运行位移和速度要求，对步进电动机进行闭环控制。

阀芯的两端使用万向联轴器连接，不限制径向的小位移，防止阀芯被拉伤，同时保证轴向运动、旋转运动的双向传递。数字液压缸在向前运动的同时不断关闭阀口，形成一个伺服控制系统。

和开环控制数字液压缸相比，该闭环控制数字液压缸的创新之处有以下两点。

第一，采用了光电编码器反馈的闭环控制系统，能对系统温度、压力负载、内泄及死区等因素的影响进行补偿，并进一步提高了控制精度。当油液温度升高时，黏度降低，流动速度加快，在阀的开口大小一定的情况下，即步进电动机接收到的控制脉冲速度一定的情况下，液压缸的运动速度加快；使用闭环控制系统，可以设定一个速度值，如果使用光电编码器检测到的液压缸速度大于此速度，就减小对步进电动机的脉冲发送速度，如果使用光电编码器检测到的液压缸速度小于设定速度，就增加对步进电动机的脉冲发送速度，这样始终可以使数字液压缸的运动速度保持在设定值。当压力负载增大时，缸体内外的油液压力差减小，油液的流动速度减小，再加上油液所受的压力增大，液体体积被压缩，这两个因素都会造成液压缸的运动速度降低。这种误差可以通过在闭环控制系统中增大对步进电动机脉冲的发送速度来消除。同样，如果出现内泄现象，在发送脉冲速度（即阀的开口大小）一定的情况下，液压缸的运动速度也会降低，这种误差也可以在闭环控制系统中被灵活地补偿。在开环控制数字液压缸中，步进电动机和滚珠丝杠之间部分的传动误差会对位移产生影响，三位四通控制阀的死区也会对开环控制数字液压缸的位移产生影响，若采用闭环控制系统，就可以消除这些影响，这样，可以适当降低步进电动机和滚珠丝杠之间的各传动结构的精度，从而降低该部分的加工成本。

第二，通过使用磁耦合机构，既回避了旋转密封，同时又保证了旋转运动从缸体内部到缸体外部的准确传递。所谓磁耦合机构是指后缸盖两边内嵌磁铁的两个圆盘，它们在轴承的支撑作用和磁铁的吸引作用下，可以同时转动相同的角度。无须透过后缸盖伸出杆件就可以将旋转运动传递出来。对于精度要求不太高、传递扭矩不太大的情况，这种结构完全可以满足使用要求。当传递大动力或要求运动精度较高时，必须从后缸盖伸出杆件，将缸内的旋转运动传递出来，这就需要使用旋转密封圈进行良好密封，当然其价格就比较昂贵。

（2）闭环控制数字液压缸的控制过程

在此通过使用闭环控制数字液压缸实现机床刀具快进—工进—延时—快退的运动循环过程，来说明闭环控制数字液压缸的控制方法。

在加工工件的过程中，为了提高工作效率，刀具遇到工件前都希望刀具运动较快；在加工工件的过程中，刀具切削工件受到的阻力较大，为了避免刀具折断，其运动速度应该放慢；刀具返回过程中不切削工件，同样，为了提高工作效率，希望刀具运动较快。在半自动机床上通常使用液压缸来带动刀具前进，如果使用传统的控制方式，系统工作原理如图1-39所示，系统的工作过程如下。

①快进。1DT、3DT通电，其余电磁铁断电，压力油经电磁阀1、2、3左位进入液压缸右腔，推动液压缸杆快速接近工件。

②工进。当液压缸活塞杆前端固定的磁铁靠近霍尔开关7，2SQ通电时，电磁铁1DT、3DT、5DT通电，压力油经电磁阀1、2左位，电磁阀3右位，节流阀4进入液压缸右腔，推动液压缸活塞杆低速工进，切削工件。

③延时。当液压缸活塞杆前端固定的磁铁靠近霍尔开关8，3SQ通电时，电磁铁1DT通电，其余电磁铁断电，液压缸停止不动。

④快退。延时结束，电磁铁1DT、4DT通电，其余电磁铁断电，压力油经电磁阀1、2进入液压缸左腔，使液压缸快速退回，直到液压缸活塞杆前端固定的磁铁靠近霍尔开关6，1SQ通电为止。

使用闭环控制数字液压缸实现上述运动，控制框图如图1-40所示。

①复位。判断绝对脉冲存储区的数据是否为零。如果是零，说明液压缸在零位；如果不是零，说明液压缸不在零位。不在零位，则反向旋转步进电动机（图1-40以1200Hz为例），当光电编码器返回一个脉冲信号时，说明液压缸后退了一个脉冲当量，绝对脉冲存储区的数据减1，液压缸后退到零位为止。

②开关判断。开关按下，执行运动，否则不动。

③报警。如果液压缸不在零位，说明在工作过程当中，即使此时按下开关，也不能使液压缸运动。

④快进。给步进电动机发送正向高速脉冲（图1-40以1000Hz为例），同时当光电编码器返回一个脉冲信号时，说明液压缸前进了一个脉冲当量，绝对脉冲存储区的数据1。

⑤工进。当液压缸走到指定的位置（图1-40以相对零位置6000个脉冲当量为例），即将开始加工工件的时候，降低发给步进电动机的正向脉冲速度（图1-40以200Hz为例），同样光电编码器每返回一个脉冲信号，绝对脉冲存储区的数据加1。

⑥延时。当液压缸走到终点位置（图1-40以相对零位置6400个脉冲当量为例），根据加工要求通常在终点位置停留一段时间，在数字液压缸系统中，只需要是步进电动机停止旋转，液压缸就会停止运动。

⑦后退。延时结束后，反向旋转步进电动机（图1-40以1200Hz为例），当光电编码器返回一个脉冲信号时，说明液压缸后退了一个脉冲当量，这时绝对脉冲存储区的数据减1，液压缸后退到零位为止。

按照以上方法控制液压缸运动的特点是：单片机绝对脉冲存储区所存储的数据和液压缸相对于零点的位移是唯一对应的，不需使用会影响液压缸控制精度的霍尔开关。通过以上方法就可以有效地保证液压缸行程精度。

1.3.3　机器人液压伺服系统

某机器人研究中心在以往四足机器人平台，以及四足动物运动的研究基础上，围绕适用于腿足式机器人的高功率密度的液压驱动、动态平衡控制、仿生机构、环境感知与适应控制五大关键技术展开研究与设计工作，最终研制出配备机载动力系统、具有一定野外适应能力的高性能四足仿生机器人平台SCalf。

（1）SCalf机器人结构

SCalf液压驱动四足机器人以大型有蹄类动物为仿生对象，同时考虑到运动能量消耗、载重、运动指标以及开发成本，以刚性框架作为其躯干，并对其腿部骨骼进行简化，最终形成了12个主动自由度、4个被动自由度的四足仿生机构，其中，每条腿上分别有1个横摆关节和2个俯仰关节，由铝合金材料加工制成，通过安装在腿末端被动自由度上的直线弹簧来吸收来自地面的冲击。SCalf机器人的整体结构如图1-41所示。

SCalf集成了发动机系统、传动系统、液压驱动系统、控制系统、传感系统、热交换系统及燃料箱等。SCalf具有较好的负重行走能力，可以携带一定的燃料和其他重物，采用支撑系数为0.5的对角小跑步态（trotting）。在普通路面、斜坡和较为崎岖的泥土、草地中行走，并且能够使用爬行步态（creeping）跨越障碍。SCalf机器人的尺寸、重量及性能的测试参数如表1-3所示。

（2）动力与驱动

①机载动力系统　SCalf的机载动力系统由一台22kW单缸两冲程卡丁车发动机、变量柱塞泵、机载液压站及其燃料箱、热交换、排气、传动、转速控制与状态监控单元组成，如图1-42所示。

考虑到发动机与液压泵配合工作的问题，为了使二者都能工作在一个良好的功率输出和转速曲线上，在发动机与液压泵之间安装了传动比为1.5∶1的高速链条传动机构，将发动机的输出转速降速作为液压泵的转速输入。根据液压系统的工作流量，液压泵的转速输入期望范围在5500～7500r/min，发动机的转速输出需控制在8000～11000r/min。根据发动机的输出特性曲线，在这个范围内，发动机的功率输出特性稳定，而且覆盖发动机的最大扭矩输出点，从而避免了机器人运动过程中，因动力匹配问题而造成发动机转速与液压系统流量大幅波动。

为了避免发动机系统与液压泵系统烦琐、复杂的建模工作，将发动机与液压泵系统看成黑箱，采用PID（比例-积分-微分）控制器控制舵机位置，改变发动机节气门开度，以20Hz的频率伺服液压泵的转速。在机器人运动时，液压系统的流量一直快速变化，为了提高系统的鲁棒性，设计了分段PID控制器，在速度偏差值较大时，采用强收敛性参数，保证控制器响应的快速性；在偏差较小时，使用调节较弱的参数，保证控制器稳定输出，避免系统振荡。转速控制器的控制框图如图1-43所示。其中，q_pd为液压泵的期望值，|e|为q_pd与液压泵的实测转速q_p经过卡尔曼滤波后的偏差的绝对值，E₁、E₂为偏差|e|的两个阈值。与此同时，控制器模块还负责采集机载动力系统液压输出压力及液压系统的工作温度，以方便对动力系统的状态进行评估。

②一体化液压驱动单元　在有限的空间中，一体化的液压驱动单元是实现每个关节液压伺服驱动的关键。该单元将电液伺服阀、杆端拉压力传感器以及直线位移传感器集成在一个直线伺服油缸上，如图1-44所示。SCalf每一个主动关节都由一个这样的一体式液压伺服驱动单元驱动。油缸的PID伺服控制器以500Hz的伺服频率对油缸直线位移进行伺服，同时以100Hz的频率通过杆端拉压力传感器检测油缸的出力状态。

（3）控制系统与控制方法

①控制系统　由于SCalf的各个控制、传感设备分散在机器人本体的各个位置，而且发动机、电瓶等能源设备同时存在，因此SCalf的控制系统必须具备分布式采集与控制、可抵抗复杂外部干扰的特点。为此，将SCalf的控制系统设计成一个具有双CAN总线与分层结构的分布式网络系统，如图1-45所示。

运动控制计算机负责底层的运动伺服及运动相关传感器的数据采集。由于对实时性要求较高，因此采用了QNX实时操作系统。在SCalf自动运行模式下，运动控制计算机的运动指令来自上层的环境感知计算机；在手动操作模式下，运动控制计算机的运动指令直接来自无线操作器。

环境感知计算机对实时性的要求低于运动控制计算机，因此在环境感知计算机上运行实时性低、通用性较强、易于扩展的Linux内核的通用操作系统。环境感知计算机负责采集GPS（全球定位系统）数据以及二维激光扫描测距仪的数据，同时根据上述数据进行路径、人员跟踪以及避障的运动规划。

②控制方法　SCalf有一套简便、快速、实用性强的运动控制方法，使其能够在不同的地形条件下稳定行走。如图1-46所示，SCalf的运动控制指令分为躯干运动线速度v_d与航向角速度ω_γd的速度输入，姿态横滚角α_d以及姿态俯仰角β_d的角度输入。

步态规划以躯干运动线速度指令v_d与航向角速度指令ω_γd为参考，以SCalf机器人检测关节力矩τ_m作为腿部支撑条件及状态的判断依据，得到机器人腿部髋关节坐标系下期望的足端运动轨迹t_d。

姿态控制器以姿态横滚角指令α_d与姿态俯仰角指令β_d作为参考输入，以垂直陀螺仪的姿态观测欧拉角ε_fb作为修正依据，得到姿态调整欧拉角u_ε（u_εα，u_εβ，u_εγ）。式（1-14）为机器人的姿态解耦方程：

p_d（i）=R_zyx（u_εα，u_εβ，u_εγ）t_d（i）-k_hip（i）　　        （1-14）

式中　R_zyx——ZYX欧拉角旋转矩阵；

k_hip——髋关节在躯干坐标系中的坐标，为常量；

i——腿号。

姿态解耦将机器人的移动控制与躯干姿态控制完全分离，实现了机器人在站立或移动过程中的躯干横滚、俯仰、扭转控制，使机器人的运动更加灵活多样。同时，解耦控制降低了机器人整体控制时的规划复杂度，使4条腿的支撑点向躯干正下方偏移，减小重力产生的翻转力矩，从而实现对地面坡度的适应。机器人通过分别控制前进速度、侧移速度、自转速度实现全方位移动。这三部分进行独立规划，然后依照期望速度和角速度按比例进行叠加，得到机器人的足端期望位置p_d。实验测试中，SCalf可在斜坡上稳定行走，在平面上向任意方向移动，绕任意半径转动，甚至完成坡上的自转运动。由于运动过程中重心投影始终在支撑对角线附近，因此姿态角偏转不大，行走平稳。

SCalf机器人的腿部柔顺是基于位置控制，姿态控制器根据反馈姿态角与期望姿态角的偏差来输出姿态调整量，再经过姿态解耦调整支撑腿；同时，根据反馈的躯干横滚角α及横滚角速度ω_α，实时调整摆动腿落地点坐标，使得机器人进入下一个支撑相时，质心在铅锤方向上的投影仍然在支撑腿之间。调整方法示意图如图1-47所示，摆动相步态曲线中的侧移量通过式（1-15）进行计算：

　　        （1-15）

式中　r_CoM——躯干质心到支撑脚的平面距离，可由机器人运动学获得，是腿部关节角的函数；

q_CoM——躯干质心与支撑脚连线在冠状面中与地面的夹角，同样可以通过机器人运动学获得，是腿部关节角与躯干横滚角的函数；

k_SA——侧移量调节系数，可以在试验中进行调节；

α_st——调节阈值，在设定范围内，摆动相不进行侧移量调节，当躯干横滚角超出阈值范围，机器人增加摆动相侧移量。

以上方法通过步态调整与姿态解耦来实现在姿态扰动下的平衡保持，抵消外来冲击的是机器人躯干的重力，以及足与地面之间的侧向摩擦力。调整阶段，机器人的施力腿与地面之间一直保持接触，机构不会发生剧烈碰撞，同时还可以通过摆动相实现连续调节。

机器人以对角小跑步态为主，移动平稳、速度快而且节能。对于较高障碍和地面起伏较大的地形，机器人使用爬行步态。SCalf通过检测安装于液压缸推杆上的力传感器计算关节力矩，进而估计脚的触地状态，控制各腿支撑相与摆动相的切换。

在机器人的爬行过程中，根据标准能量稳定裕度（NESM）实时调整质心位置，保持机器人在行走中的稳定性。由于姿态与移动控制已解耦，机器人在爬行过程中还可以进行躯干姿态的调整，以增大特定腿的实际工作空间，提高越障能力。SCalf可以在非结构化环境中移动，地形的起伏导致实际姿态与期望姿态间存在偏差，这会影响机器人的稳定性。因此，机器人通过垂直陀螺仪检测实时姿态并对足端位置进行调整，补偿偏差，增强稳定性。

为了提高机器人适应复杂地形的能力，采用阻抗控制方法，无期望足端速度输入，在足端期望位置基础上，将机器人的腿等效为在机器人躯干坐标系方向的3个一维弹性阻尼环节，如图1-48所示。

腿部末端位置给定的误差值e与足底检测接触力f_tc之间的关系如式（1-16）所示：

　　        （1-16）

式中　k_d——虚拟阻尼系数矩阵；

k_s——虚拟刚度系数矩阵。

其中：

f_tc=（f_tcx　f_tcy　f_tcz），　e=（e_x　e_y　e_z）

图1-49为机器人腿部主动柔顺控制框图，足底接触力由安装在足底的三维力传感器直接测量。这里需要注意的是，由于机器人的重量较大，因此在室外条件行走时，足与地面之间的瞬间接触力很大，所以机器人足底采用尽量软的材料，以减小足与地面的接触冲击，这样既可以保护传感器，同时也能够避免接触时检测数据的剧烈抖动。多维力传感器的安装位置尽量接近足端，以增加对接触力测量的准确度。

足底三维力数据经过卡尔曼滤波后，由传感器测量坐标系转换为腿基坐标系（图1-48中坐标系O），变换为腿基坐标系下的接触力数据。

通过足端位置期望p_d与计算的位置误差e，得到机器人足端实际控制位置u_p，经过机器人腿部的逆运动学运算，得到期望关节角度θ_d，作为机器人腿部关节位置伺服的输入，驱动机器人腿部运动。

检测接触力来进行腿部柔顺控制可以避免关节力控制时的非线性环节，降低控制的难度与复杂度，大大提高可靠性。但在室外环境下，机器人行走和越障时并不一定完全是用脚接触环境，还有可能是小腿等位置，这时候足底接触力检测是失效的；此外，足与地面间的碰撞，也会给足底多维力传感器带来很大误差。因此，采用足底接触力柔顺控制，结合关节力检测的方法来提高机器人在接触多种环境时的稳定运行能力。

1.3.4　数字泵控缸位置伺服系统

工程应用中，液压缸的位置伺服控制方法较多，通常在用电液伺服阀或高速开关阀来实现，在一些较恶劣的工作环境中，也可利用普通的三位四通电磁换向阀来实现液压缸的位置控制，各有其特点：电液伺服阀效率低，能耗大，而且对环境的要求较高，价格比较昂贵；高速开关阀虽然可以通过调整占空比来实现连续流量控制，但流量较小常用作先导级控制，一般不直接用于位置伺服控制；而普通的三位四通电磁换向阀一般用于控制精度要求不高的场合。利用数字泵对液压缸直接进行位置伺服控制，除了具有精确的位置伺服控制外，还具有很好的节能效果，以及对环境要求不高，成本低等特点。

（1）数字泵控缸液压系统组成

系统组成如图1-50所示，压力传感器用来检测数字泵出口压力；位移传感器用来检测液压缸的位置，并将测量信号传给控制器；涡轮流量变送器和椭圆齿轮流量计用来标定步进电动机脉冲数与泵出口流量的线性关系。数字泵用来实现进出液压缸的液体的流量控制，液动电磁换向阀用来实现液压缸的位置控制。

（2）系统节能原理

系统使用的数字泵是由步进电动机控制的63CCY14-1B型轴向柱塞变量泵。步进电动机接收单片机发出的脉冲信号后旋转并通过丝杠-螺母传动副转化为特定的直线运动，从而改变与丝杠相连的伺服阀芯的位置，相应地改变阀的开口量。通过伺服阀芯的移动使柱塞泵的斜盘倾角相应改变，从而使泵的输出流量与负载的需求匹配，达到系统节能的目的。