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。     

液压驱动单元基于位置/力的阻抗控制机理分析与试验研究

液压驱动型高性能足式仿生机器人对未知、非结构环境具有很好的适应能力,为尽可能地避免其足地接触过程中的冲击和碰撞,足式机器人的关节应具有一定的动态柔顺性。针对驱动足式机器人关节运动的液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)进行研究,首先,建立其液压系统位置/力控制数学模型;其次,推导阻抗控制基本控制原理,并以液压系统作为内环控制方式,分析HDU基于位置/力的阻抗控制机理,研究该两种阻抗控制方法的控制内外环动态柔顺性串并联组成原理;最后,搭建HDU性能测试试验平台,对提出的两种阻抗控制动态柔顺性串并联组成原理进行试验验证。试验结果表明,基于位置的阻抗内环动态柔顺性为并联组成,而阻抗控制外环与位置控制内环动态柔顺性为串联组成;基于力的阻抗内环动态柔顺性为串联组成,而阻抗控制外环与力控制内环动态柔顺性为并联组成;基于力的阻抗控制响应速度大于基于位置的阻抗控制,而后者的阻抗模拟精度要优于前者。以上研究成果可为足式仿生机器人关节控制方法选取及性能优化提供理论和试验参考。     

液压驱动单腿跳跃机器人柔顺着地分析与控制

为缓解液压驱动足式机器人动态步态行走时着地瞬间足端冲击对机器人系统及其运动控制的影响,提出了一种基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法。以液压驱动单腿跳跃机器人为研究对象,分析机器人足端着地冲量,通过选择合适的机器人着地姿态和减小机器人着地前足端速度实现机器人柔顺着地,为此在空中相进行余弦速度曲线关节运动轨迹规划,以及着地相进行余弦函数关节运动轨迹规划。将该方法分别应用于基于MATLAB/Simulink软件建立的仿真模型和试验样机进行单腿竖直跳跃控制实验,仿真和试验结果显示采用该方法的机器人跳跃控制消除了足端着地瞬间地面作用力在膝关节液压缸无杆腔形成的液压冲击,实验结果表明提出的基于关节运动规划的机器人柔顺着地控制方法合理可行。     

基于扩张观测器的液压驱动单元位置抗扰控制

机器人在运动过程中, 较大的外干扰力会降低机器人关节控制器的精度, 进而影响机器人的控制性能。以足式机器人的关节驱动器--液压驱动单元为研究对象, 建立了非对称缸液压驱动单元位置控制系统的数学模型, 推导了其状态空间表达式;将系统的总扰动扩张为一个新的状态变量, 从而建立了液压驱动单元位置控制系统的扩张状态观测器, 并通过带宽确定扩张状态观测器增益参数;设计了控制系统的控制律, 并对设计的扩张状态观测器的有效性进行了实验验证。实验表明:设计的扩张状态观测器对控制系统扰动有一定的抑制作用, 增强了系统稳定性, 提高了系统受外界干扰时的控制精度。     

液压四足机器人机身扰动抑制及实验研究

针对液压四足机器人在运动过程中的机身扰动较大的问题,提出基于运动学和虚拟模型的液压四足机器人机身扰动抑制策略。分析机器人机身扰动产生的机理及其影响,建立四足机器人整机运动学方程,根据机器人实时姿态反馈抑制机身扰动。同时在机器人机身横滚和俯仰自由度上引入弹簧阻尼虚拟元件,通过调整虚拟力的大小控制机身姿态。面向机器人对角小跑步态,对机器人摆动相和支撑相进行足端轨迹规划。通过液压四足机器人平台进行实验验证,实验结果表明,该扰动抑制策略能够根据机器人的机身姿态调整关节角度,机器人机身起伏小,机器人实际运动轨迹与理论运动轨迹接近,验证了所提方法的有效性。     

舵机驱动仿生四足机器人设计

四足机器人是模仿动物的运动机理,实现不同环境下的适应性行走.电机驱动相比液压或气压驱动,有能量传递方便,信号传递迅速,标准程度高的优点,成为机器人驱动的主流选择.针对四足机器人多自由度运动的特点,提出了一种舵机驱动控制机器人实现所规划的行走步态的有效方法.即采用模块化设计了舵机驱动四足机器人,其中包括控制系统软硬件的设...     

参数摄动对四足机器人液压驱动单元位置控制特性影响

高性能四足仿生机器人的设计要求驱动其关节运动的液压驱动单元具有良好的动态特性,但由于液压驱动单元工作参数摄动和其固有的复杂非线性,使得多数情况下液压驱动单元的控制性能受到制约.采用机理建模方法,针对四足机器人采用的一种对称阀控制对称缸的液压驱动单元结构,综合考虑控制器饱和特性、伺服阀压力-流量非线性、伺服缸活塞初始位置变化、库伦摩擦非线性等因素的影响,建立了液压驱动单元非线性数学模型,给出了其液压固有频率和阻尼比表达式;运用Matlab/Simulink软件系统搭建了其非线性仿真模型,在相同工况下,分析了不同控制器比例增益的液压驱动单元位移阶跃响应的仿真及试验结果,以验证仿真模型;并搭建了液压驱动单元性能测试试验台,通过仿真与试验分析,进一步研究了控制器比例增益、系统供油压力、液压驱动单元初始位移、负载力、负载质量、负载刚度对液压驱动单元动态特性的作用机理和影响规律.研究结果表明,建立的非线性数学模型准确、实用,且以上参数的改变均会对液压驱动单元位置控制特性产生不同程度的影响,其影响规律可为四足仿生机器人液压驱动单元控制器参数的在线优化奠定基础.     

液压驱动六足机器人一种低冲击运动规划方法

足地接触冲击对大尺度重载足式机器人的运动性能影响显著。针对液压驱动六足机器人,以低冲击平顺运动为目标,提出一种减小足地接触冲击的足端轨迹规划方法。基于仿生构型和运动学模型推导腿部关节的角度函数,根据液压缸铰点布置和腿部机构几何关系推导出各液压缸活塞杆的位置控制函数,分析表明关节和液压缸运动平稳,速度、加速度无突变。基于Vortex搭建机器人仿真平台,采用该方法实现了步行过程的仿真模拟,机体稳定前移过程中的垂向起伏微小,侧向偏移率约为2.1%。将该方法应用于开发的六足机器人原理样机,进行野外自然环境行走测试,各关节按预定轨迹平稳运动,足端受力合理。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了提出的运动规划方法合理可行。     

液压四足机器人足端的力预测控制与运动平稳性

针对液压四足机器人在坚硬路面行走时,足端位置易受刚性冲击,导致运动姿态平稳性差的问题,提出一种液压四足机器人足端力预测控制方法。在分析液压四足机器人结构的基础上,根据运动学与力学模型构建了液压伺服系统的力控制模型;采用改进自适应布谷鸟优化BP神经网络算法建立足端力预测控制模型,通过仿真对比分析验证了该算法的可行性。最后通过液压四足机器人KL样机进行足端力及刚性地面行走测试,结果表明该方法能有效增强液压四足机器人腿部的力柔顺性,提高运动姿态平稳性。     

液压驱动的四足机器人控制系统研究

针对四足机器人采用液压驱动,且驱动单元较多等特点,首先分析液压系统,之后提出将机器人的控制系统分为两层,主控制系统和从控制系统.采用嵌入式控制器设计控制系统,主控制器采用S3C2240,从控制器采用LPC2210.     

An improved force-based impedance control method for the HDU of legged robots

Hydraulic drive mode enables legged robots to have excellent characteristics, such as greater power-to-weight ratios, higher load capacities, and faster response speeds than other robots. Nowadays, highly integrated valve-controlled cylinder, called hydraulic drive unit (HDU), is employed to drive the joints of these robots. However, various robot control issues exist. For example, during the walking process of legged robots, different obstacles are encountered, making it difficult to control such robots because the load characteristics of the ends of their feet change with the environment. Furthermore, although the adoption of HDU has resulted in high-performance robot control, the hydraulic systems of these robots still have problems, such as strong nonlinearity, and time-varying parameters. Consequently, robot control is very difficult and complex. This paper proposes an improved second-order dynamic compliance control system, impedance control, for HDU. The control system is designed to rectify the issues affecting the impedance control accuracy of the dynamic compliance serial–parallel composition between the HDU force control inner loop and the impedance control outer loop. Specifically, it consists of a compliance-enhanced controller and a feedforward compensation controller for the force control inner loop. Furthermore, the dynamic compliance composition of the inner and outer HDU control loops is rearranged. The results of experiments conducted indicate that the proposed method significantly improves the control accuracy compared to that of traditional force-based impedance control.     

Force control compensation method with variable load stiffness and damping of the hydraulic drive unit force control system

Each joint of hydraulic drive quadruped robot is driven by the hydraulic drive unit (HDU), and the contacting between the robot foot end and the ground is complex and variable, which increases the difficulty of force control inevitably. In the recent years, although many scholars researched some control methods such as disturbance rejection control, parameter self-adaptive control, impedance control and so on, to improve the force control performance of HDU, the robustness of the force control still needs improving. Therefore, how to simulate the complex and variable load characteristics of the environment structure and how to ensure HDU having excellent force control performance with the complex and variable load characteristics are key issues to be solved in this paper. The force control system mathematic model of HDU is established by the mechanism modeling method, and the theoretical models of a novel force control compensation method and a load characteristics simulation method under different environment structures are derived, considering the dynamic characteristics of the load stiffness and the load damping under different environment structures. Then, simulation effects of the variable load stiffness and load damping under the step and sinusoidal load force are analyzed experimentally on the HDU force control performance test platform, which provides the foundation for the force control compensation experiment research. In addition, the optimized PID control parameters are designed to make the HDU have better force control performance with suitable load stiffness and load damping, under which the force control compensation method is introduced, and the robustness of the force control system with several constant load characteristics and the variable load characteristics respectively are comparatively analyzed by experiment. The research results indicate that if the load characteristics are known, the force control compensation method presented in this paper has positive compensation effects on the load characteristics variation, i.e., this method decreases the effects of the load characteristics variation on the force control performance and enhances the force control system robustness with the constant PID parameters, thereby, the online PID parameters tuning control method which is complex needs not be adopted. All the above research provides theoretical and experimental foundation for the force control method of the quadruped robot joints with high robustness.     

液压机械手电液比例系统模糊PID控制研究

针对液压机械手的电液比例系统存在较大程度的系统参数变化和负载干扰等特点,一般控制方法难以全部满足性能要求。常规PID控制方法虽然算法简单、可靠性好、鲁棒性高,但由于参数整定繁杂,往往造成参数整定不良、性能欠佳、适用性能差。为了改善这些缺陷,将模糊控制理论与PID控制理论相结合,设计了模糊PID控制器,实现了对PID参数的在线整定。利用MATLAB/Simulink进行仿真,比较常规PID控制与模糊PID控制下电液比例系统的控制效果,发现模糊PID控制器较好地克服了系统的非线性和负载干扰的影响,提高了系统的稳定性和动态性能。     

足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法研究

液压油源是足式机器人液压驱动系统的核心供能元件,将电能产生的机械能转化为油液的压力能,为驱动机器人各关节运动提供动力源。液压油源质量一般占据足式机器人整机质量超过20%,实现油源的轻量化,将有助于提升足式机器人的续航能力、机动性和承载能力。传统液压油源设计过程中更关注性能,在轻量化匹配设计方面还有待进一步完善。首先进行足式机器人轻量化液压油源的原理设计;其次将液压油源以功能为依据进行模块划分,分析液压油源各模块质量影响参数;针对质量与体积占比较大的电机泵进行匹配研究,针对蓄能器模块进行参数轻量化分析;针对集成阀块的轻量化设计,研究流道构建与元件排布原则;成功研发一种轻量化液压油源样机;最终形成了一种足式机器人轻量化液压油源匹配设计方法,有助于实现足式机器人液压驱动系统的轻量化。     

上肢外骨骼机器人的阻抗控制与关节试验研究

外骨骼机器人穿戴于人体上,可以作为一种助力、增强或者交互的工具,应用于康复、遥操作等领域。针对上肢外骨骼机器人的人机交互控制问题,提出一种上肢外骨骼机器人的阻抗控制模型,并建立了一体化关节的动力学模型,详细设计了单关节的阻抗控制方法。基于外骨骼机器人在人机交互控制中的随动任务特性,设计了基于力的阻抗控制方法以及基于位置的阻抗控制方法。针对阻抗控制模型为二阶系统的特点,提出了阻抗控制参数优化分析的方法。建立了单关节阻抗控制的数值仿真模型,通过仿真试验分析了惯性参数、阻尼参数、刚度参数以及人机接触刚度对阻抗控制性能的影响。开展了单关节系统的阻抗控制硬件试验。试验结果表明单关节系统的触碰检测、重力补偿以及阻抗控制均可实现,并且操作者与关节系统可以实现协同运动。     

滑模模糊控制算法在液压机器人控制中的应用

Pb-211液压机器人腰部是一个非线性液压伺服控制系统，常规PID控制算法很难在不出现超调情况下满足控制系统快速性的要求。针对这种情况以及液压系统参数时变等特点，在常规滑模控制算法的基础上，引入模糊控制技术，采用滑模模糊控制策略进行控制器设计。仿真结果表明，滑模模糊控制算法能够在不出现超调情况下显著提高系统的响应速度，满足系统响应速度和控制精度的要求，而且对正弦干扰具有较强的鲁棒性。     

控制棒水压驱动机构水压缸碳化钨涂层工艺优化研究

针对核反应堆控制棒水压驱动机构关键部件水压缸摩擦副碳化钨(WC)涂层存在的“龟裂纹”问题,开展WC涂层的磨削工艺优化、去应力处理研究,并对优化后工艺制备的WC涂层的基本性能和摩擦磨损性能以及水压缸冷态性能进行试验。结果表明,改进后的WC涂层制备工艺解决了“龟裂纹”问题,采用该工艺加工的水压缸涂层的基本性能和摩擦磨损性能、水压缸冷态运动阻力及泄漏率等性能满足控制棒水压驱动机构的使用要求。研究结果为控制棒水压驱动机构的整体性能研究,以及控制棒水压驱动技术的进一步发展和工程化奠定了基础。     

电液马达伺服系统积分鲁棒自适应高精度位置控制

电液马达伺服系统中存在各种类型的扰动,包括参数不确定性和不确定非线性,制约着其高精度位置控制。针对电液马达伺服系统高精度位置跟踪控制,考虑系统的黏性摩擦特性以及外干扰等建模不确定性,提出了一种基于鲁棒自适应的电液马达伺服系统高精度位置控制策略。所提出的全状态控制器通过自适应对模型不确定性进行估计及前馈补偿,提高了系统的低速伺服性能;通过自适应对未建模干扰等不确定性的上界进行估计并前馈补偿,提高了系统对外干扰的鲁棒性。所设计的闭环控制器还能保证系统获得渐近跟踪性能,对比仿真验证了其可行性。