机器人腿部液压驱动系统主动柔顺复合控制研究

发布时间：2020-07-18 00:32

【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,液压驱动单元可大幅提升机器人各关节的功重比,有助于提升机器人整机的运动性能和负重能力。特别是其与柔顺控制相结合,可有效缓解外界刚性冲击,又有助于保证机器人机身结构和附带的电气设备不受破坏。但液压驱动单元引入的同时,带来了强非线性、参数时变性和负载复杂多变性等一系列液压系统的共性问题,这些问题使各关节的高精度高响应和机器人柔顺控制难度加大。若能从根本上解决机器人腿部液压驱动系统的柔顺控制问题,将有助于促进液压驱动型足式机器人加快走出实验室,加速其产业化发展进程。本文旨在解决足式机器人腿部液压驱动系统的最佳柔顺控制问题,重点开展以下研究工作:(1)研究腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制实现方法。建立足式机器人腿部液压驱动系统数学模型,涵盖机械结构建模、运动学建模、动力学建模以及液压驱动单元位置及力控制系统建模;研究适用于腿部液压驱动系统的基于位置及力的阻抗控制方法,搭建控制方法的非线性仿真模型,在多工况下对比分析两种阻抗控制方法的控制性能;搭建腿部液压驱动系统性能测试实验平台、腿部液压驱动系统负载模拟实验平台及液压驱动单元性能测试实验平台,在多工况下实验测试两种阻抗控制方法控制性能,验证仿真结果,分析控制效果。(2)研究腿部液压驱动系统基于位置及力阻抗控制参数灵敏度特性。推导精度较高的二阶矩阵灵敏度分析方法,在多工况下进行基于位置及力阻抗控制的12个参数灵敏度动态分析;设计两种灵敏度衡量指标,量化灵敏度动态分析结果;利用正交试验方差分析方法,研究不同工况下各参数灵敏度变化规律;利用腿部液压驱动系统性能实验平台与腿部液压驱动系统负载模拟平台,进行灵敏度分析实验验证。(3)研究腿部液压驱动系统动态柔顺性控制原理。当系统分别采用基于位置和基于力的阻抗控制方法时,进行液压驱动单元的动态柔顺性分析,研究两种阻抗控制内外环所具备的动态刚度串并联构成;通过腿部机械结构运动学与动力学分析,把液压驱动单元的动态柔顺性控制方法延伸应用到腿部液压驱动系统;利用腿部液压驱动系统性能实验平台与腿部液压驱动系统负载模拟平台,实验验证两种阻抗控制方法对腿部液压驱动系统动态柔顺性控制的效果。(4)研究液压驱动单元基于位置及力的阻抗内环复合控制方法。针对腿部液压驱动系统基于位置及力的阻抗控制,提出改善液压驱动单元控制性能的整体控制策略;针对内环抗干扰问题,研究基于位置及力的阻抗控制的内环动态刚度补偿控制方法;针对内环控制跟随性能问题,研究位置及力控制系统输入误差补偿控制方法,并与内环动态刚度补偿相结合,形成基于位置及力的阻抗内环复合控制方法;应用液压驱动单元性能测试实验平台,实验验证控制方法的控制效果。(5)研究腿部液压驱动系统的最佳阻抗复合控制方法。分析各关节液压驱动单元不同阻抗控制的控制效果,匹配各关节阻抗控制;在多工况下实验研究不同方案时腿部液压驱动系统柔顺控制性能,最终给出一种腿部液压驱动系统的最佳阻抗复合控制方法。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242

【参考文献】

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本文编号：2760140