一種液壓驅動關節型足式機器人關節間解耦控制方法與流程
2024-03-02 09:41:15 1
本發明涉及液壓驅動關節式機器人控制技術領域，尤其涉及一種液壓驅動關節式機器人關節間解耦控制方法。
背景技術：
液壓驅動關節型足式機器人每條腿是一個多關節多自由度的串聯機構，腿部系統具有非線性和強耦合性，耦合不僅存在於腿部機構各運動支鏈間的多自由度運動耦合，還存在於各關節的液壓驅動機構，因此，液壓四足機器人各關節之間的耦合是機、液共同作用的結果。這種由機械結構和液壓驅動多個變量共同產生的關節之間的耦合作用，使得系統控制變得十分複雜。在機器人實際運動過程中，要想對其中的一個關節進行控制，需要將腿部的其他所有關節都鎖定，一旦這些關節被解除鎖定，各關節間就存在著交連耦合影響，因此，在機器人正常運動過程中，每一個關節的運動都會受到其他關節的耦合影響。這給液壓四足機器人多關節間協調運動控制帶來了很大的困難，因而，降低液壓四足機器人關節間的交連耦合影響，對機器人各個關節進行解耦控制變得十分必要。
技術實現要素：
一種液壓驅動關節型足式機器人關節間解耦控制方法
液壓驅動關節型足式機器人關節間解耦控制方法按以下步驟實現：
步驟a、建立關節間交聯耦合模型：
本申請將機、液共同耦合作為液壓驅動關節型足式機器人的耦合行為進行研究，基於對液壓驅動關節型足式機器人的腿部機械結構和液壓伺服驅動系統的分析，根據機構動力學和液壓控制原理，分別建立機器人腿部機構的動力學模型和腿部液壓伺服驅動系統的模型，最終建立液壓驅動關節型足式機器人關節間的耦合模型，為機器人的解耦控制提供依據。
由於在運動過程中，液壓驅動關節型足式機器人各關節的運動均屬於低速運動，因此，關節間的運動受哥氏力和向心力的影響較小，可忽略不計，但受慣性力和重力的影響較大，為了便於分析和解決問題，需要抓住問題的主要矛盾，故只考慮慣性力和重力的影響，忽略哥氏力和向心力的影響，這樣，液壓驅動關節型足式機器人腿部動力學模型變為如下形式：
於是，任意兩個關節的出力與液壓缸位移之間的動力學關係如下：
式中，為慣性矩陣，為重力項。
對上式進行拉氏變換，可得耦合關係式如下：
由式中可以看出，液壓驅動關節型足式機器人任意兩個關節之間都存在明顯的耦合。
於是，將動力學模型帶入到液壓系統模型，便可得到整個控制系統的模型如下：
式中，主對角線元素乘積分別表示單個關節的傳遞函數，而非對角線項即為關節間的耦合項。
步驟b、計算腿部關節各支路的耦合度：
設有n個輸入、n個輸出的耦合對象為：
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)為對象的輸入，y(s)為對象的輸出，c(s)為耦合對象矩陣。
將對象c(s)劃分成四個部分，得到：
式中：
其中，c11(s)為[y1(s)r1(s)]的控制支路。
設k為c(s)的靜態增益矩陣，即：
則[y1(s)r1(s)]支路的耦合度定義為：
同理，[yi(s)rj(s)]支路的耦合度定義為：
式中，為矩陣k的第i行向量划去kij後按原順序排列的行向量；為矩陣k的第j列向量划去kij後按原順序排列的列向量；kp為矩陣k划去第i行與第j列後剩下的元素按原順序排列的矩陣。
所有配對支路耦合度的總和即為系統的耦合度，則系統的耦合度為：
η＝σpij
求取了各支路的耦合度，就可以了解系統的耦合特性，根據其耦合特性來判斷系統是否需要進行解耦。耦合度所反映的耦合特性可概括如下：
當pij＝0時，無耦合，不必採用解耦措施；
當pij＞0時，存在耦合，耦合減弱了該通道的控制作用，這時採取解耦措施是必要的；
當pij＝∞時，超強耦合，系統不能正常運行。
步驟c、設計液壓驅動關節型足式機器人關節間解耦控制方法：
在運動狀態下，液壓驅動關節型足式機器人各關節之間的耦合實際上是機、液共同作用的結果，根據所建立的耦合模型，本申請通過雅可比矩陣變換，將機器人系統的機構動力學耦合力分解到各關節液壓缸，將機構的動力學耦合力作為液壓系統的外幹擾力，然後再對電液伺服系統進行解耦控制，以便降低整個機器人系統的交聯耦合影響。
根據液壓驅動關節型足式機器人腿部存在耦合的動力學模型，將m(y)、g(y)中主對角線的非耦合項去掉，則可得到相應的耦合力為：
式中，為慣性矩陣，為重力項。
fd即為耦合力分解到各液壓驅動系統上的幹擾力。
這樣通過雅可比矩陣變換，將機器人各運動支鏈的機構動力學耦合力作為外幹擾力轉化到各關節液壓缸，將控制變量從工作空間轉化到關節空間，然後再對液壓系統進行解耦控制，以實現整個機器人系統的解耦。
發明效果：
本發明針對液壓驅動關節型足式機器人腿部各關節間存在的交聯耦合問題，將機、液共同耦合作為液壓驅動關節型足式機器人耦合行為進行研究，建立機器人關節間的耦合模型；計算腿部關節各支路的耦合度，闡述液壓驅動關節型足式機器人解耦控制的必要性；研究液壓驅動關節型足式機器人關節間的耦合特性，通過雅可比矩陣變換將機器人系統的機構動力學耦合力作為液壓系統的外幹擾力來進行控制，實現液壓驅動關節型足式機器人腿部各關節間的解耦控制，提高機器人的控制精度，保持系統具有良好的控制性能，推動液壓四足機器人動態性能和自動化水平的提升。
附圖說明
圖1是大小腿關節耦合關係原理框圖；
圖2是液壓驅動關節型足式機器人腿部各關節間解耦控制方案圖；
具體實施方式
以下結合實施例及附圖對本發明作進一步地詳細說明，但本發明的具體實施方式不限於此。
實施例：液壓驅動關節型足式機器人大小腿關節間解耦控制問題
步驟a、建立大腿和小腿關節間交聯耦合模型：
本申請將機、液共同耦合作為液壓驅動關節型足式機器人的耦合行為進行研究，基於對液壓驅動關節型足式機器人的腿部機械結構和液壓伺服驅動系統的分析，根據機構動力學和液壓控制原理，分別建立機器人腿部機構的動力學模型和腿部液壓伺服驅動系統的模型，最終建立機器人大腿和小腿兩個關節的耦合模型，為機器人的解耦控制提供依據，其耦合關係的原理框圖如附圖1所示。
附圖1中，u2為大腿關節伺服閥輸入電壓；u3為小腿關節伺服閥輸入電壓；y2為大腿關節的輸出位移；y3為小腿關節的輸出位移。
從附圖1可以看出，大腿關節的輸出y2受到小腿關節的輸出y3的影響，而小腿關節的輸出y3同樣受到大腿關節的輸出y2的影響，因此，液壓四足機器人大腿關節和小腿關節之間存在明顯的耦合，而且，從耦合關係上看，兩關節之間的耦合影響不僅與機構動力學參數有關，還與液壓系統參數有關。
步驟b、計算腿部關節各支路的耦合度：
為了了解系統的耦合特性，需要計算各支路的耦合度，根據耦合度的大小來判斷系統是否需要進行解耦。
根據步驟a可得出液壓驅動關節型足式機器人腿部大小腿的耦合對象為：
則靜態增益矩陣k為：
那麼，經過計算得到耦合度矩陣p為：
由上述耦合度矩陣可知，該機器人腿部系統採用的是[y2(s)u2(s)]、[y3(s)u3(s)]的配對方式，與實際機器人大小腿的運動相符，系統的耦合度為η＝p11+p22＝1.28，耦合度較大，必須進行解耦控制，以提高系統的控制品質。
步驟c、設計液壓驅動關節型足式機器人大腿和小腿關節間解耦控制方法：
在運動狀態下，液壓驅動關節型足式機器人大腿和小腿之間的耦合實際上是機、液共同作用的結果，根據所建立的耦合模型，利用雅可比矩陣變換將機器人系統的機構動力學耦合力分解到各關節液壓缸，將機構的動力學耦合力作為電液伺服系統的外幹擾力來進行控制，然後在對電液伺服系統進行解耦控制，以實現整個機器人系統的解耦控制。其控制的原理如附圖2所示。
根據所建立的耦合模型，將m(y)、g(y)中主對角線的非耦合項去掉，可得到相應的耦合力為：
式中，為慣性矩陣，為重力項。
fd即為耦合力分解到各液壓驅動系統上的幹擾力。
因此，可進一步得到機器人大腿、小腿之間的耦合力為：
這樣通過雅可比矩陣變換，將機器人各運動支鏈的機構動力學耦合力作為外幹擾力轉化到各關節液壓缸，將控制變量從工作空間轉化到關節空間，然後再對液壓系統進行解耦控制，以實現整個機器人系統的解耦。