四足液压机器人的液压系统
2018/09/01 21:53:02
同学们在没有深入接触液压之前，脑子里是把液压驱动与电机驱动对等起来的，实际上这种对等是错误的，液压说：“我们并不生产能量，我们只是能量的搬运工。“ 液压技术大多时候被定义为一种传动技术，完成由动力源到目标机构的动力传递。因此，液压传动可以看成是电机系统中的齿轮、带轮等机构。下面这张图就是液压系统最抽象的理解：
电机或者发动机带动液压泵（pump）旋转，带动油液推动油缸，把负载往前推进。但实际应用时，并不存在这种系统。首先这个系统不安全，试想，油缸伸到头了，泵还在往里打油，就算泵和油缸没事，上面的管接头也全爆开了，大致就是妈妈把皮管套在水龙头上引水，顽皮的你一脚踩到皮管之后的场景，伤害威力要再放大10到100倍，此处不包括妈妈揍你的威力。不仅如此，这个系统无法完成我们的高级需求，把这么重的东西推了出去，谁去把它拉回来呢？所以，更合理的液压系统如下图：
图中的阀2（Valve2）是用来保护系统的，在管道压力过高时，自动打开溢流，等效于，在你不慎踩到皮管后，堵在管中的水就从旁边的流道流走了，此时你就可淡淡一笑，圆润优雅地离开妈妈的视野。而图中阀1（Valve1）通过人工推动，实现左右换向的功能，阀1左推时，缸缩回，往右推时，缸伸出。
好了，现在我们就拥有了一个可以人工控制方向的安全液压系统了，在我们愉快玩耍的同时，再也不用担心因一招不慎，被崩出的零件爆头了。但是玩耍了一会儿，机智的同学们马上就发现，自己可以通过控制阀芯移动的距离，来控制液压缸的运动速度，简单地就像控制水龙头的出水量一样。没错！这就是最普遍的液压速度控制：在压力稳定时，调节阀口开度，来控制通过阀口的流量，新技能get√。（实际工程中用的液压调速相比家用水龙头复杂到不知哪里去了，请大家不要被我误导）
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有了以上的基本技能，同学们肯定开始跃跃欲试了，有的同学说：“我要用这个来做机床！”，有的说：“我要拿来这个来驱动大狗！”，还有的说：”我要拿来做挖掘机改造世界！”于是乎，一批满怀激情的同学为振兴中华民族液压行业，踏上了漫长的征途……
我们先来看看说要做挖掘机来改造世界的A同学
A同学首先注意到挖掘机的结构。传统的液压挖掘机主要有六个独立的自由度，分别是下图中的1-铲斗油缸，2-斗杆油缸，3-动臂油缸组，4-回转马达，5-左行走马达，6-右行走马达。
所以，A同学马上利用上面的原理，设计出具有六个手动控制阀的液压系统（图中忽略4个执行器）。
假设在某个平行宇宙里，A同学拿着这么个方案直接去生产，几个月之后，一台小型挖掘机出厂了。当A同学坐上驾驶室，转动闪闪发光的车钥匙，想要启动发动机时，发动机传来一阵闷响后，熄火了。人家汽车启动还要踩离合，让发动机空载启动，挖掘机上的当然也需要。但是，液压挖掘机全是液压传动，没有齿轮箱啊，哪来的离合？所以，聪明的A同学马上改进了设计: 在每个控制阀上都增加一路，当每个阀都没有被推动时，泵出口直接和油箱联通（红线），没有任何负载。
这一步改进之后，挖掘机终于能正常启动了，但新的问题又不断地出现: 由于负载总是变化，手柄推动距离对应的运动速度总是不一样；更要命的是，控制多个自由度同时运动时，虽然手柄推动距离相同，却总有些自由度动得快，有些动的慢。勤奋机智的A同学为了解决这一系列问题，不断改进液压回路，用纯液压的方法，设置了各个自由度的运动优先级，增加了一些奇葩工况下的系统保护回路。 年复一年的改进，系统再也不是原来的那个天真的系统，变得错综复杂，但却坚实可靠，不惧风吹雨打，潮湿泥泞。
我们再来看下那位要做大狗的B同学。
B同学听闻西方有几个国家已经完成了多个版本的大狗，于是立马去寻找资料。奈何网上关于BigDog的资料不多，就先拿HyQ Robot进行了解。官方网站上HyQ Robot的图片和 @李淼 回答里的不太一样，应该是改进版本。原先每个油缸的控制阀都集中在背部，现在都做成阀块，集成到单个油缸上，机械结构更加紧凑，要连的油管更少。
B同学在网站上发现，HyQ的控制阀选用了MOOG E024伺服阀。求是的B同学就去找了MOOG公司的样本：E024系列微型伺服阀，由E030系列航天伺服阀演变而来，阀体重量92g，尺寸为35*30*32 mm，最大允许压力210 bar，主级最大流量7.5 L/min，零位泄漏量小于5%，-3dB削减频率大于250Hz，也就是一般说的频响大于250Hz（HyQ Robot的网页上说的是1000Hz）。
看到这里，B同学感到一阵轻松，那些原本如天上浮云般缥缈的控制方法，现在看起来那么近，原先困扰他的控制频响不足，死区、滞环等非线性特性带来的问题，变得那么远。B同学还找到了HyQ Robot单个油缸和控制阀的集成模块图，图中对比的1欧元硬币直径为约为23mm。
没过一会儿，B同学就找到了一份较为全面的BigDog资料。上面显示，BigDog同样采用了MOOG公司的航空伺服阀，并且也做成了集成模块。（实际上Boston Dynamics公司的大多数产品都使用了MOOG的航空伺服阀作为主控制阀，包括ATLAS。）
所以，对于单个自由度，除了机械上需要用铰链来和关节连接外，所有连接就只剩两根油管和一根电控线。通过万能的X宝，B同学大致了解了MOOG伺服阀的价格：“单价20000起售，全国包邮哦~”掐指一算，单买控制阀就要花掉二三十万。但B同学的老板轻描淡写地说：“钱不是问题，东西做好就行。” 老板的话语就如四月春风，让B同学忘掉了忧愁。再简单不过的系统结构，牛逼到不行的控制阀，作为液压从业者的B同学表示自己从来没有这么幸福过，此时他眼含热泪：“有钱烧，就是好！”
至于最后B同学有没有把大狗做出来，我们无从得知。但从Boston Dynamics资料中的BigDog液压原理简图，我们或许可以对液压部分抱以更大的信心（除了将泵改为变量泵，在泵出口处并联了蓄能器（Accumulator）来减小压力脉动外，就是之前的最简系统了）。
（以上纯属杜撰）
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等等，说好的做液压机床的C同学呢？！
-----答主没有研究过机床这种高精尖装备，还是等专业的同学来回答吧 = =！
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讲到这里，可以回过头来看题主的问题。我觉得几个系统无法给出个绝对的评判，认为哪个更先进。这里我分几点来比较。
我们先看两者的机械结构，Bigdog和挖掘机都属于液压机械臂的一种，机械原理上没有太大区别。只不过大狗比起挖掘机来小的多，给人一种精致复杂的感觉，特别是最新的“Spot”，关节设计小巧精致，让我这种被模块化舵机折磨了两年的机器人设计者心动不已。
搞工程的同学会有种体会：机器做大困难，做小同样困难。对于大型挖掘机，巨大的惯性与容腔与相对不变的油液刚度导致液压系统的可控性大大下降。而对于BigDog，等比缩小后却要求液压阀的精度，同等压力下液压元件的密封性不变，这对液压原件的制造工艺提出更高的要求。BigDog使用的航空伺服阀，本身就是制造难度巨大的元件，在从无到有的过程中，伺服阀的制造是整个系统的关键。但挖掘机不用伺服阀有其特殊原因，因此不能从这点就认为BigDog的液压系统比挖掘机的先进，并且一些挖掘机上使用的特殊功能变量泵在制造难度上比伺服阀更大。
然后，如果不考虑原件制造，只从系统设计角度进行比较。那挖掘机的系统难度将远远大于BigDog。挖掘机液压系统的设计不但要考虑功率匹配，执行器控制，还要着重考虑系统节能，考虑各种情况下的安全保护，减震舒适等等工程问题。以目前的了解，如果Bigdog的液压系统真如资料显示的这么简洁，那如此简洁的液压系统是个十分粗暴的，其能量效率十分低下，就算有高性能变量泵可以在不运动的时候降低发动机输出功率，但在运动时，我无法想象：如何单单用变量泵做到12路负载并联系统的实时功率匹配。因此，我认为在工作时，BigDog的变量泵处于排量最大状态，以应付未知的突发事件。
最后我认为，Bigdog的难度应该在于用更好的阀，做更难的液压控制算法上。BigDog以及Spot的“挨踢”视屏，很好地反映了他们液压系统的响应速度和对随机状态的鲁棒性。首先BigDog拥有12个以上的液压执行器，却只用同一个泵来驱动，这12个甚至更多的负载耦合是底层控制的最大难点。个人认为，高频响的状态估计和参数检测必不可少，如果解决了这个问题，那单执行器变负载位置，速度控制相比之下就简单多了。
以上纯属个人简介，知识浅薄，欢迎各路大神指正！
电机或者发动机带动液压泵（pump）旋转，带动油液推动油缸，把负载往前推进。但实际应用时，并不存在这种系统。首先这个系统不安全，试想，油缸伸到头了，泵还在往里打油，就算泵和油缸没事，上面的管接头也全爆开了，大致就是妈妈把皮管套在水龙头上引水，顽皮的你一脚踩到皮管之后的场景，伤害威力要再放大10到100倍，此处不包括妈妈揍你的威力。不仅如此，这个系统无法完成我们的高级需求，把这么重的东西推了出去，谁去把它拉回来呢？所以，更合理的液压系统如下图：
好了，现在我们就拥有了一个可以人工控制方向的安全液压系统了，在我们愉快玩耍的同时，再也不用担心因一招不慎，被崩出的零件爆头了。但是玩耍了一会儿，机智的同学们马上就发现，自己可以通过控制阀芯移动的距离，来控制液压缸的运动速度，简单地就像控制水龙头的出水量一样。没错！这就是最普遍的液压速度控制：在压力稳定时，调节阀口开度，来控制通过阀口的流量，新技能get√。（实际工程中用的液压调速相比家用水龙头复杂到不知哪里去了，请大家不要被我误导）
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有了以上的基本技能，同学们肯定开始跃跃欲试了，有的同学说：“我要用这个来做机床！”，有的说：“我要拿来这个来驱动大狗！”，还有的说：”我要拿来做挖掘机改造世界！”于是乎，一批满怀激情的同学为振兴中华民族液压行业，踏上了漫长的征途……
我们先来看看说要做挖掘机来改造世界的A同学
A同学首先注意到挖掘机的结构。传统的液压挖掘机主要有六个独立的自由度，分别是下图中的1-铲斗油缸，2-斗杆油缸，3-动臂油缸组，4-回转马达，5-左行走马达，6-右行走马达。
所以，A同学马上利用上面的原理，设计出具有六个手动控制阀的液压系统（图中忽略4个执行器）。
这一步改进之后，挖掘机终于能正常启动了，但新的问题又不断地出现: 由于负载总是变化，手柄推动距离对应的运动速度总是不一样；更要命的是，控制多个自由度同时运动时，虽然手柄推动距离相同，却总有些自由度动得快，有些动的慢。勤奋机智的A同学为了解决这一系列问题，不断改进液压回路，用纯液压的方法，设置了各个自由度的运动优先级，增加了一些奇葩工况下的系统保护回路。 年复一年的改进，系统再也不是原来的那个天真的系统，变得错综复杂，但却坚实可靠，不惧风吹雨打，潮湿泥泞。
我们再来看下那位要做大狗的B同学。
B同学听闻西方有几个国家已经完成了多个版本的大狗，于是立马去寻找资料。奈何网上关于BigDog的资料不多，就先拿HyQ Robot进行了解。官方网站上HyQ Robot的图片和 @李淼 回答里的不太一样，应该是改进版本。原先每个油缸的控制阀都集中在背部，现在都做成阀块，集成到单个油缸上，机械结构更加紧凑，要连的油管更少。
B同学在网站上发现，HyQ的控制阀选用了MOOG E024伺服阀。求是的B同学就去找了MOOG公司的样本：E024系列微型伺服阀，由E030系列航天伺服阀演变而来，阀体重量92g，尺寸为35*30*32 mm，最大允许压力210 bar，主级最大流量7.5 L/min，零位泄漏量小于5%，-3dB削减频率大于250Hz，也就是一般说的频响大于250Hz（HyQ Robot的网页上说的是1000Hz）。
看到这里，B同学感到一阵轻松，那些原本如天上浮云般缥缈的控制方法，现在看起来那么近，原先困扰他的控制频响不足，死区、滞环等非线性特性带来的问题，变得那么远。B同学还找到了HyQ Robot单个油缸和控制阀的集成模块图，图中对比的1欧元硬币直径为约为23mm。
没过一会儿，B同学就找到了一份较为全面的BigDog资料。上面显示，BigDog同样采用了MOOG公司的航空伺服阀，并且也做成了集成模块。（实际上Boston Dynamics公司的大多数产品都使用了MOOG的航空伺服阀作为主控制阀，包括ATLAS。）
至于最后B同学有没有把大狗做出来，我们无从得知。但从Boston Dynamics资料中的BigDog液压原理简图，我们或许可以对液压部分抱以更大的信心（除了将泵改为变量泵，在泵出口处并联了蓄能器（Accumulator）来减小压力脉动外，就是之前的最简系统了）。
（以上纯属杜撰）
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等等，说好的做液压机床的C同学呢？！
-----答主没有研究过机床这种高精尖装备，还是等专业的同学来回答吧 = =！
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讲到这里，可以回过头来看题主的问题。我觉得几个系统无法给出个绝对的评判，认为哪个更先进。这里我分几点来比较。
我们先看两者的机械结构，Bigdog和挖掘机都属于液压机械臂的一种，机械原理上没有太大区别。只不过大狗比起挖掘机来小的多，给人一种精致复杂的感觉，特别是最新的“Spot”，关节设计小巧精致，让我这种被模块化舵机折磨了两年的机器人设计者心动不已。
然后，如果不考虑原件制造，只从系统设计角度进行比较。那挖掘机的系统难度将远远大于BigDog。挖掘机液压系统的设计不但要考虑功率匹配，执行器控制，还要着重考虑系统节能，考虑各种情况下的安全保护，减震舒适等等工程问题。以目前的了解，如果Bigdog的液压系统真如资料显示的这么简洁，那如此简洁的液压系统是个十分粗暴的，其能量效率十分低下，就算有高性能变量泵可以在不运动的时候降低发动机输出功率，但在运动时，我无法想象：如何单单用变量泵做到12路负载并联系统的实时功率匹配。因此，我认为在工作时，BigDog的变量泵处于排量最大状态，以应付未知的突发事件。
最后我认为，Bigdog的难度应该在于用更好的阀，做更难的液压控制算法上。BigDog以及Spot的“挨踢”视屏，很好地反映了他们液压系统的响应速度和对随机状态的鲁棒性。首先BigDog拥有12个以上的液压执行器，却只用同一个泵来驱动，这12个甚至更多的负载耦合是底层控制的最大难点。个人认为，高频响的状态估计和参数检测必不可少，如果解决了这个问题，那单执行器变负载位置，速度控制相比之下就简单多了。
以上纯属个人简介，知识浅薄，欢迎各路大神指正！