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足式機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度理論/博士后文庫
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足式機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度理論/博士后文庫 版權信息
- ISBN：9787030723734
- 條形碼：9787030723734 ; 978-7-03-072373-4
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
足式機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度理論/博士后文庫 內容簡介
本書系統介紹兩種參數靈敏度理論，定量分析系統各類參數的變化對足式機器人腿部液壓驅動系統控制性能的影響程度，為足式機器人腿部驅動系統的結構優化和補償控制奠定基礎。全書共6章，第1章主要介紹足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的意義與發展現狀；第2章主要為足式機器人腿部液壓驅動系統機械結構與腿部關節液壓驅動單元數學建模、阻抗控制數學建模；第3章為液壓驅動系統參數靈敏度分析新方法，包含軌跡靈敏度理論基礎和矩陣靈敏度理論基礎；第4章為液壓驅動單元位置及力控制參數靈敏度動態分析與定量分析，以及對應的實驗研究；第5章為液壓驅動單元基于位置及力的阻抗控制靈敏度動態分析與定量分析，以及對應的實驗研究；第6章為總結與展望。 本書適合從事足式機器人腿部液壓驅動系統研究與開發的廣大科技工作者閱讀，還可作為講授機器人、流體傳動與控制、液壓驅動系統等相關課程教師的參考書。
足式機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度理論/博士后文庫 目錄
目錄
“博士后文庫”序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的意義 1
1.2 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的發展現狀 3
1.2.1 足式機器人腿部液壓驅動系統 3
1.2.2 參數靈敏度分析 6
第2章 腿部液壓驅動系統數學建模 8
2.1 腿部液壓驅動系統機械結構數學建模 8
2.1.1 運動學數學建！8
2.1.2 靜力學數學建！12
2.1.3 動力學數學建！17
2.2 腿部關節液壓驅動單元數學建模 21
2.2.1 位置控制系統機理建模 21
2.2.2 力控制系統機理建模 24
2.3 腿部液壓驅動系統阻抗控制數學建模 26
2.3.1 阻抗控制基本原理 26
2.3.2 液壓驅動單元基于位置的阻抗控制實現方法 27
2.3.3 液壓驅動單元基于力的阻抗控制實現方法 31
2.4 腿部液壓驅動系統阻抗控制仿真建！36
2.4.1 基于位置的阻抗控制仿真建！36
2.4.2 基于力的阻抗控制仿真建！40
2.4.3 其他模塊 43
2.5 實驗研究 47
2.5.1 相關實驗測試平臺簡介 47
2.5.2 實驗方案 53
2.5.3 基于位置及力的阻抗控制方法仿真與實驗研究 54
2.6 本章小結 60
第3章 液壓驅動系統參數靈敏度分析新方法 62
3.1 軌跡靈敏度理論基礎 62
3.1.1 一階軌跡靈敏度方程組 62
3.1.2 二階軌跡靈敏度方程組 64
3.1.3 二階軌跡靈敏度方程組簡化 67
3.1.4 系統二階泰勒級數展開 68
3.2 矩陣靈敏度理論基礎 70
3.2.1 一階矩陣靈敏度方程組 70
3.2.2 二階矩陣靈敏度方程組 73
3.3 本章小結 75
第4章 液壓驅動單元位置及力控制參數靈敏度分析 76
4.1 位置控制靈敏度動態分析 76
4.1.1 系統仿真工況與參數選取 76
4.1.2 一階軌跡靈敏度函數 79
4.1.3 二階軌跡靈敏度函數 81
4.1.4 二階泰勒級數展開項所占比例 84
4.1.5 一階靈敏度矩陣 101
4.2 位置控制靈敏度定量分析 103
4.2.1 靈敏度指標 103
4.2.2 空載一階靈敏度分析 104
4.2.3 加載一階靈敏度分析 108
4.2.4 空載二階靈敏度分析 113
4.2.5 加載二階靈敏度分析 117
4.3 位置控制靈敏度實驗研究 119
4.4 力控制靈敏度動態分析 124
4.4.1 系統仿真工況與參數選取 124
4.4.2 一階靈敏度矩陣 128
4.4.3 各工況下參數變化對力控性能影響 131
4.5 力控制靈敏度定量分析 133
4.5.1 靈敏度指標 133
4.5.2 靈敏度柱形圖 133
4.5.3 正交分析 137
4.6 力控制靈敏度實驗研究 138
4.7 本章小結 141
第5章 腿部液壓驅動系統阻抗控制參數靈敏度分析 142
5.1 基于位置的阻抗控制靈敏度動態分析 142
5.1.1 系統仿真工況與參數選取 142
5.1.2 各參數不同變化量對阻抗實際位置的影響 142
5.1.3 不同工況下各參數同一變化量對阻抗實際位置的影響 145
5.2 基于力的阻抗控制靈敏度動態分析 147
5.2.1 系統仿真工況與參數選取 147
5.2.2 各參數不同變化量對阻抗實際位置的影響 148
5.2.3 不同工況下各參數同一變化量對阻抗實際位置的影響 150
5.3 基于位置的阻抗控制靈敏度定量分析 152
5.3.1 靈敏度指標 152
5.3.2 同一工況下一階與二階矩陣靈敏度對比分析 154
5.3.3 不同工況下二階矩陣靈敏度對比分析 156
5.4 基于力的阻抗控制靈敏度定量分析 162
5.4.1 同一工況下一階與二階矩陣靈敏度對比分析 162
5.4.2 不同工況下二階矩陣靈敏度對比分析 164
5.5 阻抗控制靈敏度實驗研究 170
5.5.1 實驗方案 170
5.5.2 同一工況下各主要參數靈敏度實驗結果 170
5.5.3 不同工況下各主要參數靈敏度實驗結果 173
5.6 本章小結 184
第6章 總結與展望 185
6.1 總結 185
6.2 展望 186
參考文獻 188
編后記 192
“博士后文庫”序言
前言
第1章 緒論 1
1.1 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的意義 1
1.2 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的發展現狀 3
1.2.1 足式機器人腿部液壓驅動系統 3
1.2.2 參數靈敏度分析 6
第2章 腿部液壓驅動系統數學建模 8
2.1 腿部液壓驅動系統機械結構數學建模 8
2.1.1 運動學數學建！8
2.1.2 靜力學數學建！12
2.1.3 動力學數學建！17
2.2 腿部關節液壓驅動單元數學建模 21
2.2.1 位置控制系統機理建模 21
2.2.2 力控制系統機理建模 24
2.3 腿部液壓驅動系統阻抗控制數學建模 26
2.3.1 阻抗控制基本原理 26
2.3.2 液壓驅動單元基于位置的阻抗控制實現方法 27
2.3.3 液壓驅動單元基于力的阻抗控制實現方法 31
2.4 腿部液壓驅動系統阻抗控制仿真建！36
2.4.1 基于位置的阻抗控制仿真建！36
2.4.2 基于力的阻抗控制仿真建！40
2.4.3 其他模塊 43
2.5 實驗研究 47
2.5.1 相關實驗測試平臺簡介 47
2.5.2 實驗方案 53
2.5.3 基于位置及力的阻抗控制方法仿真與實驗研究 54
2.6 本章小結 60
第3章 液壓驅動系統參數靈敏度分析新方法 62
3.1 軌跡靈敏度理論基礎 62
3.1.1 一階軌跡靈敏度方程組 62
3.1.2 二階軌跡靈敏度方程組 64
3.1.3 二階軌跡靈敏度方程組簡化 67
3.1.4 系統二階泰勒級數展開 68
3.2 矩陣靈敏度理論基礎 70
3.2.1 一階矩陣靈敏度方程組 70
3.2.2 二階矩陣靈敏度方程組 73
3.3 本章小結 75
第4章 液壓驅動單元位置及力控制參數靈敏度分析 76
4.1 位置控制靈敏度動態分析 76
4.1.1 系統仿真工況與參數選取 76
4.1.2 一階軌跡靈敏度函數 79
4.1.3 二階軌跡靈敏度函數 81
4.1.4 二階泰勒級數展開項所占比例 84
4.1.5 一階靈敏度矩陣 101
4.2 位置控制靈敏度定量分析 103
4.2.1 靈敏度指標 103
4.2.2 空載一階靈敏度分析 104
4.2.3 加載一階靈敏度分析 108
4.2.4 空載二階靈敏度分析 113
4.2.5 加載二階靈敏度分析 117
4.3 位置控制靈敏度實驗研究 119
4.4 力控制靈敏度動態分析 124
4.4.1 系統仿真工況與參數選取 124
4.4.2 一階靈敏度矩陣 128
4.4.3 各工況下參數變化對力控性能影響 131
4.5 力控制靈敏度定量分析 133
4.5.1 靈敏度指標 133
4.5.2 靈敏度柱形圖 133
4.5.3 正交分析 137
4.6 力控制靈敏度實驗研究 138
4.7 本章小結 141
第5章 腿部液壓驅動系統阻抗控制參數靈敏度分析 142
5.1 基于位置的阻抗控制靈敏度動態分析 142
5.1.1 系統仿真工況與參數選取 142
5.1.2 各參數不同變化量對阻抗實際位置的影響 142
5.1.3 不同工況下各參數同一變化量對阻抗實際位置的影響 145
5.2 基于力的阻抗控制靈敏度動態分析 147
5.2.1 系統仿真工況與參數選取 147
5.2.2 各參數不同變化量對阻抗實際位置的影響 148
5.2.3 不同工況下各參數同一變化量對阻抗實際位置的影響 150
5.3 基于位置的阻抗控制靈敏度定量分析 152
5.3.1 靈敏度指標 152
5.3.2 同一工況下一階與二階矩陣靈敏度對比分析 154
5.3.3 不同工況下二階矩陣靈敏度對比分析 156
5.4 基于力的阻抗控制靈敏度定量分析 162
5.4.1 同一工況下一階與二階矩陣靈敏度對比分析 162
5.4.2 不同工況下二階矩陣靈敏度對比分析 164
5.5 阻抗控制靈敏度實驗研究 170
5.5.1 實驗方案 170
5.5.2 同一工況下各主要參數靈敏度實驗結果 170
5.5.3 不同工況下各主要參數靈敏度實驗結果 173
5.6 本章小結 184
第6章 總結與展望 185
6.1 總結 185
6.2 展望 186
參考文獻 188
編后記 192
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足式機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度理論/博士后文庫 節選
第1章 緒論 1.1 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的意義 液壓足式機器人具有足式機器人和液壓驅動的雙重優勢，如環境適應性高、承載能力強等，在勘探、運輸和救援等軍民領域具有廣闊的應用前景，近年來始終屬于機器人領域的研究熱點方向之一。美國等國家已將高性能液壓四足機器人列為陸軍未來的戰場裝備。我國同樣高度重視足式仿生機器人的研究。《中國制造2025》、《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020)》和國家高技術研究發展計劃(863計劃)先進制造技術領域發展戰略目標中明確指出要重視足式機器人的研究，并于2010年將“高性能四足仿生機器人”列入863計劃主題項目指南。2016年，科技部發布《“十三五”國家科技創新規劃》，明確將發展智能綠色服務制造技術-智能機器人列為重點研究領域，并于2017年發布國家重點研發計劃“智能機器人”等重點專項。2018年12月和2020年3月，科技部再次分別發布“智能機器人”重點專項2019年度、2020年度項目申報指南。2020年10月，國家公布“十四五”規劃建議，其中重點提到的“高端裝備制造”和“人工智能”等領域都涉及足式機器人的相關研究。2019年底，《科技日報》總結了“卡中國脖子的35項關鍵技術”，其中第16項標題為“算法不精，國產工業機器人有點笨”，文中提到機器人核心控制算法被國外知名研究機構“卡脖子”。 近年來，以美國波士頓動力公司為代表的國外知名研究機構相繼發布了多款高性能的液壓驅動型足式機器人，如BigDog、Atlas、LS3和HyQ等。因國內相關研究團隊起步較晚、核心技術受到壟斷等因素，該類機器人雖在國家大力資助下經歷多個研究團隊多代樣機研制，但性能始終距離國外知名研究機構有較大差距，并且近年來差距還有越拉越大的趨勢。因此，如何能夠研制出該類具有獨立自主知識產權的高性能機器人，在國內樹立標桿并對標國際前沿，從而擺脫國外同類產品技術壟斷的陰霾，在該領域已成為國家層面的重要需求和“卡脖子”問題。 該類機器人的運動性能由每條腿的控制性能決定，并且地面環境結構的負載特性也均作用于機器人各腿部足端，當各運動部件與未知的高剛度環境(地面、障礙物等)發生接觸時，若不能保證機器人每條腿均具備一定的柔順性，則難以緩解沖擊，不僅有可能造成機身及其附帶的電子設備損壞，而且會極大地影響機器人整機的控制性能。因此，每條腿均能實現有效的柔順控制是機器人整機步態控制的重要構成部分，而阻抗控制是現今*常用的柔順控制方法。國內外現有的阻抗控制方法及其相應的優化控制方法，一般多針對阻抗控制外環，由于液壓驅動型足式機器人采用液壓驅動系統作為控制內環，所以該系統存在強非線性、參數時變性等諸多干擾因素。同時，加入不同阻抗控制方法后的腿部液壓驅動系統，所呈現的動態柔順性與負載特性的耦合關系直接影響著阻抗控制性能。因此，有必要研究該類機器人腿部液壓驅動系統中各參數對系統性能的影響程度。 靈敏度分析是一種可以分析系統各參數變化對系統特性影響程度大小的有效方法，特別是對非線性系統同樣適用。采用靈敏度分析可以定量地掌握系統各類參數的變化對腿部液壓驅動系統控制性能的影響程度，這是機器人腿部結構優化和各類補償控制的基礎。液壓驅動系統固有的復雜性、非線性、參數時變性及控制難題，是靈敏度分析應用的瓶頸。其中，液壓驅動系統的非線性因素主要包括伺服閥的壓力-流量非線性、飽和非線性、死區非線性、滯環非線性及伺服缸的摩擦非線性等；參數時變性則主要是由工作參數的波動、干擾的動態影響、溫度等環境條件的改變、元器件的磨損和老化等一系列原因引起的。為便于計算和分析，經典控制理論將液壓控制系統模型簡化為一個線性定常的微分方程組來描述。在這個方程組中，與液壓驅動系統性能相關的液壓缸工作面積、液壓缸工作行程、液壓缸泄漏系數、液壓缸活塞初始位移、液壓油有效體積模量、系統工作壓力、液壓缸兩腔壓力、伺服閥的固有頻率、阻尼比、流量系數、伺服閥的壓力-流量系數、外負載力和摩擦力等一系列參量均為液壓驅動系統的參數。由于生產過程中有制造容差、測量時有測量誤差、液壓元件及材料的老化、液壓驅動系統的工作環境及運行條件與理想條件不一致，以及液壓驅動系統的工作參數動態變化等一系列無法預測的因素，這些參數的不確定性將導致液壓驅動系統的實際工作性能不會與理想工作性能完全一致，這些都涉及了液壓驅動系統的參數靈敏度問題。依據靈敏度分析理論，可將影響液壓驅動系統性能的參數靈敏度問題分為以下四種： (1)如液壓缸工作面積、液壓缸工作行程、系統工作壓力、液壓油有效體積模量和液壓缸泄漏系數等參數，其實際值偏離設計值而造成的系統性能改變不會引起液壓驅動系統特性的質變，即參數值的攝動不會導致系統模型階次的變化，稱為參數靈敏度問題。 (2)如液壓缸活塞初始位移、初始速度、初始加速度、兩腔的初始壓力等參數的實際值為液壓驅動系統工作的初始值，若這些參數發生攝動，則可以認為是液壓驅動系統初始條件發生了變化，從而影響液壓驅動系統的動態性能，稱為參數靈敏度問題。 (3)如伺服閥傳遞函數特征方程涉及的高階項系數，是將伺服閥由原始的含非線性因素的高階微分方程簡化后得到的參數，以便于系統的整體建模和計算，這種人為將系統中某些高階次項的系數由非零值取為零所導致的參數改變，會影響液壓驅動系統整體階次，進而引起系統結構的改變，稱為參數靈敏度問題。 (4)如外負載力、摩擦力等液壓驅動系統的外干擾信號，可認為是系統的外介質參數，液壓驅動系統具有抗干擾作用能力的參數靈敏度問題，稱為系統對環境改變的參數靈敏度問題。 可見，影響液壓驅動系統的參數很多，為了有效設計計算和調試系統，需要了解眾多參數中哪些對系統動態性能影響較大，哪些由于對系統動態性能影響較小而可忽略不計，這就是液壓驅動系統靈敏度分析所要解決的問題。另外，若已經基于*優控制理論或其他有效的控制理論完成了液壓驅動系統的設計和調試，則液壓驅動系統在某種工況下性能*優，而液壓驅動系統的以上參數存在攝動情況，其所具有的*優性能是否會受到影響，如何去補償這些影響以保證液壓驅動系統的性能全局*優，從而有效提高系統的穩健性，使其特性受各種參數攝動及非結構不確定性的影響很小，也是液壓驅動系統靈敏度分析所要解決的問題。機器人腿部液壓驅動系統參數靈敏度問題的成功剖析，將有助于該類機器人整體性能的提升，加速我國在該類機器人領域的研制進程，同時將促進高性能液壓驅動技術在其他領域機器人中的有效應用。 1.2 足式機器人腿部液壓驅動系統靈敏度分析的發展現狀 1.2.1 足式機器人腿部液壓驅動系統 美國波士頓動力公司從1976年開始研制單足跳躍機器人，自此液壓足式機器人[1-4]的相關研究成為機器人領域的熱點。2005年，液壓四足機器人BigDog橫空出世[5-7]，此后包括重型四足機器人LS3、運動*快的四足機器人WildCat[8，9]、具有較高商業價值的四足機器人Spot和液壓雙足機器人Atlas等相繼被研發。除了美國波士頓動力公司，國外許多知名研究機構也在進行著該類機器人的研發，如美國麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology， MIT)研制的四足機器人Cheetah系列、意大利技術研究院(Italian Institute of Technology， IIT)研制的四足機器人HyQ系列[10-18]。國外知名研究機構部分具有代表性的液壓足式機器人如圖1.1所示。 近年來，我國也非常重視該類機器人的研發。從2010年至今，山東大學(Shandong University， SDU)、哈爾濱工業大學(Harbin Institute of Technology， HIT)、上海交通大學(Shanghai Jiao Tong University， SJTU)、北京理工大學(Beijing Institute of Technology， BIT)、國防科技大學(National University of Defense Technology， NUDT)、合肥工業大學(Hefei University of Technology， HFUT)、東南大學(Southeast University， SEU)和燕山大學(Yanshan University， YSU)等高校和企業均研發了足式機器人樣機[19-24]，如圖1.2所示。 從現已公布的整機結構和運動視頻來看，因國內相關科研團隊起步較晚、核心技術受到壟斷等，足式機器人產品性能與國外知名研究機構相比差距較大，且差距有進一步拉大的趨勢，相關核心技術被“卡脖子”。因此，亟須從結構設計與控制算法兩方面著手，從小至腿部關節大至整機的各部分進行研究。腿部作為足式機器人的關鍵部件，其重量與性能直接決定整機的運動控制，近年來得到了國內外諸多學者的研究。 在國外方面，由意大利IIT研制的HyQ**代單腿系統共有2個縱擺自由度，大腿與小腿關節均由液壓缸驅動，而此后研制的HyQReal機器人進一步改進使單腿質量達到8.94kg。蘇黎世聯邦理工學院(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)的機器人系統實驗室在2010年設計了單腿跳躍機器人StarlETH，其驅動電機均位于髖關節處，電機通過鏈條將動力傳遞到膝關節處，單腿質量為3.082kg。由美國波士頓動力公司開發的BigDog系列四足機器人腿部結構具有2自由度縱擺與3自由度縱擺兩種形式，其中3自由度單腿重量約為12kg。此外，MIT機器人完全仿照真實動物骨骼和肌肉結構進行設計，腿部采用3自由度進行設計，同時腿部采用了泡沫芯的復合材料，大幅度降低了腿部慣量。 在國內方面，北京理工大學于2017年設計了Sugoi-NecoLeg小型單腿結構；山東大學于2018年設計了一款3自由度的仿獵豹單腿系統；西安交通大學于2019年設計了一款液壓四足機器人單腿系統；近年來，哈爾濱工業大學、燕山大學、中國航天科技集團等眾多高校和企業也都搭建了單腿實驗平臺。國內外部分液壓足式機器人的腿部結構如圖1.3所示。 圖1.3 國內外部分液壓足式機器人的腿部結構 從國內外發展現狀來看，如今主流的腿部設計均以2自由度縱擺或3自由度縱擺為主。其中，2自由度縱擺由于少1個冗余自由度而便于控制，在電機驅動以及整機負載需求較小的足式機器人中有所應用；3自由度縱擺腿部結構運動空間范圍更大，可承受負載更大，并且更接近大型動物仿生結構，適合在有更大負載和運動范圍需求的足式機器人上應用。在單腿結構設計上，國內外腿部結構整體呈各有特色的“并跑”狀態，雖然在結構實現方式上有很大不同，但都在一體化、輕量化和仿生設計上有所發展。 1.2.2 參數靈敏度分析 參數靈敏度分析首先應用在數學領域，主要用于分析參數變化引起的微分方程解的變化。具體分析方法是，將微分方程組的特征值、特征向量作為含有參數的多元函數，直接用來對參數進行微分運算。由于現代控制理論的發展需要，在諸多控制領域中引入參數靈敏度分析，研究外干擾對系統性能的影響，取得了很好的分析效果。 參數靈敏度分析的兩種*基本方法是直接求導法和有限差分法。直接求導法作為參數靈敏度分析中*為常用的方法，定義靈敏度為性能表征量對參數的導數，該方法易于理解、思路簡明、分析精度高，在動力學性能靈敏度分析方面已有頗多研究。然而只有當系統性能函數具有顯式表達式時，直接求導法才易于使用，并且要求其對參數是可導的。而在實際工程問題中，其往往是隱式表達式，直接對參數求導較為困難，甚至對參數不可導，這樣大大增加了使用直接求導法進行參數靈敏度分析的難度。有限差分法可以有效解決這一難題，該方法的大致思路是用差商代替參數的求導過程，將參數值進行微小變化，得到參數變化前后性能值的變化量，之后用性能值的變化量除以參數
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