一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法
【專利摘要】一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法，采用減小伺服閥閥芯位移的方法，以達(dá)到降低輸出流量進(jìn)而實現(xiàn)阻尼控制效果；采用剛度反饋控制和負(fù)載前饋控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)液壓驅(qū)動單元的高精度剛度控制；結(jié)合液壓驅(qū)動單元的阻尼控制與高精度剛度控制從而實現(xiàn)足式機器人液壓驅(qū)動單元的主動柔順控制。本發(fā)明的優(yōu)點是能夠以控制方法實現(xiàn)主動柔順控制，可避免足端瞬時失力導(dǎo)致的各關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動單元瞬時失速對機器人步態(tài)控制所產(chǎn)生的不利影響，并可在不同負(fù)載情況下實現(xiàn)高精度剛度控制。
【專利說明】
一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及足式機器人控制領(lǐng)域，尤其是一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順 控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 以足式生物為仿生對象的高性能四足仿生機器人，在復(fù)雜環(huán)境下具有軍用和民用 潛力，已成為機器人研究領(lǐng)域的一大熱點。美國波士頓公司成功研制的液壓驅(qū)動型高性能 四足仿生機器人BigDog以其優(yōu)越的運動性能走在世界的前列。由于驅(qū)動單元的控制難度較 大，國內(nèi)雖然在積極發(fā)展，但樣本的運動性能仍與美國BigDog存在較大差距。
[0003] 液壓驅(qū)動型足式機器人的液壓驅(qū)動單元非線性以及適應(yīng)環(huán)境復(fù)雜性都增加了機 器人腿部關(guān)節(jié)的控制難度。液壓驅(qū)動單元放置于足式機器人的各個關(guān)節(jié)處，液壓驅(qū)動單元 的直線運動轉(zhuǎn)換為機器人關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，在機器人的運動過程中各個關(guān)節(jié)相互獨立相互作 用。在機器人足端與地面的接觸過程中，不但不同的地面剛度會對機器人整體造成不同程 度的沖擊，而且不同的步態(tài)下產(chǎn)生的沖擊也有所不同，這些沖擊嚴(yán)重影響機器人的穩(wěn)定性。 另外，在液壓驅(qū)動單元進(jìn)行位、力切換時或機器人足端失力的情況下，瞬時失速會對機器人 的穩(wěn)態(tài)控制產(chǎn)生不利影響，因此需要采用相應(yīng)的控制方法予以避免，主動柔順控制可以實 現(xiàn)自由運動控制和約束運動控制方法的統(tǒng)一。
[0004] 傳統(tǒng)主動柔順控制系統(tǒng)中，當(dāng)液壓驅(qū)動單元受到負(fù)載力時，主動柔順控制外環(huán)會 產(chǎn)生對應(yīng)的位置偏差，這個偏差會對輸入位置產(chǎn)生影響形成新的期望位置信號，期望位置 信號進(jìn)入位置控制內(nèi)環(huán)形成新的輸出位置來使位置控制系統(tǒng)具備主動柔順特性。但是這種 傳統(tǒng)的主動柔順控制方法在負(fù)載力為零或很小的情況下，主動柔順控制外環(huán)能夠產(chǎn)生的位 置偏差非常小，此時執(zhí)行器的運行速度將基本不受主動柔順控制外環(huán)限制，從而難以實現(xiàn) 阻尼控制效果。因此，無法模擬出機器人在足端瞬時失力或其它原因（如位置控制和力控制 的切換)導(dǎo)致各關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動單元瞬時失速時的阻尼效果。
[0005] 另外，液壓系統(tǒng)的固有剛度為液壓剛度，對系統(tǒng)剛度的控制相當(dāng)于在液壓剛度的 基礎(chǔ)上串聯(lián)一個目標(biāo)剛度。在應(yīng)用傳統(tǒng)的主動柔順控制方法時，由于液壓驅(qū)動單元的固有 特性其液壓剛度不為無窮大，外負(fù)載力干擾會使位置系統(tǒng)本身產(chǎn)生位置偏差，而這個偏差 會影響傳統(tǒng)主動柔順控制方法的剛度控制精度，因此液壓剛度與目標(biāo)剛度串聯(lián)得到的系統(tǒng) 剛度將受到外負(fù)載力的干擾而偏離期望的系統(tǒng)剛度，從而難以實現(xiàn)高精度剛度控制，機器 人的抗沖擊效果也將隨之下降。過強的沖擊不但無法使機器人穩(wěn)定行走，而且會對機器人 機體以前敏感的控制構(gòu)件造成不可修復(fù)的損害。
[0006] 綜上所述，在液壓足式機器人控制技術(shù)中，迫切需要一種新型的液壓驅(qū)動單元主 動柔順控制方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明目的在于提供一種阻尼控制簡單、系統(tǒng)剛度控制精度高的足式機器人液壓 驅(qū)動單元主動柔順控制方法。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案:本發(fā)明中液壓驅(qū)動單元主要包括伺服閥、 伺服缸、進(jìn)回油管路連接塊和傳感檢測元件，油液流經(jīng)伺服閥及缸體內(nèi)流道驅(qū)動伺服缸往 復(fù)運動，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動，所述控制方法的具體步驟如下：
[0009] 步驟1，液壓驅(qū)動單元的阻尼控制；
[0010] 采用減小伺服閥閥芯位移的方法，以達(dá)到降低輸出流量進(jìn)而模擬阻尼的控制效 果；
[0011] 步驟2，液壓驅(qū)動單元的高精度剛度控制；
[0012] 將檢測力傳感器信號乘以期望剛度的倒數(shù)，作為液壓驅(qū)動單元位置的修正量引入 位置閉環(huán)控制;再引入負(fù)載前饋補償控制對液壓驅(qū)動單元位置偏差進(jìn)行補償，采用剛度反 饋控制和負(fù)載前饋控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)液壓驅(qū)動單元期望的高精度剛度控制；
[0013] 步驟3,液壓驅(qū)動單元的主動柔順控制；
[0014] 結(jié)合步驟1的阻尼控制與步驟2的高精度剛度控制，對阻尼與剛度進(jìn)行綜合控制得 到主動柔順控制方法;主動柔順控制方法分為兩個回路，1)阻尼控制回路；2)剛度控制回 路;在控制過程中，阻尼與剛度控制回路單獨建立、綜合作用，最終實現(xiàn)足式機器人關(guān)節(jié)的 主動柔順控制。
[0015] 進(jìn)一步的，所述步驟1中，通過在線檢測液壓驅(qū)動單元速度與目標(biāo)阻尼乘積得到期 望阻尼力，結(jié)合伺服閥壓力-流量方程，將阻尼特性產(chǎn)生的壓降等效為伺服閥閥芯位移修正 量，從而補償系統(tǒng)所應(yīng)具有的阻尼特性;再通過能量守恒限制環(huán)節(jié)避免由于液壓驅(qū)動單元 運動速度滯后而導(dǎo)致的阻尼控制失效，實現(xiàn)精確的阻尼控制；
[0016] 阻尼作用下的閥芯位移控制方法如下式：
[0018] 其中，Δ Us= Δ Xv/Kaxv為伺服閥閥芯位移變化量對應(yīng)的電壓信號變化量； x'，={Apif: + cipPl: + ν·(4/〇-' ?Μ、為閥芯位移量;
[0019] ΔΧν=Χν-Χν'為阻尼模擬過程中控制閥芯位移的變化量；
[0020] (：廠=/)、-爲(wèi)-為伺服閥輸出流量；
[0021] 式中，AP為伺服缸活塞有效面積;xP為伺服缸活塞位移;C1P為伺服缸內(nèi)泄漏系數(shù);& 為油液有效體積彈性模量;Kd為折算系數(shù);p s為系統(tǒng)供油壓力;po為系統(tǒng)回油壓力;Kaxv為伺 服閥增益；Xv為伺服閥閥芯位移；4為伺服缸活塞速度；&；為不采用阻尼控制時伺服缸活 塞速度；A為負(fù)載壓力變化量;pJ為不采用阻尼控制時液壓驅(qū)動單元負(fù)載壓力；A為負(fù)載 壓力變化量；為不采用阻尼控制時液壓驅(qū)動單元負(fù)載壓力變化量;V t為等效的伺服缸進(jìn) 油腔與出油腔容積；
[0022] 進(jìn)一步的，步驟2中，負(fù)載前饋補償控制器的傳遞函數(shù)為：
[0023]
[0024] 其中，l/(KaKsvAP)為負(fù)載前饋補償系數(shù)；
[0025] F'/(4見心-凡-九)為油液可壓縮性導(dǎo)致的瞬時位置偏差補償；
[0026] 為泄漏引起的液壓驅(qū)動單元位置偏差補償；
[0027] .v,./[2(/;、-負(fù)載干擾引起的伺服閥輸出流量變化補償；
[0028] f/< + 2a/cysF + l用于補償由伺服閥的動態(tài)特性所導(dǎo)致的補償環(huán)節(jié)滯后。
[0029] 式中，AP為伺服缸活塞有效面積;Kd為折算系數(shù);化|油液有效體積彈性模量;ps為 系統(tǒng)供油壓力;PQ為系統(tǒng)回油壓力；為負(fù)載壓力觀測器實時觀測壓力值;C ip為伺服缸內(nèi) 泄漏系數(shù);Xv為伺服閥閥芯位移;ξ為伺服閥阻尼比;Ka為伺服閥功率放大器增益;K sv為伺服 閥增益；ω sv為伺服閥固有頻率;s為拉普拉斯算子。
[0030] 進(jìn)一步的，步驟2所述的負(fù)載前饋補償控制中，通過設(shè)計狀態(tài)觀測器的方法獲取液 壓驅(qū)動單元兩腔壓力狀態(tài)。
[0031 ]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：
[0032] 1、能解決傳統(tǒng)主動柔順控制方法在足端瞬時失力或其它原因（如位置控制和力控 制的切換）時無法單獨實現(xiàn)阻尼特性而可能導(dǎo)致各關(guān)節(jié)液壓驅(qū)動單元瞬時失速問題，該方 法可以使液壓驅(qū)動單元在任意工況下都具備優(yōu)良的阻尼特性。
[0033] 2、采用負(fù)載前饋控制方法，實現(xiàn)液壓驅(qū)動單元位置控制系統(tǒng)的剛度理論上趨于無 窮大，使固有剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)剛度，此時系統(tǒng)剛度將趨近于目標(biāo)剛度，只需進(jìn)行目標(biāo)控制 即可對系統(tǒng)剛度完成控制，實現(xiàn)精準(zhǔn)的剛度控制。
[0034] 3、液壓驅(qū)動單元具有良好的雙向阻尼效果。
【附圖說明】
[0035]圖1是傳統(tǒng)的主動柔順控制原理示意圖。
[0036]圖2是系統(tǒng)等效剛度串聯(lián)原理圖。
[0037]圖3是二階質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)原理圖。
[0038] 圖4是本發(fā)明方法液壓驅(qū)動單元位置控制系統(tǒng)控制框圖。
[0039] 圖5是本發(fā)明方法液壓驅(qū)動單元的阻尼控制框圖。
[0040] 圖6是本發(fā)明方法液壓驅(qū)動單元位置控制框圖。
[0041 ]圖7是本發(fā)明方法液壓驅(qū)動單元位置前饋補償控制框圖。
[0042] 圖8是本發(fā)明方法液壓驅(qū)動單元剛度控制框圖。
[0043] 圖9是本發(fā)明方法主動柔順控制框圖。
[0044] 附圖中：ω為伺服閥固有頻率;ξ為伺服閥阻尼比;Kd為折算系數(shù);Cd為伺服閥滑閥 節(jié)流口流量系數(shù);W為面積梯度;P為液壓油密度;p s為系統(tǒng)供油壓力;P1為伺服缸左腔壓力； P2為伺服缸右腔壓力;P0為系統(tǒng)回油壓力；C1P為伺服缸內(nèi)泄漏系數(shù);cep為伺服缸外泄漏系 數(shù);L為伺服缸活塞總行程;L〇為伺服缸活塞初始位置;F為外負(fù)載力;AP為伺服缸活塞有效面 積;&為油液有效體積彈性模量;m t為折算質(zhì)量;xr為輸入位移;Kx為位移傳感器增益;KP為比 例增益;K axv為伺服閥增益;Κ為負(fù)載剛度;ΒΡ為黏性阻尼系數(shù);Vgl為伺服閥與伺服缸進(jìn)油連 接管道容積;V g2為伺服閥與伺服缸回油連接管道容積;Xv為伺服閥閥芯位移;Ff為摩擦力;x P 為伺服缸活塞位移;Vtn為進(jìn)油腔初始容積;VQ2為回油腔初始容積。
【具體實施方式】
[0045]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：
[0046] 如圖1所示，當(dāng)液壓驅(qū)動單元受到負(fù)載力時，主動柔順控制外環(huán)會產(chǎn)生對應(yīng)的位置 偏差，這個偏差會對輸入位置產(chǎn)生影響形成新的期望位置信號，期望位置信號進(jìn)入位置控 制內(nèi)環(huán)形成新的輸出位置來使位置控制系統(tǒng)具備主動柔順特性。
[0047] 如圖2所示，液壓系統(tǒng)的固有剛度為液壓剛度，對系統(tǒng)剛度的控制相當(dāng)于在液壓剛 度的基礎(chǔ)上串聯(lián)一個目標(biāo)剛度。在應(yīng)用傳統(tǒng)的主動柔順控制方法時，由于液壓驅(qū)動單元的 固有特性其液壓剛度不為無窮大，外負(fù)載力干擾會使位置系統(tǒng)本身產(chǎn)生位置偏差，而這個 偏差會影響傳統(tǒng)主動柔順控制方法的剛度控制精度，因此液壓剛度與目標(biāo)剛度串聯(lián)得到的 系統(tǒng)剛度將受到外負(fù)載力的干擾而偏離期望的系統(tǒng)剛度，從而難以實現(xiàn)高精度剛度控制， 機器人的抗沖擊效果也將隨之下降。過強的沖擊不但無法使機器人穩(wěn)定行走，而且會對機 器人機體以前敏感的控制構(gòu)件造成不可修復(fù)的損害。
[0048] 對于液壓驅(qū)動型足式機器人來說，為實現(xiàn)主動柔順控制，液壓驅(qū)動單元需在負(fù)載 力的作用下應(yīng)能具備圖3所示的二階質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)所具備的柔順特性。而不同之處 在于:二階質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)是由外力驅(qū)動的，質(zhì)量塊在外力的作用下被動運動，而對于 機器人關(guān)節(jié)主動柔順控制來說，外力不再為驅(qū)動力，而是負(fù)載力，驅(qū)動力由液壓驅(qū)動單元提 供。由于液壓驅(qū)動單元活塞在油液中往復(fù)運動，本身就具備了一定的阻尼剛度特性，但相比 于足式機器人關(guān)節(jié)主動柔順控制的目標(biāo)阻尼值和目標(biāo)剛度值，液壓驅(qū)動單元的阻尼過小， 剛度過大且不為恒值，而液壓驅(qū)動單元本身并沒有能夠模擬彈簧和阻尼的機械結(jié)構(gòu)，因此 就需要從控制的角度入手，在液壓驅(qū)動單元內(nèi)部構(gòu)造一個阻尼和一個彈簧，以保證液壓驅(qū) 動單元具備機器人關(guān)節(jié)期望的主動柔順特性，然后通過建立阻尼控制方法的數(shù)學(xué)模型完成 阻尼控制;通過建立剛度控制方法的數(shù)學(xué)模型完成高精度剛度控制，最終完成液壓驅(qū)動單 元的主動柔順控制。
[0049] 本發(fā)明中液壓驅(qū)動單元主要包括伺服閥、伺服缸、進(jìn)回油管路連接塊和傳感檢測 元件，油液流經(jīng)伺服閥及缸體內(nèi)流道驅(qū)動伺服缸往復(fù)運動，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動，本文研究 的液壓驅(qū)動單元為足式機器人液壓系統(tǒng)的功能部件之一，是一種典型的小型伺服閥控對稱 缸集成系統(tǒng)，其工作原理為四通伺服滑閥控制雙桿伺服缸。如圖4所示的液壓驅(qū)動單元位置 控制系統(tǒng)控制框圖。
[0050] 液壓驅(qū)動單元新型阻尼控制方法。
[0051 ] 該阻尼控制方法是通過在線檢測液壓驅(qū)動單元速度與目標(biāo)阻尼乘積得到期望阻 尼力，結(jié)合伺服閥壓力-流量方程，將阻尼特性產(chǎn)生的壓降等效為伺服閥閥芯位移修正量， 從而補償系統(tǒng)所應(yīng)具有的阻尼特性。而彈簧阻尼系統(tǒng)為無源系統(tǒng)，其阻尼效果是質(zhì)量塊運 動過程中被動產(chǎn)生的，系統(tǒng)本身并不主動供給能量;而液壓驅(qū)動單元位置控制為有源系統(tǒng)， 通過控制進(jìn)入伺服閥的能量實現(xiàn)阻尼控制。由于液壓系統(tǒng)本身為高階系統(tǒng)，利用速度信號 進(jìn)行阻尼控制具有一定的滯后，因此，一旦速度信號瞬時波動很大時，極易導(dǎo)致控制器計算 得出的阻尼控制信號超出設(shè)定范圍，從而引起液壓驅(qū)動單元輸出位移的抖動。為了解決這 個問題，要通過能量守恒限制環(huán)節(jié)避免由于液壓驅(qū)動單元運動速度滯后而導(dǎo)致的阻尼控制 失效，從而實現(xiàn)精確的阻尼控制。
[0052] 阻尼控制方法能量控制環(huán)節(jié)，試驗所采用的阻尼能量限制環(huán)節(jié)是通過實時檢測力 傳感器信號F、位移傳感器信號&，并觀測系統(tǒng)負(fù)載壓力PL，通過數(shù)學(xué)關(guān)系計算得出系統(tǒng)各時 刻的速度值，用于限制檢測速度弋的值，從而避免由于液壓系統(tǒng)影響滯后導(dǎo)致的阻尼控制 ig號失真。
[0053] (1)阻尼控制方法的設(shè)計。阻尼力的方向與液壓驅(qū)動單元運動速度方向相反，此時 液壓驅(qū)動單元的負(fù)載壓力為：
[0055] 伺服閥輸出流量為：
[0056] q> - KdxJ^lp^ - /λ, - ρ；
[0057] 式中：
[0058] Χν' I有阻尼器時伺服閥閥芯位移；
[0059]辦'|有阻尼器時伺服缸活塞位移；
[0060] 則阻尼作用下的閥芯位移為：
[0062] 阻尼模擬控制過程中控制閥芯的位移變化量ΔΧν = Χν-Χν'，由此對應(yīng)的輸入電壓 信號變化為A Us= Δ Xv/Kaxv聯(lián)立公式推導(dǎo)出可通過控制電壓的方法實現(xiàn)阻尼力模擬的等 式：
[0064]在線采集液壓驅(qū)動單元的速度，與目標(biāo)阻尼的乘積即為需模擬的阻尼力，通過阻 尼能量限制環(huán)節(jié)限制由初始速度波動產(chǎn)生的模擬阻尼力失真，再基于液壓系統(tǒng)的基本方程 及研究得出的負(fù)載壓力觀測器，求得阻尼力反饋的等效電壓偏差，以實現(xiàn)液壓驅(qū)動單元的 阻尼控制。則液壓驅(qū)動單元的阻尼控制框圖如圖5所示。
[0065] (2)剛度控制方法的設(shè)計
[0066]如圖3所示，系統(tǒng)的綜合剛度可表示為：
[0068] 采用負(fù)載前饋控制方法，液壓驅(qū)動單元位置控制系統(tǒng)的剛度Kh理論上趨于無窮 大，因此只需在此基礎(chǔ)上進(jìn)行目標(biāo)剛度1的剛度控制便可以控制剛度。
[0069] 采用負(fù)載前饋補償控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)高精度剛度控制，需要實時獲得液壓驅(qū)動單 元的兩腔壓力狀態(tài)進(jìn)行控制補償，而液壓驅(qū)動單元的高集成結(jié)構(gòu)使得其沒有足夠的空間在 兩腔安裝壓力傳感器，難以直接檢測兩腔壓力的變化量，只能通過借助力傳感器和位移傳 感器的檢測信號間接獲取其兩腔壓力特性，因此采用狀態(tài)觀測的方法獲取液壓驅(qū)動單元兩 腔壓力狀態(tài)。負(fù)載壓力觀測表達(dá)式：
[0071] 負(fù)載前饋的控制方法將液壓驅(qū)動單元的摩擦特性和外負(fù)載力共同作為干擾量補 償，來提高系統(tǒng)剛度Kh，則帶前饋補償環(huán)節(jié)的液壓驅(qū)動單元位置控制框圖如圖6所示。
[0072] 圖6中Gf(s)為干擾的傳遞函數(shù)，GKshGds)為系統(tǒng)各部分傳遞函數(shù)，Ga(s)為負(fù)載 前饋補償控制器的傳遞函數(shù)，可得GcUiOiGKd/GKs)，結(jié)合液壓驅(qū)動單元的數(shù)學(xué)模型的 控制框圖，可得前饋補償控制器表達(dá)式為：
[0074]具體應(yīng)用中二階微分環(huán)節(jié)在真實控制過程中難以實現(xiàn)，且伺服閥的固有頻率遠(yuǎn)高 于液壓驅(qū)動單元正常工況下的工作頻率，因此在補償環(huán)節(jié)中忽略二階微分環(huán)節(jié)。忽略伺服 閥的二階環(huán)節(jié)后，前饋補償后的系統(tǒng)剛度為：
[0076]當(dāng)狀態(tài)觀測器觀測的災(zāi)4巧時，計算的液壓驅(qū)動單元兩腔壓力爲(wèi)4內(nèi)且 ，此時爲(wèi)4馬且爲(wèi)-> ，系統(tǒng)剛度(FL+Ff)/XP 4①，遠(yuǎn)大于補償前系統(tǒng)的剛度，可 見理論上該前饋補償是有效的。進(jìn)而得出液壓驅(qū)動單元位置前饋補償控制框圖如圖7所示。 [0077]在線采集液壓驅(qū)動單元的速度與伺服缸的和作用力，通過負(fù)載壓力狀態(tài)觀測器得 到觀測負(fù)載壓力，得到參數(shù)進(jìn)行壓力補償與動態(tài)及泄露補償計算，求得的補償和與這算系 數(shù)的乘積即為電壓控制量。將負(fù)載前饋控制與剛度控制相結(jié)合，可得到液壓驅(qū)動單元剛度 控制框圖如圖8所示。
[0078] (3)主動柔順控制方法
[0079]在分別設(shè)計并試驗了阻尼控制和剛度控制的控制效果后，整合兩種控制方法，得 到最終的主動柔順控制框圖如圖9所示。
[0080] 在線采集液壓驅(qū)動單元的速度與伺服缸的作用力分別輸入到阻尼控制器與剛度 控制器中，經(jīng)過阻尼控制器與剛度控制器的計算得到相對應(yīng)的阻尼、剛度位移的電壓信號， 阻尼信號直接作用與PID的后環(huán)節(jié)實現(xiàn)控制，剛度的一路電壓信號輸入到PID控制器前實現(xiàn) 前饋控制。最終實現(xiàn)輸入信號到伺服缸位移信號的控制。
[0081] 以上所述的實施例僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范 圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方 案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法，液壓驅(qū)動單元主要包括伺服閥、 伺服缸、進(jìn)回油管路連接塊和傳感檢測元件，油液流經(jīng)伺服閥及缸體內(nèi)流道驅(qū)動伺服缸往 復(fù)運動，驅(qū)動機器人關(guān)節(jié)運動，其特征在于，所述控制方法的具體步驟如下： 步驟1，液壓驅(qū)動單元的阻尼控制； 采用減小伺服閥閥忍位移的方法，W達(dá)到降低輸出流量進(jìn)而模擬阻尼的控制效果； 步驟2，液壓驅(qū)動單元的高精度剛度控制； 將檢測力傳感器信號乘W期望剛度的倒數(shù)，作為液壓驅(qū)動單元位置的修正量引入位置 閉環(huán)控制;再引入負(fù)載前饋補償控制對液壓驅(qū)動單元位置偏差進(jìn)行補償，采用剛度反饋控 制和負(fù)載前饋控制相結(jié)合的方法實現(xiàn)液壓驅(qū)動單元期望的高精度剛度控制； 步驟3,液壓驅(qū)動單元的主動柔順控制； 結(jié)合步驟1的阻尼控制與步驟2的高精度剛度控制，對阻尼與剛度進(jìn)行綜合控制得到主 動柔順控制方法;主動柔順控制方法分為兩個回路，1)阻尼控制回路;2)剛度控制回路;在 控制過程中，阻尼與剛度控制回路單獨建立、綜合作用，最終實現(xiàn)足式機器人關(guān)節(jié)的主動柔 順控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法，其特征在 于，所述步驟1中，通過在線檢測液壓驅(qū)動單元速度與目標(biāo)阻尼乘積得到期望阻尼力，結(jié)合 伺服閥壓力-流量方程，將阻尼特性產(chǎn)生的壓降等效為伺服閥閥忍位移修正量，從而補償系 統(tǒng)所應(yīng)具有的阻尼特性;再通過能量守恒限制環(huán)節(jié)避免由于液壓驅(qū)動單元運動速度滯后而 導(dǎo)致的阻尼控制失效，實現(xiàn)精確的阻尼控制； 阻尼作用下的閥忍位移控制方法如下式：其中，Λ Us = Δ Xv/Kaxv為伺服閥閥忍位移變化量對應(yīng)的電壓信號變化量；為閥忍位移量； Δχν = χν-χν'為阻尼模擬過程中控制閥忍位移的變化量；%伺服閥輸出流量； 式中，Αρ--伺服缸活塞有效面積;χρ--伺服缸活塞位移;Cip 伺服缸內(nèi)泄漏系數(shù)； ββ--油液有效體積彈性模量;Kd-一折算系數(shù);Ps--系統(tǒng)供油壓力；P0-一系統(tǒng)回油壓 力；Kaxv-一伺服閥增益；XV--伺服閥閥忍位移；--伺服缸活塞速度；---不采用 阻尼控制時伺服缸活塞速度;Λ--負(fù)載壓力變化量;PL^ --不采用阻尼控制時液壓驅(qū)動 單元負(fù)載壓力;扭一-負(fù)載壓力變化量；>/--不采用阻尼控制時液壓驅(qū)動單元負(fù)載壓力 變化量;Vt--等效的伺服缸進(jìn)油腔與出油腔容積。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法，其特征在 于，步驟2中，負(fù)載前饋補償控制器的傳遞函數(shù)為：其中，1/化aKsvAp)為負(fù)載前饋補償系數(shù)；婦油液可壓縮性導(dǎo)致的瞬時位置偏差補償；%泄漏引起的液壓驅(qū)動單元位置偏差補償；婦負(fù)載干擾引起的伺服閥輸出流量變化補償；用于補償由伺服閥動態(tài)特性所導(dǎo)致的補償環(huán)節(jié)滯后； 式中，Ap - 一伺服缸活塞有效面積;Kd - 一折算系數(shù);氏一一油液有效體積彈性模量； Ps一一系統(tǒng)供油壓力;P日一-系統(tǒng)回油壓力；多L一一負(fù)載壓力觀測器實時觀測壓力值;Cip伺 服缸內(nèi)泄漏系數(shù);XV-一伺服閥閥忍位移；ξ-一伺服閥阻尼比；Ka伺服閥功率放大器增益； Ksv--伺服閥增益；ω SV--伺服閥固有頻率;S--拉普拉斯算子。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種足式機器人液壓驅(qū)動單元主動柔順控制方法，其特征在 于:步驟2所述的負(fù)載前饋補償控制中，通過設(shè)計狀態(tài)觀測器的方法獲取液壓驅(qū)動單元兩腔 壓力狀態(tài)。
【文檔編號】B25J17/00GK106078750SQ201610538637
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】俞濱, 巴凱先, 孔祥東, 李春賀, 趙華龍
【申請人】燕山大學(xué)