仿生液压四足机器人电液伺服控制系统的设计与研究

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近年来,随着全球现代科技的推动和应用市场的牵引,机器人技术取得了长足的进步,尤其是各类军用机器人在国防领域和地缘战略中发挥着日益重要的作用。在我国广大西部地区,由于地形复杂、道路崎岖,传统的轮式或履带式机器人无法满足地形通过性要求,现实迫切需要人们研制一些地形适应性强、道路通过性好的特种足式机器人。与其他类型的足式机器人相比,仿生四足机器人能够较好地满足在非结构化地形条件下可靠行进的任务需求。液压驱动的仿生四足机器人是近年国内外的研究热点与主攻项目,在其关键技术群中,电液伺服控制技术则是保障仿生液压四足机器人实现稳定行进功能的核心技术。本文通过系统研究与深入探索,对仿生液压四足机器人的电液伺服控制系统的设计问题展开了相关研究,并取得一系列有益成果。本文以所在团队——北京理工大学特种机器人技术创新中心在研的一款仿生液压四足机器人为研究对象,采用理论探索—仿真分析—实验验证相结合的方法,使用Siemens公司开发的Virtual.Lab Motion、Imagine LabAMEsim和MathWorks公司开发的Simulink进行多平台联合仿真与建模实验,探寻能够保障仿生液压四足机器人稳定行进的电液伺服控制的特性问题与关键技术。在此基础上,本文结合仿生液压四足机器人的研发指标,设计了基于STM32F405/7的分布式电液伺服控制系统架构,该架构与仿生液压四足机器人高度对称的机械结构和复杂多变的控制任务相适应,由一个运动控制器和四个伺服控制器通过伺服总线连接组成。伺服总线基于双CAN总线设计,将控制指令总线和状态反馈总线独立分离,并基于CAN总线通讯协议设计了伺服指令。伺服控制器内使用了AD5724R和OPA547搭建数字控制的同相输入恒流源电路来驱动伺服阀。在控制算法方面,本文设计并完成了机器人运动学求解、关节空间到液压缸控空间的控制参量变换、五次样条曲线轨迹规划三个运动控制算法,以及针对电液伺服特性的非对称前馈补偿的模糊自适应PID控制算法。在前述工作的基础上,本文还以所在团队研制的仿生液压四足机器人物理样机为依托,进行了相关的性能验证实验,实验结果表明,本文设计的分布式电液伺服控制系统架构能按照预期目标可靠完成运动控制和伺服控制任务,且能够兼顾多通道运动控制的高实时性要求和单通道控制水平的高精度要求,控制效果相当出色。本文所编制的仿生液压四足机器人运动控制算法能够实现对机器人步态的平滑插值规划。实验的结果还表明,在本文建立的非对称前馈补偿的模糊自适应PID控制算法中,非对称前馈参数在改善对称性问题的同时,还帮助控制系统较好地抑制了速度误差。所做工作和所得结论证明,本文设计的仿生液压四足机器人电液伺服控制系统能够稳定、可靠、高效地完成预期的性能指标要求,达到预想的总体设计效果,为仿生液压四足机器人的后续研究与真正实用打下了坚实的基础。
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