在足式機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(yīng)能力。被動(dòng)彈簧常被用來實(shí)現(xiàn)機(jī)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(dòng)柔順能夠根據(jù)環(huán)境不同而調(diào)整末端剛度與阻尼,卻由于沖擊力作用時(shí)間很短,對(duì)執(zhí)行器的響應(yīng)速度有較高的要求。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將主動(dòng)柔順控制與被動(dòng)柔順相結(jié)合,可彌補(bǔ)上述不足,并實(shí)現(xiàn)機(jī)器人柔順性觸地。在單液壓執(zhí)行器系統(tǒng)中驗(yàn)證了這種方法的有效性,將此控制策略應(yīng)用在四足機(jī)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(jié)所提柔順性控制器參數(shù)設(shè)計(jì)原則,進(jìn)而為四足機(jī)器人整體柔順性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2017,53(01)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

液壓四足機(jī)器人平臺(tái)

?端的剛度與阻尼來設(shè)計(jì)系統(tǒng)的擾動(dòng)響應(yīng)[12]，從而使力和位置滿足某種動(dòng)態(tài)關(guān)系實(shí)現(xiàn)柔順性。阻抗控制器也有兩種結(jié)構(gòu)，一是力反饋?zhàn)饔迷谕猸h(huán)，內(nèi)環(huán)為位置控制，另一種是力反饋直接作用在內(nèi)環(huán)構(gòu)成力閉環(huán)，外環(huán)為阻抗控制。前者結(jié)構(gòu)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(fù)雜的串聯(lián)結(jié)構(gòu)使得控制器參數(shù)的選擇受到很大限制[4]。在足式機(jī)器人控制中，我們期望足端表現(xiàn)出合適的柔順性而不是精確的阻抗模型�；谝陨峡紤]和試驗(yàn)對(duì)比我們選擇了第一種阻抗控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2位置型阻抗控制器結(jié)構(gòu)圖2中x為執(zhí)行器位移，()sGs為被控對(duì)象系統(tǒng)模型，()eGs為接觸環(huán)境模型一般表現(xiàn)為被動(dòng)性(不向外提供能量)，()rGs為位置控制器，()fGs為目標(biāo)導(dǎo)納模型。通常選用二階系統(tǒng)作為主動(dòng)柔順控制的目標(biāo)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(jù)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(nèi)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(jié)合式(2)～(4)可得擾動(dòng)力F與系統(tǒng)跟蹤誤差之間的關(guān)系如下0()()()()()ppspfeEsxEsGsFGsGsF(5)

動(dòng)力F的動(dòng)態(tài)響應(yīng)即為F對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)模型()fGs的響應(yīng)。從另一個(gè)角度來講阻抗控制以犧牲一定的位置控制精度來達(dá)到柔順特性。對(duì)于實(shí)際當(dāng)中的位置控制系統(tǒng)，位置跟蹤的帶寬有限，這就必然會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)于目標(biāo)模型()fGs的跟蹤。然而正如前邊所講，在足式機(jī)器人控制中我們期望的是系統(tǒng)對(duì)沖擊的平穩(wěn)響應(yīng)，而不一定是按照設(shè)定的過程響應(yīng)。在第1.2節(jié)本文將通過試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)單液壓執(zhí)行器柔順性控制，驗(yàn)證主動(dòng)柔順的作用。1.2試驗(yàn)與分析為模擬四足機(jī)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(yàn)平臺(tái)如圖3所示。圖3單液壓缸垂直下落試驗(yàn)平臺(tái)試驗(yàn)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(shí)時(shí)測得，液壓缸的運(yùn)動(dòng)由DSP板控制。為觀測真實(shí)的沖擊過程，位移和力反饋的采樣頻率達(dá)到5kHz，采樣數(shù)據(jù)通過CAN總線傳給計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)觀測。試驗(yàn)系統(tǒng)其他相關(guān)物理參數(shù)如表1所示。表1試驗(yàn)系統(tǒng)物理參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)數(shù)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(jié)構(gòu)，內(nèi)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(dòng)柔順控制器的設(shè)計(jì)就需要考慮到觸地沖擊的作用時(shí)間、執(zhí)行器響應(yīng)速度等因素。為此我們首先試驗(yàn)了平臺(tái)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(dòng)彈簧的作用，約13kg的質(zhì)量從10cm高度下落，整個(gè)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(shí)間約為15ms。由于受限于機(jī)構(gòu)、伺服閥的頻帶等因素，液壓缸響應(yīng)速度遠(yuǎn)達(dá)不到這個(gè)頻率。因此很有必要延緩沖擊過程，這樣才能利用反饋力進(jìn)行主動(dòng)柔

【參考文獻(xiàn)】：
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(qū)動(dòng)四足機(jī)器人SCalf的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 柴匯,孟健,榮學(xué)文,李貽斌.  機(jī)器人. 2014(04)
[3]面向足式機(jī)器人的新型可調(diào)剛度柔性關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)及性能測試[J]. 尹鵬,李滿天,郭偉,王鵬飛,孫立寧.  機(jī)器人. 2014(03)
[4]面向奔跑運(yùn)動(dòng)的剛–柔復(fù)合四足機(jī)器人單腿設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 張雪峰,秦現(xiàn)生,馮華山,趙文濤,李軍,譚小群.  機(jī)器人. 2013(05)



本文編號(hào)：3277862