液压四足机器人单腿关节解耦控制及力/位切换控制研究

【摘要】：液压四足机器人作为冗余传动的代表,运动支链间的多自由度运动耦合给机器人多关节协调运动带来极大挑战。在机器人行进时伴随着落足时刻的地面冲击,使得机器人在进行力和位置切换时存在一定的抖动。因此,如何实现液压四足机器人腿部各关节间的解耦,以及力和位置的平顺切换是目前亟需解决的问题之一。本文以液压四足机器人的单腿为研究对象,对机器人单腿进行关节解耦控制和力/位切换控制研究。基于对液压四足机器人的腿部结构和液压伺服驱动系统的分析,采用拉格朗日方法建立机器人单腿机构的动力学模型。考虑到液压系统对机器人性能的影响,建立机器人腿部液压伺服驱动系统的模型,从而获得液压四足机器人单腿的整体模型,为机器人的解耦控制提供依据。针对液压四足机器人腿部各关节间存在的耦合问题,根据机器人腿部机构的动力学方程,推导出液压四足机器人大腿和小腿两个关节的耦合动力学关系,分析大腿和小腿加速度对关节耦合作用的影响。根据多变量解耦理论,设计PID神经网络解耦控制器和神经网络模型参考解耦控制器,并基于预测控制理论,提出基于预测的神经网络模型参考解耦控制方法,利用李雅普诺夫稳定性定理分析系统的稳定性。进行仿真和样机实验研究,将基于预测的神经网络模型参考解耦控制方法与PID神经网络解耦控制方法和神经网络模型参考解耦控制方法进行对比,验证该算法对机器人大腿和小腿间的解耦效果。针对机器人行走运动的特点,进行位置/力分段切换控制研究,对机器人的行程进行分段控制。当机器人足端未接触地面时,进行关节位置控制;当机器人足端接触地面时,进行关节力控制。在机器人关节位置控制时,针对不同运动阶段对速度的不同要求,设计速度PID控制算法,实现机器人在接触地面之前的精确定位控制。在机器人关节力控制时,针对机器人与地面接触过程中存在大量的不确定性干扰,提出基于负载力补偿的自抗扰控制策略,以抑制机器人与地面接触时外部环境的扰动,实现精确、稳定的力控制。在机器人进行力和位置切换时,针对切换过程产生的抖动问题,提出模糊多模型切换算法,以实现力和位置的平顺切换,进行仿真和样机实验研究,将模糊多模型切换与直接切换和多模型切换进行对比,验证该算法的切换效果。为检验所设计的控制算法在实际机器人系统中的控制效果,对液压四足机器人单腿系统进行实验研究,包括关节解耦控制实验、关节位置控制实验、关节力控制实验及力/位切换控制实验,用以验证控制算法的有效性和可行性。