液压驱动单元(Hydraulic drive unit,HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器,具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后,需依靠其完成具体动作,实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化,严重影响系统性能。若HDU具备高性能基于力的阻抗控制,则可有效减小机器人在运动过程中足地接触时的碰撞力,保证机器人运动的平稳性。为提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力,研究一种前馈抗扰控制(Feedforward disturbance rejection control,FDRC)。介绍HDU基于力的阻抗控制系统及其数学模型,推导其非线性状态空间表达式。针对系统的外扰动推导等价输入矩阵,设计前馈抗扰控制器,并估算伺服阀流量系数。利用HDU性能测试试验台,针对不同工况和典型信号进行试验。试验结果表明,FDRC可大幅提高HDU基于力的

足式机器人以自然界亿万年进化而成的哺乳动物、足式爬行动物或昆虫等足式生物为仿生原型,兼具足式生物肢体运动的灵活性和野外多种复杂地形的适应性,特别是与具备高功重比和快速响应能力优势的液压驱动相结合,大幅提升其运动性能和负重能力。首先,介绍足式机器人应用背景及其液压驱动基本原理,分析液压驱动在足式机器人设计与控制中的重要作用,列举现已公开的国内外多种形式液压足式机器人。其次,阐述近年来国内外研究机构针对足式机器人液压驱动单元、液压动力单元和液压控制方法三方面关键技术,取得的研究进展和研究成果。最后,从与仿生学深入融合的角度,提出了液压足式机器人腿部“肌骨”一体化仿生设计、机身“内脏”紧凑式仿生排布与控制“神经”多层级仿生融合的前沿发展趋势。

基于机理建模方法建立了液压驱动单元位置控制系统数学模型,针对不同环境结构下负载刚度和负载阻尼的动态变化特性,把位置控制环作为控制器内环,推导了一种变刚度和变阻尼负载特性的模拟方法。建立了负载特性模拟方法的仿真模型,并在液压驱动单元性能测试平台上进行了模拟方法的实验测试,研究了斜坡阶跃负载力和正弦负载力下变刚度和变阻尼负载特性的模拟效果。研究结果表明设计的模拟方法能够较好地模拟环境刚度参数变化、阻尼参数变化,以及刚度参数和阻尼参数同时变化时的负载特性。

针对液压驱动舰船稳定平台样机的运动控制要求,提出了一种基于速度前馈结构的复合内模控制方案。以舰船稳定平台的单通道液压驱动单元为研究对象,采用机理建模和参数辨识相结合的方法得到了控制对象的数学模型,在模型的基础上完成了基于速度前馈结构内模复合控制器的设计,并对提出的控制方法进行了仿真和实验研究。仿真和实验研究结果表明基于速度前馈结构的复合内模控制可以改善系统的跟踪性能,提高系统的抗干扰性和鲁棒性。

高性能四足仿生机器人的设计要求驱动其关节运动的液压驱动单元具有良好的动态特性,但由于液压驱动单元工作参数摄动和其固有的复杂非线性,使得多数情况下液压驱动单元的控制性能受到制约。采用机理建模方法,针对四足机器人采用的一种对称阀控制对称缸的液压驱动单元结构,综合考虑控制器饱和特性、伺服阀压力-流量非线性、伺服缸活塞初始位置变化、库伦摩擦非线性等因素的影响,建立了液压驱动单元非线性数学模型,给出了其液压固有频率和阻尼比表达式;运用Matlab/Simulink软件系统搭建了其非线性仿真模型,在相同工况下,分析了不同控制器比例增益的液压驱动单元位移阶跃响应的仿真及试验结果,以验证仿真模型;并搭建了液压驱动单元性能测试试验台,通过仿真与试验分析,进一步研究了控制器比例增益、系统供油压力、液压驱动单元初始位移

针对足式机器人关节的液压驱动单元,为测试液压驱动单元在复杂多变的载荷谱作用下的响应性能,以实现负载模拟器的精确加载和优良控制,建立阀控对称缸液压驱动单元性能测试平台.介绍足式机器人位置-力双通道液压驱动单元负载模拟系统的工作原理,分析影响负载模拟力的因素,采用机理建模方法建立系统数学模型;基于AMESim和MATLAB/Simulink软件,建立负载模拟系统联合仿真模型,并对所建立的测试系统数学模型、联合仿真模型进行分析和实验验证,进一步研究液压驱动单元控制策略在实际工况运行中的控制效果.

以四足机器人关节驱动器一液压驱动单元为研究对象，依据液压驱动单元的结构组成原理，采用机理建模的方法，建立其力控系统数学模型，该模型包含了基于辨识得到的伺服阀三阶传递函数、伺服阀的压力．流量非线性环节、伺服缸两腔容积变化因素等。建立液压驱动单元力控系统框图，并利用MATLAB／Simulink平台建立其仿真模型，采用实验测试与仿真分析相结合的方法，研究不同工作参数和不同给定信号下的液压驱动单元力控性能。研究结果表明：比例增益、供油压力、力阶跃量及正弦频率等参数均会对液压驱动单元的力控性能产生影响，该研究工作对四足机器人各关节高性能的力控方法研究提供了理论和实验基础。

:机器人在运动过程中较大的外干扰力会降低机器人关节控制器的精度进而影响机器人的控制性能。以足式机器人的关节驱动器—液压驱动单元为研究对象建立了非对称缸液压驱动单元位置控制系统的数学模型推导了其状态空间表达式;将系统的总扰动扩张为一个新的状态变量从而建立了液压驱动单元位置控制系统的扩张状态观测器并通过带宽确定扩张状态观测器增益参数;设计了控制系统的控制律并对设计的扩张状态观测器的有效性进行了实验验证。实验表明:设计的扩张状态观测器对控制系统扰动有一定的抑制作用增强了系统稳定性提高了系统受外界干扰时的控制精度。

液压驱动型足式机器人在运动过程中各关节液压驱动单元(Hydraulic drive unitHDU)多采用基于液压控制内环的外环阻抗控制方法其中液压控制内环可分为位置闭环控制和力闭环控制。当液压控制内环采用位置闭环控制时其位置控制性能直接决定了外环阻抗控制性能所以一种针对HDU的高精度的位置控制方法具有重要研究意义。针对以上研究意义首先对HDU位置控制系统6阶数学模型进行简化求出位置控制系统中各部分传递函数。其次推导位置控制输入前馈补偿控制器该控制器中含有液压系统固有非线性和负载特性。最后在HDU性能测试试验平台上在多种典型输入信号以及对角小跑输入信号下对系统的位置控制性能进行试验研究并给出定量分析。试验结果表明在不同输入信号下加入所提出的输入前馈补偿控制器可以大幅提高系统位置控制性能并且该控制

建立四足仿生机器人液压驱动单元数学模型，给出可描述液压驱动单元动态特性的时域和频域表达式，通过特定工况下液压驱动单元位移阶跃响应的仿真曲线与试验曲线对比，验证数学模型在该工况下的准确性。基于液压驱动单元状态方程，建立液压驱动单元轨迹灵敏度模型，通过求解液压驱动单元的位移阶跃响应对应其结构参数、工作参数及PID控制器增益的灵敏度函数曲线，研究液压驱动单元参数对其输出特性的影响，并以参数变化引起输出变化百分比为衡量指标，分析各参数变化对输出特性影响程度的大小，从而给出影响其稳态特性和动态特性的主要影响参数和次要影响参数，上述分析结论为四足仿生机器人液压驱动单元结构改进设计和控制器参数优化奠定理论基础。