机器人腿部液压驱动系统基于阻抗新构型的接触力控制

The motion control performance of hydraulic driven legged robot is determined by the control performance of each leg. If each leg of the robot does not have a certain degree of compliance to hold the contact force, the overall performance of the robot would be affected. Contact force control is an effective method that can meet the above requirements. It combines the hydraulic control inner loop as the core and the impedance control outer loop to control the contact force. The commonly used hydraulic control inner loop has two structures: position-based and force-based, which have different dynamic compliance. Combined with the impedance control outer loop, the dynamic compliance of the two impedance control methods directly affects the contact force control performance. In this project, the following four aspects of research will be done, the mathematical modeling of impedance control, the sensitivity analysis and dynamic compliance analysis of impedance control, the control principle of novel impedance structure and the contact force control are studied. The dynamic compliance series-parallel relationship of the two impedance control methods is revealed. Advantages of each method in control accuracy and response speed are promoted, and different inner loop control modes are selected in each joint of the leg. The research breaks through the traditional idea that each joint only adopts the same control mode in the inner loop. Therefore, the control principle of novel impedance structure is proposed, and a high precision contact force controller of leg is designed on this basis. The above lays a foundation for the motion control of the whole robot.

液压驱动型足式机器人的运动性能由每条腿的控制性能决定，若不能使机器人每条腿均具备一定的柔顺性并保持接触力平稳，将影响机器人整机运动控制性能。接触力控制是可以实现上述需求的一种有效控制方法，它是以液压控制内环为核心，并加入阻抗控制外环，综合实现接触力控制。常用的液压控制内环有位置和力两种方式，它们具有明显不同的动态柔顺性，加入阻抗控制外环后，两种阻抗控制方法呈现的动态柔顺性直接影响接触力控制性能。本项目将通过阻抗控制数学建模、阻抗控制灵敏度分析与动态柔顺性分析、阻抗新构型控制原理、接触力控制等四方面研究，揭示两种阻抗控制方法的动态柔顺性串并联构成关系，发挥各方法在控制精度和响应速度等方面的优势，在腿部各关节中优选不同内环核心控制方式，打破各关节仅采取同一种内环核心控制方式的传统观念，提出一种腿部多关节阻抗新构型控制原理，并在此基础上设计腿部高精度接触力控制器，为机器人整机运动控制奠定基础。

液压驱动型足式机器人的运动性能由每条腿的控制性能决定，若不能使机器人每条腿均具备一定的柔顺性并保持接触力平稳，将影响机器人整机运动控制性能。接触力控制是可以实现上述需求的一种有效控制方法，它是以液压控制内环为核心，并加入阻抗控制外环，综合实现接触力控制。而传统的接触力控制方法仅在轻负载、小惯量的应用场景下(如小型电机驱动足式机器人)有较高的控制效果。本项目针对传统接触力控制方法在液压驱动型足式机器人应用效果差的困境，创新提出一种腿部多关节阻抗新构型控制架构，并在此基础上设计腿部高精度接触力控制器，大幅提高了腿部力控制性能，为机器人整机运动控制奠定基础。项目研究过程中，严格按照任务书确定的各阶段工作任务进行开展，在各项任务顺利完成各项预定任务的基础上超额完成了部分其他工作。主要研究工作如下：第一，得到了基于参数灵敏度理论优化和实验修正的足式机器人腿部液压驱动系统数学模型及协同仿真平台；第二，提出了适用于串联多自由度腿部阻抗新构型控制架构；第三，提出了基于阻抗新构型的腿部足端接触力控制方法；第四，提出了机器人腿部机械结构运动学，静力学及动力学高精度修正算法；第五，提出了机器人腿部一维力传感器创新修正方法。项目执行期间，上述相关技术已直接应用于十余家企业、事业单位与高校的机器人或液压执行器产品，近三年创造经济效益1.26亿元。近三年，项目负责人主编学术专著1本(科学出版社)；以第一作者或通讯作者发表本项目相关学术论文13篇，含SCI论文11篇，ESI高被引论文1篇；申请发明专利18项，其中已授权9项，已转化4项。依靠本项目资助，项目负责人破格获聘教授职称、博士生导师，获得第五届中国科协“青年人才托举工程”、河北省优青、河北省青拔等人才称号。培养博士研究生毕业1名，硕士研究生毕业8名，上述人员均获得研究生国家奖学金。作为指导教师，带队获得“互联网+”在内的大型科创竞赛国家/省部奖励十余项。