基于力反馈的液压足式机器人主/被动柔顺性控制

在足式机器人运动过程中,柔顺性控制能有效减少足端触地冲击力,提高环境适应能力。被动弹簧常被用来实现机器人与环境柔性接触,但不能有效吸收剩余冲击能量。主动柔顺能够根据环境不同而调整末端刚度与阻尼,却由于冲击力作用时间很短,对执行器的响应速度有较高的要求。试验发现将主动柔顺控制与被动柔顺相结合,可弥补上述不足,并实现机器人柔顺性触地。在单液压执行器系统中验证了这种方法的有效性,将此控制策略应用在四足机器人单腿系统,得到了同样的效果。通过分析单自由度执行器系统,总结所提柔顺性控制器参数设计原则,进而为四足机器人整体柔顺性设计提供依据。

液压足式机器人单腿等效模型的柔顺性弹跳研究

基于弹簧负载倒立摆的足式机器人单腿等效模型是移动机器人领域重要的步态分析模型.液压足式机器人由于其超强的负载能力以及高动态性能而越来越受到重视.液压驱动的弹簧负载倒立摆模型作为液压足式机器人关节型机械腿的单腿等效模型,对于液压足式机器人的步态研究具有重要的意义.本文考虑液压驱动的弹簧负载倒立摆单腿等效模型的单自由度弹跳问题,提出了一种基于主动柔顺的弹跳控制方法,依次对单腿等效模型着地相下降阶段和着地相上升阶段进行独立控制,仿真分析了相关系统参数对弹跳性能的影响,实际弹跳实验表明本文提出的方法能够减小着地冲击力,同时能够对弹跳高度进行有效控制.

液压足式机器人单腿主动柔顺性控制

针对传统液压足式机器人足式步态行走过程中,足端会受到地面较大冲击力,容易对机身产生冲击,造成机身不平稳等问题,提出了一种基于位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,有效地降低了足端冲击力,使得足端与地面友好接触。首先,以液压足式机器人单腿为对象,对机器人单腿结构和工作原理进行介绍;其次,设计了单腿液压伺服控制回路系统,并对液压足式机器人元器件进行选型;最后,针对足式行走足端柔顺性触地问题设计了位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,利用单腿实验平台进行柔顺性触地实验。实验结果表明基于位置内环阻抗外环的柔顺控制算法,有效地降低了足端冲击力,验证了该文设计思路及算法应用的可行性。

液压足式机器人的正交载体恒稳控制仿真分析

为了提高液压足式机器人的正交载体恒稳控制能力,提出一种基于刚体速度反馈和虚拟力学分解的液压足式机器人的正交载体恒稳控制方法。构建液压足式机器人的正交载体力矩分布模型和末端位形参数模型,建立液压足式机器人正交载体力矩控制的约束参量,采用自适应鲁棒控制方法进行液压足式机器人的刚体动力学自适应控制,结合2阶多输入多输出系统建立液压足式机器人的正交载体的刚体速度反馈模型,采用虚拟力学分解方法分析机器人的各连杆合成力矩和速度,实现对机器人的运动学、动力学、虚拟稳定性分析,提高被控体的稳定性。仿真结果表明,采用该方法进行液压足式机器人的正交载体控制的恒稳性较好。

基于自抗扰控制方法的双叶片式摆动缸转矩控制

双叶片式伺服摆动缸是液压执行元件的一种,能将液压能转化成旋转的机械能。当其作为液压腿足式机器人的关节驱动元件时,具有结构紧凑、重量轻、直接输出关节转矩等优势。由于液压系统的非线性特性以及足式机器人自身易受冲击、对系统产生干扰等因素,传统的PID控制方法难以满足关节转矩的控制需求。利用自抗扰控制(ADRC)方法实现叶片摆动缸的转矩控制,利用扩张观测器来观测和补偿系统外部负载力的不确定性,有效地抑制了外部扰动对系统的影响。建立了伺服阀控制叶片式摆动缸的数学模型并设计了线性自抗扰控制器,在恒负载、变负载等多种工况下采用ADRC进行力矩闭环控制,并与PID控制方法进行比较。仿真表明,ADRC控制器可以有效抑制外部扰动,与PID控制器相比,在受到干扰后的平均误差缩小了30%以上。

基于增材制造旋转直驱伺服阀的肢腿运动单元位置控制研究

液压腿足式机器人因其可承受大负载、具有更高的速度上限等优势被广泛应用于物资搬运、地形侦查等场景。伺服阀作为液压系统中的控制元件,与机器人作业过程的运动稳定性、地形适应性、节能等方面都存在着密切关联。目前腿足式机器人系统普遍应用喷嘴挡板式伺服阀,不同阀型号的选择往往只需要满足阀的频响、压力、流量等指标,并且伺服阀的数学模型也通常近似为低阶环节,这在设计中弱化了伺服阀对系统的影响。为探究不同结构伺服阀与控制系统最佳匹配问题,研究了增材制造旋转直驱式伺服阀在机器人位置控制系统中的性能,并将其与传统喷嘴式挡板阀作比较,分别建立其数学模型并在单腿试验台上完成实验验证。结果表明,在相同的流量压力需求下,应用旋转直驱阀的控制系统足端阶跃响应时间减少了14%,足端正弦轨迹跟踪误差减少了21%。

液压驱动单元基于力的阻抗控制系统前馈抗扰控制研究

液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器,具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后,需依靠其完成具体动作,实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化,严重影响系统性能。若HDU具备高性能基于力的阻抗控制,则可有效减小机器人在运动过程中足地接触时的碰撞力,保证机器人运动的平稳性。为提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,研究一种前馈抗扰控制(Feedforward disturbance rejection control,FDRC)。介绍HDU基于力的阻抗控制系统及其数学模型,推导其非线性状态空间表达式。针对系统的外扰动推导等价输入矩阵,设计前馈抗扰控制器,并估算伺服阀流量系数。利用HDU性能测试试验台,针对不同工况和典型信号进行试验。试验结果表明,FDRC可大幅提高HDU基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,且工况适应性良好。该控制方法可降低外扰动对液压驱动型机器人的影响,提高机器人的适应性。

液压驱动单元位置控制系统前馈补偿控制研究

液压驱动型足式机器人在运动过程中各关节液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)多采用基于液压控制内环的外环阻抗控制方法,其中液压控制内环可分为位置闭环控制和力闭环控制。当液压控制内环采用位置闭环控制时,其位置控制性能直接决定了外环阻抗控制性能,所以,一种针对HDU的高精度的位置控制方法具有重要研究意义。针对以上研究意义,首先对HDU位置控制系统6阶数学模型进行简化,求出位置控制系统中各部分传递函数。其次,推导位置控制输入前馈补偿控制器,该控制器中含有液压系统固有非线性和负载特性。最后,在HDU性能测试试验平台上,在多种典型输入信号以及对角小跑输入信号下,对系统的位置控制性能进行试验研究并给出定量分析。试验结果表明,在不同输入信号下,加入所提出的输入前馈补偿控制器可以大幅提高系统位置控制性能,并且该控制器具有良好的多工况适应性。以上研究成果可结合相应的针对位置控制系统的抗干扰控制策略,一起为基于位置的阻抗控制液压内环控制提供控制策略重要参考和试验基础。