基于力反馈的液压足式机器人主/被动柔顺性控制
发布时间：2021-07-11 09:54
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。
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
液压四足机器人平台
?端的刚度与阻尼来设计系统的扰动响应[12]，从而使力和位置满足某种动态关系实现柔顺性。阻抗控制器也有两种结构，一是力反馈作用在外环，内环为位置控制，另一种是力反馈直接作用在内环构成力闭环，外环为阻抗控制。前者结构简单，系统阻抗为开环控制；后者系统阻抗为闭环控制，但需要较高精度的力闭环控制，且复杂的串联结构使得控制器参数的选择受到很大限制[4]。在足式机器人控制中，我们期望足端表现出合适的柔顺性而不是精确的阻抗模型。基于以上考虑和试验对比我们选择了第一种阻抗控制器，其结构如图2所示。图2位置型阻抗控制器结构图2中x为执行器位移，()sGs为被控对象系统模型，()eGs为接触环境模型一般表现为被动性(不向外提供能量)，()rGs为位置控制器，()fGs为目标导纳模型。通常选用二阶系统作为主动柔顺控制的目标模型，则有21()fGsJsCsK(1)式中，J,C,K分别为期望的系统惯量、阻尼、刚度。根据图2所示阻抗控制器可以得到系统闭环模型为0()()()()()ppfpsxGsxGsGsFEsGsF(2)()pGs与()pEs是内环位置控制的闭环模型以及误差模型，定义如下1()[()()]()()psrsrGsIGsGsGsGs(3)1()[()()]psrEsIGsGs(4)定义位置误差0exx，结合式(2)～(4)可得扰动力F与系统跟踪误差之间的关系如下0()()()()()ppspfeEsxEsGsFGsGsF(5)
动力F的动态响应即为F对目标系统模型()fGs的响应。从另一个角度来讲阻抗控制以牺牲一定的位置控制精度来达到柔顺特性。对于实际当中的位置控制系统，位置跟踪的带宽有限，这就必然会影响系统对于目标模型()fGs的跟踪。然而正如前边所讲，在足式机器人控制中我们期望的是系统对冲击的平稳响应，而不一定是按照设定的过程响应。在第1.2节本文将通过试验平台实现单液压执行器柔顺性控制，验证主动柔顺的作用。1.2试验与分析为模拟四足机器人触地冲击力的过程，我们搭建了单液压缸垂直下落试验平台如图3所示。图3单液压缸垂直下落试验平台试验中触地冲击力由安装在液压缸杆末端与弹簧之间的力传感器实时测得，液压缸的运动由DSP板控制。为观测真实的冲击过程，位移和力反馈的采样频率达到5kHz，采样数据通过CAN总线传给计算机实时观测。试验系统其他相关物理参数如表1所示。表1试验系统物理参数系统参数数值油源压力/MPa15伺服阀幅频带/Hz150伺服阀额定流量/(L/min)15液压缸行程/mm75力传感器量程/N–5000～5000弹簧刚度/(N/mm)20～40液压执行器采用图1所示控制器结构，内环位置跟踪采用PD控制，即()rpdGskks(7)由于一般冲击过程较快，外环主动柔顺控制器的设计就需要考虑到触地冲击的作用时间、执行器响应速度等因素。为此我们首先试验了平台垂直下落刚性触地的情况，即液压缸采用位置控制，末端也没有被动弹簧的作用，约13kg的质量从10cm高度下落，整个冲击过程中力的变化如图4所示。图4刚性触地过程冲击力图4中冲击峰值约为3600N，过程时间约为15ms。由于受限于机构、伺服阀的频带等因素，液压缸响应速度远达不到这个频率。因此很有必要延缓冲击过程，这样才能利用反馈力进行主动柔
【参考文献】：
期刊论文
[1]Gait Planning for a Quadruped Robot with One Faulty Actuator[J]. CHEN Xianbao,GAO Feng,QI Chenkun,TIAN Xinghua. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2015(01)
[2]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[3]面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J]. 尹鹏,李满天,郭伟,王鹏飞,孙立宁. 机器人. 2014(03)
[4]面向奔跑运动的刚–柔复合四足机器人单腿设计与实验研究[J]. 张雪峰,秦现生,冯华山,赵文涛,李军,谭小群. 机器人. 2013(05)
本文编号：3277862
【文章来源】：机械工程学报. 2017,53(01)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
液压四足机器人平台
?端的刚度与阻尼来设计系统的扰动响应[12]，从而使力和位置满足某种动态关系实现柔顺性。阻抗控制器也有两种结构，一是力反馈作用在外环，内环为位置控制，另一种是力反馈直接作用在内环构成力闭环，外环为阻抗控制。前者结构简单，系统阻抗为开环控制；后者系统阻抗为闭环控制，但需要较高精度的力闭环控制，且复杂的串联结构使得控制器参数的选择受到很大限制[4]。在足式机器人控制中，我们期望足端表现出合适的柔顺性而不是精确的阻抗模型。基于以上考虑和试验对比我们选择了第一种阻抗控制器，其结构如图2所示。图2位置型阻抗控制器结构图2中x为执行器位移，()sGs为被控对象系统模型，()eGs为接触环境模型一般表现为被动性(不向外提供能量)，()rGs为位置控制器，()fGs为目标导纳模型。通常选用二阶系统作为主动柔顺控制的目标模型，则有21()fGsJsCsK(1)式中，J,C,K分别为期望的系统惯量、阻尼、刚度。根据图2所示阻抗控制器可以得到系统闭环模型为0()()()()()ppfpsxGsxGsGsFEsGsF(2)()pGs与()pEs是内环位置控制的闭环模型以及误差模型，定义如下1()[()()]()()psrsrGsIGsGsGsGs(3)1()[()()]psrEsIGsGs(4)定义位置误差0exx，结合式(2)～(4)可得扰动力F与系统跟踪误差之间的关系如下0()()()()()ppspfeEsxEsGsFGsGsF(5)
动力F的动态响应即为F对目标系统模型()fGs的响应。从另一个角度来讲阻抗控制以牺牲一定的位置控制精度来达到柔顺特性。对于实际当中的位置控制系统，位置跟踪的带宽有限，这就必然会影响系统对于目标模型()fGs的跟踪。然而正如前边所讲，在足式机器人控制中我们期望的是系统对冲击的平稳响应，而不一定是按照设定的过程响应。在第1.2节本文将通过试验平台实现单液压执行器柔顺性控制，验证主动柔顺的作用。1.2试验与分析为模拟四足机器人触地冲击力的过程，我们搭建了单液压缸垂直下落试验平台如图3所示。图3单液压缸垂直下落试验平台试验中触地冲击力由安装在液压缸杆末端与弹簧之间的力传感器实时测得，液压缸的运动由DSP板控制。为观测真实的冲击过程，位移和力反馈的采样频率达到5kHz，采样数据通过CAN总线传给计算机实时观测。试验系统其他相关物理参数如表1所示。表1试验系统物理参数系统参数数值油源压力/MPa15伺服阀幅频带/Hz150伺服阀额定流量/(L/min)15液压缸行程/mm75力传感器量程/N–5000～5000弹簧刚度/(N/mm)20～40液压执行器采用图1所示控制器结构，内环位置跟踪采用PD控制，即()rpdGskks(7)由于一般冲击过程较快，外环主动柔顺控制器的设计就需要考虑到触地冲击的作用时间、执行器响应速度等因素。为此我们首先试验了平台垂直下落刚性触地的情况，即液压缸采用位置控制，末端也没有被动弹簧的作用，约13kg的质量从10cm高度下落，整个冲击过程中力的变化如图4所示。图4刚性触地过程冲击力图4中冲击峰值约为3600N，过程时间约为15ms。由于受限于机构、伺服阀的频带等因素，液压缸响应速度远达不到这个频率。因此很有必要延缓冲击过程，这样才能利用反馈力进行主动柔
【参考文献】：
期刊论文
[1]Gait Planning for a Quadruped Robot with One Faulty Actuator[J]. CHEN Xianbao,GAO Feng,QI Chenkun,TIAN Xinghua. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2015(01)
[2]高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计与实现[J]. 柴汇,孟健,荣学文,李贻斌. 机器人. 2014(04)
[3]面向足式机器人的新型可调刚度柔性关节的设计及性能测试[J]. 尹鹏,李满天,郭伟,王鹏飞,孙立宁. 机器人. 2014(03)
[4]面向奔跑运动的刚–柔复合四足机器人单腿设计与实验研究[J]. 张雪峰,秦现生,冯华山,赵文涛,李军,谭小群. 机器人. 2013(05)
本文编号：3277862
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