一种液压驱动关节型足式机器人关节间解耦控制方法与流程

文档序号:11233461阅读:1959来源:国知局
一种液压驱动关节型足式机器人关节间解耦控制方法与流程

本发明涉及液压驱动关节式机器人控制技术领域,尤其涉及一种液压驱动关节式机器人关节间解耦控制方法。



背景技术:

液压驱动关节型足式机器人每条腿是一个多关节多自由度的串联机构,腿部系统具有非线性和强耦合性,耦合不仅存在于腿部机构各运动支链间的多自由度运动耦合,还存在于各关节的液压驱动机构,因此,液压四足机器人各关节之间的耦合是机、液共同作用的结果。这种由机械结构和液压驱动多个变量共同产生的关节之间的耦合作用,使得系统控制变得十分复杂。在机器人实际运动过程中,要想对其中的一个关节进行控制,需要将腿部的其他所有关节都锁定,一旦这些关节被解除锁定,各关节间就存在着交连耦合影响,因此,在机器人正常运动过程中,每一个关节的运动都会受到其他关节的耦合影响。这给液压四足机器人多关节间协调运动控制带来了很大的困难,因而,降低液压四足机器人关节间的交连耦合影响,对机器人各个关节进行解耦控制变得十分必要。



技术实现要素:

一种液压驱动关节型足式机器人关节间解耦控制方法

液压驱动关节型足式机器人关节间解耦控制方法按以下步骤实现:

步骤a、建立关节间交联耦合模型:

本申请将机、液共同耦合作为液压驱动关节型足式机器人的耦合行为进行研究,基于对液压驱动关节型足式机器人的腿部机械结构和液压伺服驱动系统的分析,根据机构动力学和液压控制原理,分别建立机器人腿部机构的动力学模型和腿部液压伺服驱动系统的模型,最终建立液压驱动关节型足式机器人关节间的耦合模型,为机器人的解耦控制提供依据。

由于在运动过程中,液压驱动关节型足式机器人各关节的运动均属于低速运动,因此,关节间的运动受哥氏力和向心力的影响较小,可忽略不计,但受惯性力和重力的影响较大,为了便于分析和解决问题,需要抓住问题的主要矛盾,故只考虑惯性力和重力的影响,忽略哥氏力和向心力的影响,这样,液压驱动关节型足式机器人腿部动力学模型变为如下形式:

于是,任意两个关节的出力与液压缸位移之间的动力学关系如下:

式中,为惯性矩阵,为重力项。

对上式进行拉氏变换,可得耦合关系式如下:

由式中可以看出,液压驱动关节型足式机器人任意两个关节之间都存在明显的耦合。

于是,将动力学模型带入到液压系统模型,便可得到整个控制系统的模型如下:

式中,主对角线元素乘积分别表示单个关节的传递函数,而非对角线项即为关节间的耦合项。

步骤b、计算腿部关节各支路的耦合度:

设有n个输入、n个输出的耦合对象为:

y(s)=c(s)·r(s)

式中:

y(s)=[y1(s),y2(s)…yn(s)]t

r(s)=[r1(s),r2(s)…rn(s)]t

其中,r(s)为对象的输入,y(s)为对象的输出,c(s)为耦合对象矩阵。

将对象c(s)划分成四个部分,得到:

式中:

其中,c11(s)为[y1(s)r1(s)]的控制支路。

设k为c(s)的静态增益矩阵,即:

则[y1(s)r1(s)]支路的耦合度定义为:

同理,[yi(s)rj(s)]支路的耦合度定义为:

式中,为矩阵k的第i行向量划去kij后按原顺序排列的行向量;为矩阵k的第j列向量划去kij后按原顺序排列的列向量;kp为矩阵k划去第i行与第j列后剩下的元素按原顺序排列的矩阵。

所有配对支路耦合度的总和即为系统的耦合度,则系统的耦合度为:

η=σpij

求取了各支路的耦合度,就可以了解系统的耦合特性,根据其耦合特性来判断系统是否需要进行解耦。耦合度所反映的耦合特性可概括如下:

当pij=0时,无耦合,不必采用解耦措施;

当pij>0时,存在耦合,耦合减弱了该通道的控制作用,这时采取解耦措施是必要的;

当pij=∞时,超强耦合,系统不能正常运行。

步骤c、设计液压驱动关节型足式机器人关节间解耦控制方法:

在运动状态下,液压驱动关节型足式机器人各关节之间的耦合实际上是机、液共同作用的结果,根据所建立的耦合模型,本申请通过雅可比矩阵变换,将机器人系统的机构动力学耦合力分解到各关节液压缸,将机构的动力学耦合力作为液压系统的外干扰力,然后再对电液伺服系统进行解耦控制,以便降低整个机器人系统的交联耦合影响。

根据液压驱动关节型足式机器人腿部存在耦合的动力学模型,将m(y)、g(y)中主对角线的非耦合项去掉,则可得到相应的耦合力为:

式中,为惯性矩阵,为重力项。

fd即为耦合力分解到各液压驱动系统上的干扰力。

这样通过雅可比矩阵变换,将机器人各运动支链的机构动力学耦合力作为外干扰力转化到各关节液压缸,将控制变量从工作空间转化到关节空间,然后再对液压系统进行解耦控制,以实现整个机器人系统的解耦。

发明效果:

本发明针对液压驱动关节型足式机器人腿部各关节间存在的交联耦合问题,将机、液共同耦合作为液压驱动关节型足式机器人耦合行为进行研究,建立机器人关节间的耦合模型;计算腿部关节各支路的耦合度,阐述液压驱动关节型足式机器人解耦控制的必要性;研究液压驱动关节型足式机器人关节间的耦合特性,通过雅可比矩阵变换将机器人系统的机构动力学耦合力作为液压系统的外干扰力来进行控制,实现液压驱动关节型足式机器人腿部各关节间的解耦控制,提高机器人的控制精度,保持系统具有良好的控制性能,推动液压四足机器人动态性能和自动化水平的提升。

附图说明

图1是大小腿关节耦合关系原理框图;

图2是液压驱动关节型足式机器人腿部各关节间解耦控制方案图;

具体实施方式

以下结合实施例及附图对本发明作进一步地详细说明,但本发明的具体实施方式不限于此。

实施例:液压驱动关节型足式机器人大小腿关节间解耦控制问题

步骤a、建立大腿和小腿关节间交联耦合模型:

本申请将机、液共同耦合作为液压驱动关节型足式机器人的耦合行为进行研究,基于对液压驱动关节型足式机器人的腿部机械结构和液压伺服驱动系统的分析,根据机构动力学和液压控制原理,分别建立机器人腿部机构的动力学模型和腿部液压伺服驱动系统的模型,最终建立机器人大腿和小腿两个关节的耦合模型,为机器人的解耦控制提供依据,其耦合关系的原理框图如附图1所示。

附图1中,u2为大腿关节伺服阀输入电压;u3为小腿关节伺服阀输入电压;y2为大腿关节的输出位移;y3为小腿关节的输出位移。

从附图1可以看出,大腿关节的输出y2受到小腿关节的输出y3的影响,而小腿关节的输出y3同样受到大腿关节的输出y2的影响,因此,液压四足机器人大腿关节和小腿关节之间存在明显的耦合,而且,从耦合关系上看,两关节之间的耦合影响不仅与机构动力学参数有关,还与液压系统参数有关。

步骤b、计算腿部关节各支路的耦合度:

为了了解系统的耦合特性,需要计算各支路的耦合度,根据耦合度的大小来判断系统是否需要进行解耦。

根据步骤a可得出液压驱动关节型足式机器人腿部大小腿的耦合对象为:

则静态增益矩阵k为:

那么,经过计算得到耦合度矩阵p为:

由上述耦合度矩阵可知,该机器人腿部系统采用的是[y2(s)u2(s)]、[y3(s)u3(s)]的配对方式,与实际机器人大小腿的运动相符,系统的耦合度为η=p11+p22=1.28,耦合度较大,必须进行解耦控制,以提高系统的控制品质。

步骤c、设计液压驱动关节型足式机器人大腿和小腿关节间解耦控制方法:

在运动状态下,液压驱动关节型足式机器人大腿和小腿之间的耦合实际上是机、液共同作用的结果,根据所建立的耦合模型,利用雅可比矩阵变换将机器人系统的机构动力学耦合力分解到各关节液压缸,将机构的动力学耦合力作为电液伺服系统的外干扰力来进行控制,然后在对电液伺服系统进行解耦控制,以实现整个机器人系统的解耦控制。其控制的原理如附图2所示。

根据所建立的耦合模型,将m(y)、g(y)中主对角线的非耦合项去掉,可得到相应的耦合力为:

式中,为惯性矩阵,为重力项。

fd即为耦合力分解到各液压驱动系统上的干扰力。

因此,可进一步得到机器人大腿、小腿之间的耦合力为:

这样通过雅可比矩阵变换,将机器人各运动支链的机构动力学耦合力作为外干扰力转化到各关节液压缸,将控制变量从工作空间转化到关节空间,然后再对液压系统进行解耦控制,以实现整个机器人系统的解耦。

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