[發明專利]一種針對液壓驅動單元基于位置的阻抗控制方法及系統

有效

• 申請號: 201811226564.1
• 申請日: 2018-10-22
• 公開（公告）號: CN109210037B
• 公開（公告）日: 2019-08-09
• 發明（設計）人: 巴凱先;俞濱;馬國梁;金正國;孔祥東
• 申請（專利權）人: 燕山大學
• 主分類號: F15B21/08
• 分類號: F15B21/08;B62D57/032
• 代理公司: 北京高沃律師事務所 11569
• 代理人: 程華

本發明公開一種針對液壓驅動單元基于位置的阻抗控制方法及系統。所述方法包括：獲取傳統的基于位置的阻抗控制動態剛度組成信息；對所述組成信息進行分析，得到位置控制內環的剛度組成；根據所述剛度組成，設計動態柔順復合控制器；根據所述動態柔順復合控制器的信息，設計內環前饋補償控制器；獲取所述動態柔順復合控制器和所述內環前饋補償控制器的復合控制策略；根據所述復合控制策略控制基于位置的阻抗。采用本發明的方法或者系統能夠顯著提高基于位置的阻抗控制精度。

技術領域

本發明涉及流體傳動與控制領域，特別是涉及一種針對液壓驅動單元基于位置的阻抗控制方法及系統。

背景技術

足式機器人相對于輪式、履帶式和球形機器人，對未知、非結構環境具有很好的適應能力，能夠跨越障礙，在野外未知環境中執行任務時具有獨特的優勢，近年來已成為機器人行業研究的熱點。如今，液壓型驅動的足式機器人的關節驅動一般均采用一種高集成閥控缸結構，該結構也稱之為液壓驅動單元。采用液壓驅動單元作為足式機器人的關節驅動器，其在帶來液壓系統的高性能優勢外，同時也帶來了強非線性、參數時變等液壓系統的共性問題，這使得機器人的控制難度進一步加大。

動態柔順性是指控制系統在外干擾的作用下，位置變化的難易程度，其衡量指標為動態剛度，即控制系統力變化量與位置變化量的比值，該動態剛度越大(越趨近于無窮)則系統的動態柔順性越差，反之，動態剛度越小(越趨近于零)則系統的動態柔順性越好。針對位置控制系統而言，動態剛度就是指系統干擾外力與輸出位置的比值，該比值越大則說明系統在受到干擾外力時，輸出位置變化量越小，因此其動態柔順性越差，特別是當位置控制系統動態剛度趨于無窮大時，則說明無論干擾力如何變化，系統輸出位置完全不受影響，該系統具有卓越的動態柔順性，此時定義該位置控制系統為理想位置控制系統。

動態柔順控制已廣泛應用于足式機器人腿部關節的控制方法之中，其控制目的是使機器人足端在接觸地面等剛度較大的負載時，可以具備一定的動態柔順性，以有效減少剛性沖擊，從而保證機器人機身結構和附帶的電氣設備不受破壞，進而保證機器人的整體運動控制性能。動態柔順性表現為系統在外干擾的作用下，系統的輸出呈期望的動態變化，其中阻抗控制是一種常用的二階動態柔順控制，其控制原理是將系統等效為具有理想剛度、阻尼和質量系數的二階質量-彈簧-阻尼系統，該種控制方法已廣泛應用于電機驅動的足式機器人領域中，近年來，隨著液壓驅動的足式機器人逐漸成為研究熱點,阻抗控制方法也應用在了這類機器人中。

在液壓驅動的足式機器人上采用基于阻抗原理的動態柔順控制，其基本實現原理都是以液壓控制系統作為控制內環，再加上動態柔順控制外環，當外干擾作用到系統時，通過控制外環使控制內環的輸入信號發生改變，從而使系統具備理想的動態柔順性。

理想情況下，基于位置的阻抗控制內環控制方式采用位置閉環，由于固有的位置閉環特性，內環位置控制系統自身所具備的理想動態剛度趨于無窮大，即位置控制精度很高且不受干擾力的影響，從而使內環控制精度不影響阻抗外環控制精度。但實際情況下，由于液壓驅動單元位置控制系統的干擾力和環境的不確定性等原因，干擾力和負載特性會對位置控制精度產生影響，特別是當干擾力和負載特性發生動態變化時，與液壓系統固有的非線性、參數時變性及強耦合性共同作用，將對位置控制精度產生動態影響，表現在液壓驅動單元位置控制內環本身具備的動態柔順性不為零。此時，液壓驅動單元位置控制內環精度降低，從而影響著足式機器人的整體柔順控制精度。

另一方面，傳統的基于位置的阻抗控制系統在受到不同類型的干擾力時，阻抗控制的實際位置和期望位置之間都存在較大的位置偏差與相角偏差。對于足式機器人高精度控制要求而言，傳統的基于位置的阻抗控制所具有的控制性能的不足顯然不能滿足其控制精度要求。

綜上所述，在液壓驅動單元控制技術中，迫切需要一種改善的針對液壓驅動單元基于位置的阻抗控制方法及系統。

發明內容

本發明的目的是提供一種針對液壓驅動單元基于位置的阻抗控制方法及系統，能夠顯著提高基于位置的阻抗控制精度。