基于力反饋的液壓足式機器人主/被動柔順性控制
發(fā)布時間：2021-07-11 09:54
在足式機器人運動過程中,柔順性控制能有效減少足端觸地沖擊力,提高環(huán)境適應能力。被動彈簧常被用來實現機器人與環(huán)境柔性接觸,但不能有效吸收剩余沖擊能量。主動柔順能夠根據環(huán)境不同而調整末端剛度與阻尼,卻由于沖擊力作用時間很短,對執(zhí)行器的響應速度有較高的要求。試驗發(fā)現將主動柔順控制與被動柔順相結合,可彌補上述不足,并實現機器人柔順性觸地。在單液壓執(zhí)行器系統(tǒng)中驗證了這種方法的有效性,將此控制策略應用在四足機器人單腿系統(tǒng),得到了同樣的效果。通過分析單自由度執(zhí)行器系統(tǒng),總結所提柔順性控制器參數設計原則,進而為四足機器人整體柔順性設計提供依據。
【文章來源】：機械工程學報. 2017,53(01)北大核心EICSCD
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
液壓四足機器人平臺
?端的剛度與阻尼來設計系統(tǒng)的擾動響應[12]，從而使力和位置滿足某種動態(tài)關系實現柔順性。阻抗控制器也有兩種結構，一是力反饋作用在外環(huán)，內環(huán)為位置控制，另一種是力反饋直接作用在內環(huán)構成力閉環(huán)，外環(huán)為阻抗控制。前者結構簡單，系統(tǒng)阻抗為開環(huán)控制；后者系統(tǒng)阻抗為閉環(huán)控制，但需要較高精度的力閉環(huán)控制，且復雜的串聯結構使得控制器參數的選擇受到很大限制[4]。在足式機器人控制中，我們期望足端表現出合適的柔順性而不是精確的阻抗模型�；谝陨峡紤]和試驗對比我們選擇了第一種阻抗控制器，其結構如圖2所示。圖2位置型阻抗控制器結構圖2中x為執(zhí)行器位移，()sGs為被控對象系統(tǒng)模型，()eGs為接觸環(huán)境模型一般表現為被動性(不向外提供能量)，()rGs為位置控制器，()fGs為目標導納模型。通常選用二階系統(tǒng)作為主動柔順控制的目標模型，則有21()fGsJsCsK(1)式中，J,C,K分別為期望的系統(tǒng)慣量、阻尼、剛度。根據圖2所示阻抗控制器可以得到系統(tǒng)閉環(huán)模型為0()()()()()ppfpsxGsxGsGsFEsGsF(2)()pGs與()pEs是內環(huán)位置控制的閉環(huán)模型以及誤差模型，定義如下1()[()()]()()psrsrGsIGsGsGsGs(3)1()[()()]psrEsIGsGs(4)定義位置誤差0exx，結合式(2)～(4)可得擾動力F與系統(tǒng)跟蹤誤差之間的關系如下0()()()()()ppspfeEsxEsGsFGsGsF(5)
動力F的動態(tài)響應即為F對目標系統(tǒng)模型()fGs的響應。從另一個角度來講阻抗控制以犧牲一定的位置控制精度來達到柔順特性。對于實際當中的位置控制系統(tǒng)，位置跟蹤的帶寬有限，這就必然會影響系統(tǒng)對于目標模型()fGs的跟蹤。然而正如前邊所講，在足式機器人控制中我們期望的是系統(tǒng)對沖擊的平穩(wěn)響應，而不一定是按照設定的過程響應。在第1.2節(jié)本文將通過試驗平臺實現單液壓執(zhí)行器柔順性控制，驗證主動柔順的作用。1.2試驗與分析為模擬四足機器人觸地沖擊力的過程，我們搭建了單液壓缸垂直下落試驗平臺如圖3所示。圖3單液壓缸垂直下落試驗平臺試驗中觸地沖擊力由安裝在液壓缸桿末端與彈簧之間的力傳感器實時測得，液壓缸的運動由DSP板控制。為觀測真實的沖擊過程，位移和力反饋的采樣頻率達到5kHz，采樣數據通過CAN總線傳給計算機實時觀測。試驗系統(tǒng)其他相關物理參數如表1所示。表1試驗系統(tǒng)物理參數系統(tǒng)參數數值油源壓力/MPa15伺服閥幅頻帶/Hz150伺服閥額定流量/(L/min)15液壓缸行程/mm75力傳感器量程/N–5000～5000彈簧剛度/(N/mm)20～40液壓執(zhí)行器采用圖1所示控制器結構，內環(huán)位置跟蹤采用PD控制，即()rpdGskks(7)由于一般沖擊過程較快，外環(huán)主動柔順控制器的設計就需要考慮到觸地沖擊的作用時間、執(zhí)行器響應速度等因素。為此我們首先試驗了平臺垂直下落剛性觸地的情況，即液壓缸采用位置控制，末端也沒有被動彈簧的作用，約13kg的質量從10cm高度下落，整個沖擊過程中力的變化如圖4所示。圖4剛性觸地過程沖擊力圖4中沖擊峰值約為3600N，過程時間約為15ms。由于受限于機構、伺服閥的頻帶等因素，液壓缸響應速度遠達不到這個頻率。因此很有必要延緩沖擊過程，這樣才能利用反饋力進行主動柔
【參考文獻】：
期刊論文
[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]高性能液壓驅動四足機器人SCalf的設計與實現[J]. 柴匯,孟健,榮學文,李貽斌. 機器人. 2014(04)
[3]面向足式機器人的新型可調剛度柔性關節(jié)的設計及性能測試[J]. 尹鵬,李滿天,郭偉,王鵬飛,孫立寧. 機器人. 2014(03)
[4]面向奔跑運動的剛–柔復合四足機器人單腿設計與實驗研究[J]. 張雪峰,秦現生,馮華山,趙文濤,李軍,譚小群. 機器人. 2013(05)
本文編號：3277862
【文章來源】：機械工程學報. 2017,53(01)北大核心EICSCD
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
液壓四足機器人平臺
?端的剛度與阻尼來設計系統(tǒng)的擾動響應[12]，從而使力和位置滿足某種動態(tài)關系實現柔順性。阻抗控制器也有兩種結構，一是力反饋作用在外環(huán)，內環(huán)為位置控制，另一種是力反饋直接作用在內環(huán)構成力閉環(huán)，外環(huán)為阻抗控制。前者結構簡單，系統(tǒng)阻抗為開環(huán)控制；后者系統(tǒng)阻抗為閉環(huán)控制，但需要較高精度的力閉環(huán)控制，且復雜的串聯結構使得控制器參數的選擇受到很大限制[4]。在足式機器人控制中，我們期望足端表現出合適的柔順性而不是精確的阻抗模型�；谝陨峡紤]和試驗對比我們選擇了第一種阻抗控制器，其結構如圖2所示。圖2位置型阻抗控制器結構圖2中x為執(zhí)行器位移，()sGs為被控對象系統(tǒng)模型，()eGs為接觸環(huán)境模型一般表現為被動性(不向外提供能量)，()rGs為位置控制器，()fGs為目標導納模型。通常選用二階系統(tǒng)作為主動柔順控制的目標模型，則有21()fGsJsCsK(1)式中，J,C,K分別為期望的系統(tǒng)慣量、阻尼、剛度。根據圖2所示阻抗控制器可以得到系統(tǒng)閉環(huán)模型為0()()()()()ppfpsxGsxGsGsFEsGsF(2)()pGs與()pEs是內環(huán)位置控制的閉環(huán)模型以及誤差模型，定義如下1()[()()]()()psrsrGsIGsGsGsGs(3)1()[()()]psrEsIGsGs(4)定義位置誤差0exx，結合式(2)～(4)可得擾動力F與系統(tǒng)跟蹤誤差之間的關系如下0()()()()()ppspfeEsxEsGsFGsGsF(5)
動力F的動態(tài)響應即為F對目標系統(tǒng)模型()fGs的響應。從另一個角度來講阻抗控制以犧牲一定的位置控制精度來達到柔順特性。對于實際當中的位置控制系統(tǒng)，位置跟蹤的帶寬有限，這就必然會影響系統(tǒng)對于目標模型()fGs的跟蹤。然而正如前邊所講，在足式機器人控制中我們期望的是系統(tǒng)對沖擊的平穩(wěn)響應，而不一定是按照設定的過程響應。在第1.2節(jié)本文將通過試驗平臺實現單液壓執(zhí)行器柔順性控制，驗證主動柔順的作用。1.2試驗與分析為模擬四足機器人觸地沖擊力的過程，我們搭建了單液壓缸垂直下落試驗平臺如圖3所示。圖3單液壓缸垂直下落試驗平臺試驗中觸地沖擊力由安裝在液壓缸桿末端與彈簧之間的力傳感器實時測得，液壓缸的運動由DSP板控制。為觀測真實的沖擊過程，位移和力反饋的采樣頻率達到5kHz，采樣數據通過CAN總線傳給計算機實時觀測。試驗系統(tǒng)其他相關物理參數如表1所示。表1試驗系統(tǒng)物理參數系統(tǒng)參數數值油源壓力/MPa15伺服閥幅頻帶/Hz150伺服閥額定流量/(L/min)15液壓缸行程/mm75力傳感器量程/N–5000～5000彈簧剛度/(N/mm)20～40液壓執(zhí)行器采用圖1所示控制器結構，內環(huán)位置跟蹤采用PD控制，即()rpdGskks(7)由于一般沖擊過程較快，外環(huán)主動柔順控制器的設計就需要考慮到觸地沖擊的作用時間、執(zhí)行器響應速度等因素。為此我們首先試驗了平臺垂直下落剛性觸地的情況，即液壓缸采用位置控制，末端也沒有被動彈簧的作用，約13kg的質量從10cm高度下落，整個沖擊過程中力的變化如圖4所示。圖4剛性觸地過程沖擊力圖4中沖擊峰值約為3600N，過程時間約為15ms。由于受限于機構、伺服閥的頻帶等因素，液壓缸響應速度遠達不到這個頻率。因此很有必要延緩沖擊過程，這樣才能利用反饋力進行主動柔
【參考文獻】：
期刊論文
[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]高性能液壓驅動四足機器人SCalf的設計與實現[J]. 柴匯,孟健,榮學文,李貽斌. 機器人. 2014(04)
[3]面向足式機器人的新型可調剛度柔性關節(jié)的設計及性能測試[J]. 尹鵬,李滿天,郭偉,王鵬飛,孫立寧. 機器人. 2014(03)
[4]面向奔跑運動的剛–柔復合四足機器人單腿設計與實驗研究[J]. 張雪峰,秦現生,馮華山,趙文濤,李軍,譚小群. 機器人. 2013(05)
本文編號：3277862
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