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一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法技术

技术编号:13966225 阅读:159 留言:0更新日期:2016-11-09 13:18
一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法,采用减小伺服阀阀芯位移的方法,以达到降低输出流量进而实现阻尼控制效果;采用刚度反馈控制和负载前馈控制相结合的方法实现液压驱动单元的高精度刚度控制;结合液压驱动单元的阻尼控制与高精度刚度控制从而实现足式机器人液压驱动单元的主动柔顺控制。本发明专利技术的优点是能够以控制方法实现主动柔顺控制,可避免足端瞬时失力导致的各关节液压驱动单元瞬时失速对机器人步态控制所产生的不利影响,并可在不同负载情况下实现高精度刚度控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及足式机器人控制领域,尤其是一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法
技术介绍
以足式生物为仿生对象的高性能四足仿生机器人,在复杂环境下具有军用和民用潜力,已成为机器人研究领域的一大热点。美国波士顿公司成功研制的液压驱动型高性能四足仿生机器人BigDog以其优越的运动性能走在世界的前列。由于驱动单元的控制难度较大,国内虽然在积极发展,但样本的运动性能仍与美国BigDog存在较大差距。液压驱动型足式机器人的液压驱动单元非线性以及适应环境复杂性都增加了机器人腿部关节的控制难度。液压驱动单元放置于足式机器人的各个关节处,液压驱动单元的直线运动转换为机器人关节的转动,在机器人的运动过程中各个关节相互独立相互作用。在机器人足端与地面的接触过程中,不但不同的地面刚度会对机器人整体造成不同程度的冲击,而且不同的步态下产生的冲击也有所不同,这些冲击严重影响机器人的稳定性。另外,在液压驱动单元进行位、力切换时或机器人足端失力的情况下,瞬时失速会对机器人的稳态控制产生不利影响,因此需要采用相应的控制方法予以避免,主动柔顺控制可以实现自由运动控制和约束运动控制方法的统一。传统主动柔顺控制系统中,当液压驱动单元受到负载力时,主动柔顺控制外环会产生对应的位置偏差,这个偏差会对输入位置产生影响形成新的期望位置信号,期望位置信号进入位置控制内环形成新的输出位置来使位置控制系统具备主动柔顺特性。但是这种传统的主动柔顺控制方法在负载力为零或很小的情况下,主动柔顺控制外环能够产生的位置偏差非常小,此时执行器的运行速度将基本不受主动柔顺控制外环限制,从而难以实现阻尼控制效果。因此,无法模拟出机器人在足端瞬时失力或其它原因(如位置控制和力控制的切换)导致各关节液压驱动单元瞬时失速时的阻尼效果。另外,液压系统的固有刚度为液压刚度,对系统刚度的控制相当于在液压刚度的基础上串联一个目标刚度。在应用传统的主动柔顺控制方法时,由于液压驱动单元的固有特性其液压刚度不为无穷大,外负载力干扰会使位置系统本身产生位置偏差,而这个偏差会影响传统主动柔顺控制方法的刚度控制精度,因此液压刚度与目标刚度串联得到的系统刚度将受到外负载力的干扰而偏离期望的系统刚度,从而难以实现高精度刚度控制,机器人的抗冲击效果也将随之下降。过强的冲击不但无法使机器人稳定行走,而且会对机器人机体以前敏感的控制构件造成不可修复的损害。综上所述,在液压足式机器人控制技术中,迫切需要一种新型的液压驱动单元主动柔顺控制方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种阻尼控制简单、系统刚度控制精度高的足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法。为实现上述目的,采用了以下技术方案:本专利技术中液压驱动单元主要包括伺服阀、伺服缸、进回油管路连接块和传感检测元件,油液流经伺服阀及缸体内流道驱动伺服缸往复运动,驱动机器人关节运动,所述控制方法的具体步骤如下:步骤1,液压驱动单元的阻尼控制;采用减小伺服阀阀芯位移的方法,以达到降低输出流量进而模拟阻尼的控制效果;步骤2,液压驱动单元的高精度刚度控制;将检测力传感器信号乘以期望刚度的倒数,作为液压驱动单元位置的修正量引入位置闭环控制;再引入负载前馈补偿控制对液压驱动单元位置偏差进行补偿,采用刚度反馈控制和负载前馈控制相结合的方法实现液压驱动单元期望的高精度刚度控制;步骤3,液压驱动单元的主动柔顺控制;结合步骤1的阻尼控制与步骤2的高精度刚度控制,对阻尼与刚度进行综合控制得到主动柔顺控制方法;主动柔顺控制方法分为两个回路,1)阻尼控制回路;2)刚度控制回路;在控制过程中,阻尼与刚度控制回路单独建立、综合作用,最终实现足式机器人关节的主动柔顺控制。进一步的,所述步骤1中,通过在线检测液压驱动单元速度与目标阻尼乘积得到期望阻尼力,结合伺服阀压力-流量方程,将阻尼特性产生的压降等效为伺服阀阀芯位移修正量,从而补偿系统所应具有的阻尼特性;再通过能量守恒限制环节避免由于液压驱动单元运动速度滞后而导致的阻尼控制失效,实现精确的阻尼控制;阻尼作用下的阀芯位移控制方法如下式: ΔU s = ( A p x · p + c i p p L + V t 4 β e p · L K d p s - p 0 - p L - A p x · p ′ + c i p 本文档来自技高网
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【技术保护点】
一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法,液压驱动单元主要包括伺服阀、伺服缸、进回油管路连接块和传感检测元件,油液流经伺服阀及缸体内流道驱动伺服缸往复运动,驱动机器人关节运动,其特征在于,所述控制方法的具体步骤如下:步骤1,液压驱动单元的阻尼控制;采用减小伺服阀阀芯位移的方法,以达到降低输出流量进而模拟阻尼的控制效果;步骤2,液压驱动单元的高精度刚度控制;将检测力传感器信号乘以期望刚度的倒数,作为液压驱动单元位置的修正量引入位置闭环控制;再引入负载前馈补偿控制对液压驱动单元位置偏差进行补偿,采用刚度反馈控制和负载前馈控制相结合的方法实现液压驱动单元期望的高精度刚度控制;步骤3,液压驱动单元的主动柔顺控制;结合步骤1的阻尼控制与步骤2的高精度刚度控制,对阻尼与刚度进行综合控制得到主动柔顺控制方法;主动柔顺控制方法分为两个回路,1)阻尼控制回路;2)刚度控制回路;在控制过程中,阻尼与刚度控制回路单独建立、综合作用,最终实现足式机器人关节的主动柔顺控制。

【技术特征摘要】
1.一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法,液压驱动单元主要包括伺服阀、伺服缸、进回油管路连接块和传感检测元件,油液流经伺服阀及缸体内流道驱动伺服缸往复运动,驱动机器人关节运动,其特征在于,所述控制方法的具体步骤如下:步骤1,液压驱动单元的阻尼控制;采用减小伺服阀阀芯位移的方法,以达到降低输出流量进而模拟阻尼的控制效果;步骤2,液压驱动单元的高精度刚度控制;将检测力传感器信号乘以期望刚度的倒数,作为液压驱动单元位置的修正量引入位置闭环控制;再引入负载前馈补偿控制对液压驱动单元位置偏差进行补偿,采用刚度反馈控制和负载前馈控制相结合的方法实现液压驱动单元期望的高精度刚度控制;步骤3,液压驱动单元的主动柔顺控制;结合步骤1的阻尼控制与步骤2的高精度刚度控制,对阻尼与刚度进行综合控制得到主动柔顺控制方法;主动柔顺控制方法分为两个回路,1)阻尼控制回路;2)刚度控制回路;在控制过程中,阻尼与刚度控制回路单独建立、综合作用,最终实现足式机器人关节的主动柔顺控制。2.根据权利要求1所述的一种足式机器人液压驱动单元主动柔顺控制方法,其特征在于,所述步骤1中,通过在线检测液压驱动单元速度与目标阻尼乘积得到期望阻尼力,结合伺服阀压力-流量方程,将阻尼特性产生的压降等效为伺服阀阀芯位移修正量,从而补偿系统所应具有的阻尼特性;再通过能量守恒限制环节避免由于液压驱动单元运动速度滞后而导致的阻尼控制失效,实现精确的阻尼控制;阻尼作用下的阀芯位移控制方法如下式: ΔU s = ( A p x · p + c i p p L + V t 4 β e p · L K d p s - p 0 - p L - A p x · p ′ + c i p p L ′ + V t 4 β e p · L ′ K d p s - p 0 - p L ...

【专利技术属性】
技术研发人员:俞滨巴凯先孔祥东李春贺赵华龙
申请(专利权)人:燕山大学
类型:发明
国别省市:河北;13

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