[发明专利]足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台及构建方法

说明书

本发明涉及一种足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台及构建方法。该构建方法包括：对足式机器人的腿部液压驱动系统的机械机构进行简化，得到腿部机械结构的运动学模型、静力学模型和逆动力学模型；确定各关节液压驱动单元伸出长度与转角之间的映射关系以及各关节驱动单元受力与转角转矩之间的映射关系；采用机理建模的方式构建液压驱动单元位置控制系统模型；确定腿部液压驱动系统基于位置的阻抗控制实现方法；构建液压驱动单元位置控制系统仿真平台；构建腿部液压驱动系统机械结构仿真平台；构建液压驱动型足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台。本发明可以提高模拟足式机器人腿部液压驱动系统运动的真实性。

技术领域

本发明涉及足式机器人仿真技术领域，特别是涉及一种足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台及构建方法。

背景技术

移动机器人主要包括轮式机器人、履带式机器人和足式机器人，与轮式机器人和履带式机器人相比，足式机器人对未知非结构环境的适应性更强，尤其与液压驱动结合后，给足式机器人带来了高响应速度和高功重比，使其具有广阔的应用前景。为避免足式机器人运动过程中的冲击和碰撞造成机器人的机械结构和所携带的电子设备损坏，往往需要机器人腿部具有一定的柔顺特性。阻抗控制是足式机器人常用的主动柔顺控制方法，可分为两种形式：基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制。与基于位置的阻抗控制相比，基于力的阻抗控制具有更快的响应速度和鲁棒性，但基于位置的阻抗控制比基于力的阻抗控制具有更高的精度，因此本发明主要针对液压驱动型足式机器人腿部基于位置的阻抗控制进行研究。

液压驱动型足式机器人腿部是一个复杂的系统，在实际应用中对其性能和可靠性的要求极高，因此需要对其进行反复的设计与优化。采用传统的设计制造方法：制造样机、试验分析及修改方案的研发模式研发周期长、成本高。虚拟仿真技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，结合成熟的计算机技术和基于图形的用户界面技术，提供了一种新的设计方法。利用系统仿真软件，对不同工况下的运动和受力进行了仿真分析，并对不同的设计方案进行了仿真和测试。整个系统可以不断改进，可以缩短开发周期，降低成本，提高产品质量。因此，这项技术一经出现，就引起了世界各国学者的关注，并将虚拟仿真技术引入到机器人研究中。

在采用仿真技术进行机器人研究的文献中，通常采用多软件协同仿真的方式进行研究，且大多只关注机器人机械结构固有特性或机器人控制系统某一方面的特性(如：机器人动力学分析、机器人运动学分析、机器人机械结构优化、机器人运动控制方法研究)。液压驱动型足式机器人腿部主要由控制系统、液压驱动系统和机械结构组成，如果采用多软件协同仿真的方式进行研究，由于仿真框架的不同，会出现操作复杂、兼容性差、运行速度慢等问题。液压驱动型足式机器人腿部的关节液压驱动器为一种高集成性阀控缸结构，该结构称为液压驱动单元，作为直接决定腿部运动性能的关键部分，液压驱动单元位置控制系统模型精度的好坏将直接决定着整体仿真平台的精度。虽然液压驱动引入给机器人腿部带来了高响应速度和高功重比，但也带来了高阶非线性、强耦合和参数时变性等诸多液压系统的共性问题。如何在搭建的仿真平台中，真实的模拟液压系统引入带来的共性问题，也成为当前急需解决的问题。

综上所述，如何在只使用一个软件的前提下，建立一个包含机械结构、液压驱动系统和控制系统的仿真平台，反映机械结构、液压驱动系统和控制系统之间的耦合关系，并能准确地反映液压系统引入带来的共性问题，更加真实的模拟足式机器人腿部液压驱动系统运动，为足式机器人腿部全面运动控制调试奠定基础，对缩短开发周期、降低研究成本具有重要的理论意义和实用价值。因此，在机器人仿真技术与运动控制领域，迫切需要一种应用于液压驱动型足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台。

发明内容

本发明的目的是提供一种足式机器人腿部基于位置的阻抗控制仿真平台及构建方法，以提高模拟足式机器人腿部液压驱动系统运动的真实性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：