液压机器人关节柔顺控制的研究与实现

摘要

腿式机器人是近年来国际上的热门研究领域，其对于复杂地形和恶劣环境具有较强适应能力，能够最大限度的协助人类完成各种复杂任务，具有广阔的应用前景。而液压伺服由于其功率密度大、动态响应快、抗电磁干扰性强等特点，能使机器人拥有更高的负载能力和动态性能。机器人在自然空间的轨迹运动控制已较为成熟，但在其进行相关作业或步态行走时与外界环境的接触是无法避免的。由于液压刚度较大，在与外界接触时会产生较大撞击，从而会严重影响腿式机器人的稳定性。因此本文由实际液压驱动腿式机器人的工程项目展开，通过增加弹性元件及柔顺控制算法实现让机器人能够表现出柔顺特性，并具有一定减缓冲击的能力。主要研究内容如下：
　　首先，本文基于对非对称液压缸的模型分析，引入弹性元件将力检测转换为位置测量，增强了环境适应性。并分别对无阻尼器和带阻尼器的液压SEA数学模型进行了分析，建立了力控制的参数关系式，使得液压驱动器能够实现准确的力控制，并分析了其稳定性，验证了驱动器能够满足实际机器人柔顺控制的基本需求。
　　接着通过对基于位置的阻抗控制模型进行分析，建立了机器人所受环境力与液压缸伺服位置之间的关系。通过内外环结合、实时进行受力状态补偿的控制方式。使机器人末端模拟出一定的阻抗特性，使其对未知环境具有更好的适应性。同时，从整体机器人腿部的角度分析了虚拟腿模型，通过运动学分析及机构几何关系建立了虚拟腿刚度、弹性元件变形量及液压缸位移之间的关系。使机器人能够在受力状态下表现出变刚度特性。
　　最后结合控制方法，设计加工了液压串联弹性驱动器机构，并搭建了机器人实验平台，同时应用嵌入式QNX系统，完成多线程任务的创建及控制算法的编程。然后通过对单缸液压弹性驱动器的仿真和实验，验证了其稳定的力控制及动态响应能力。接着针对不同的刚度系数和阻尼系数对阻抗控制进行了仿真与实验，分析了刚度对机器人柔性的影响以及阻尼对调整过程的作用，并通过虚拟腿刚度控制实验验证了其能够提供变刚度的能力。最后通过行走实验，验证了两种方法均能够实现一定的柔顺控制效果。从而为机器人稳定性研究提供了支持。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 液压伺服及柔顺控制模型分析

2.1引言

2.2液压控制模型分析

2.3串联弹性驱动器模型分析

2.4 阻抗控制模型分析

2.5 虚拟腿控制模型分析

2.6 本章小结

第3章 硬件结构设计及软件设计

3.1引言

3.2 硬件结构设计

3.3 控制系统平台

3.4 软件设计及应用

3.5 本章小结

第4章 液压伺服及柔顺控制仿真与实验

4.1引言

4.2串联弹性驱动器控制仿真与实验

4.3 阻抗控制仿真与实验

4.4 虚拟腿控制实验

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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