足式机器人P-Q阀控非对称液压缸力伺服控制研究

摘要

足式机器人是机器人的重要分支，具有非连续支撑、自主选择落点、适应复杂地形等特点，在军事行动、野外考察等场合应用前景广阔。随着足式机器人负载和功率的提高，集成液压驱动单元渐渐成为机器人关节驱动器的理想选择。足式机器人液压驱动单元的力/位控制对提高机器人运动特性意义重大，然而液压系统本身复杂，且输出易受外界干扰影响。因此本课题基于足式机器人结构和控制的现实需求，以其P-Q阀控非对称液压缸驱动单元为研究对象，重点研究了该系统力/位伺服控制特性以及伺服控制算法：通过机理建模分析了P-Q阀的特性，并基于该特性研究了P-Q阀控非对称液压缸系统力/位控制特性；进而对力伺服控制算法展开研究，并利用计算机仿真和液压缸对顶实验台研究该算法的有效性；最后利用机器人单腿实验平台，通过研究基于力闭环的单腿阻抗控制来验证系统力控制算法在足式机器人上应用的有效性。
　　本文首先研究了P-Q阀特性和P-Q阀控非对称液压缸力/位伺服控制特性。基于P-Q阀机理建立了P-Q阀的数学模型，利用仿真和实验验证了P-Q阀输出压力与输入电流的关系。进而利用Simulink分别建立P-Q阀控非对称液压缸力/位系统非线性仿真模型，并依赖P-Q阀特性对模型进行分析，发现系统位置闭环等效刚度特性及控制电流、外干扰等因素对液压缸输出力的影响特性并通过仿真和实验加以验证。其次，结合足式机器人的控制需求，研究了P-Q阀控非对称液压缸力伺服控制方法。基于控制电流、外干扰等因素对力伺服控制的影响特性，针对无位置干扰的情况，提出指令电流前馈力伺服算法；针对有位置干扰的情况，考虑液压缸速度对控制的影响，提出了速度补偿的力伺服控制策略。利用Simulink仿真平台和液压缸对顶实验平台对前馈补偿算法的动静态目标力跟踪特性进行了仿真与实验，验证了该算法在加快响应速度、减小振荡和提高系统抗干扰能力方面的有效性。最后，验证了力伺服算法在足式机器人上应用的可行性和有效性。在基于P-Q阀控非对称液压缸的足式机器人单腿实验平台上，研究了基于关节力伺服的机器人单关节以及单腿阻抗控制方法。通过验证变阻抗控制的有效性，进一步验证本文提出的力伺服算法在足式机器人上应用的可行性和有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 国内外研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第2章 P-Q阀模型建立及阀控缸系统伺服特性研究

2.1 引言

2.2 P-Q阀数学模型的建立及特性分析

2.3 P-Q阀控非对称液压缸系统建模与特性分析

2.4 本章小结

第3章 P-Q阀控非对称液压缸力伺服控制方法研究

3.1 引言

3.2 力伺服系统仿真与实验平台搭建

3.3 无位置干扰时力伺服控制研究

3.4 有位置干扰时力伺服控制研究

3.5 P-Q阀控非对称液压缸力伺服算法

3.6 本章小结

第4章 基于力伺服的足式机器人单腿阻抗控制研究

4.1 引言

4.2 基于P-Q阀控非对称液压缸驱动的机器人腿部结构

4.3 基于力伺服的足式机器人单关节阻抗控制研究

4.4基于力伺服的机器人单腿阻抗控制研究

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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