液压机器人泵阀复合驱动系统多算法融合的力补偿控制

发布时间：2020-06-12 02:21

【摘要】：液压驱动型足式机器人每条腿有多个主动自由度,每个主动自由度一般均安装一个高集成性的液压驱动单元,可很大程度上提升机器人关节驱动的功重比,进而提升机器人整机的负重能力和运动性能。但该类液压驱动单元多数为节流型阀控缸系统,存在较大的能量损失,降低足式机器人野外工作的续航能力。泵控系统已具备效率高的优势,但响应速度较差。为了充分利用泵控系统、阀控系统各自的优势,将阀控系统与泵控系统结合以构成一种新型的泵阀复合驱动系统,既可有效地降低系统的能量损耗,又能保证机器人关节液压驱动单元响应速度和响应精度满足机器人性能需求,这有助于保证机器人在不同行走步态下的综合控制性能,并提升机器人的续航能力。泵阀复合驱动控制系统具有液压系统的共性问题,还引入了多输入变量协调控制问题,无疑加大了机器人各关节液压驱动单元的高精度高响应力控制难度。力控制是机器人液压液压驱动系统的核心控制方法之一,为了能从根本上解决机器人泵阀复合驱动力控制问题,本文重点开展以下研究工作:(1)建立泵阀复合驱动力控系统数学建模及仿真模型。针对机器人关节液压驱动单元节能且高精度高响应的需求,设计一种泵阀复合驱动力控系统,并详细介绍该系统组成及其工作原理。建立泵阀复合驱动力控系统中关键元件数学模型,进而得到力控系统整体数学模型,通过MATLAB/Simulink仿真平台,分别构建伺服电机、齿轮泵、补油泄油环节等子模型,将其组成完整的泵阀复合驱动力控系统仿真模型,通过仿真分析该方案的可行性及性能。(2)研究负载补偿与跟踪误差补偿结合的力控制方法。为推导力控系统补偿控制数学模型,根据泵阀复合驱动力控系统的组成特点,对系统整体数学模型进行拆分,得到泵控回路力控系统闭环传递函数和阀控回路压力控制系统闭环传递函数。分别从泵控回路与阀控回路考虑,研究各回路控制方法,具体包括跟踪误差补偿控制方法和负载补偿控制方法,将泵控回路与阀控回路控制方法结合起来,构成泵阀复合驱动力控系统的复合力控方法,最后通过仿真分析所设计的控制方法的可行性及控制效果。(3)研究定量反馈与干扰力矩观测器结合的力控制方法。将力控系统中的泵控回路数学模型进行简化,得到简化后力控系统的开环传递函数,确定其不确定性模型,并设计定量反馈控制器,以提高该力控系统的控制精度和鲁棒性。为减小干扰力矩对伺服电机控制性能的影响,设计干扰力矩观测器,以提高伺服电机的抗扰能力,有助于提升系统整体的控制性能。最后,通过仿真分析QFT-DLOC控制方法的效果。(4)搭建泵阀复合驱动力控系统性能测试实验平台,开展力控制系统的相关实验研究,验证原理可行性及控制方法的补偿效果。详细介绍泵阀复合驱动力控系统测试实验平台组成,通过实验工况验证该系统原理的正确性,在此基础上,分别验证跟踪误差补偿和负载补偿结合的的复合控制方法、QFT-DLOC控制方法的可行性,并定量分析各控制方法补偿效果。实验结果表明,所设计的基于泵阀复合驱动力控系统非线性模型的负载补偿控制方法有效抑制外位置干扰对力控系统跟随精度的影响,跟踪误差补偿控制器可有效提高力控系统的跟随精度;所设计的QFT-DLOC控制方法,可提升力控系统的控制精度和鲁棒性。
【图文】：

006年的BigDog

液压机器人泵阀复合驱动系统多算法融合的力补偿控制

008年的BigDog
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP242

【参考文献】