液压驱动四足机器人的关节控制

论文摘要

四足机器人运动灵活,地形适应能力强,在军事、民用、资源勘探、地理探险等方面拥有巨大的应用价值。关节液压驱动系统的快速控制是高性能四足机器人的核心技术之一,本文针对其位移、速度和力的控制问题进行研究,开发了相应的控制算法,并进行了仿真验证。主要工作内容与结果如下：(1)阐述了液压系统作为所研制机器人驱动源的必要性和可行性,确立了阀控液压缸模块作为机器人步行控制的最终执行机构,建立了模块的数学模型。根据阀控液压缸系统的特性,讨论了可行的控制策略。(2)分析了液压位置系统的组成及各模块的传递函数,得到了系统简化的数学模型,在此基础上设计了滑模控制器和模糊滑模控制器,并对两者的控制性能进行了比较——滑模控制器对液压位置系统的参数摄动和外干扰具有较好的鲁棒性并且响应速度快,但存在一定的抖动现象；而模糊滑模控制器不仅继承了单一滑模控制器的优点,而且有效削弱了抖振。(3)通过对液压速度系统的校正,得到与位置系统等效的Ⅰ型速度系统。借鉴液压位置系统的控制方法,设计了以速度为控制目标的滑模控制器和模糊滑模控制器,实现了关节液压速度系统的有效控制。(4)考虑到液压驱动系统普遍存在非线性特性,推导了液压力系统的非线性数学模型,设计了带有模糊边界层调节功能的模糊滑模控制器。该控制器对系统较大范围的参数变化和非线性具有很好的鲁棒性,保证了液压力控制具有较高的精度和较优的动静态品质。(5)基于液压力系统的非线性数学模型,提出了一种模糊神经网络滑模控制方法。该方法对液压力系统的非线性和不确定性具有很好的控制效果,并且能够实现高频信号作用下关节液压驱动系统动态力的高速高精度控制。经过仿真实验,本文设计的控制器实现了四足机器人关节液压驱动系统的实时控制,满足项目设计要求,可以作为机器人控制系统的底层控制器,为复杂环境下四足机器人的研制提供理论基础和关键技术支撑。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题的来源
• 1.1.2 研究背景
• 1.1.3 目的和意义
• 1.2 国内外四足机器人的研究概况
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 四足机器人液压驱动控制技术
• 1.3.1 液压驱动系统的特点
• 1.3.2 液压驱动系统的控制策略
• 1.4 本文的研究内容及章节安排
• 第二章 四足机器人关节液压动力机构建模
• 2.1 关节动力系统的选择
• 2.2 关节液压动力机构选择
• 2.3 关节液压动力机构建模
• 2.3.1 基本的动态方程
• 2.3.2 传递函数推导
• 2.3.3 传递函数简化
• 2.4 本章小结
• 第三章 关节液压驱动系统的位置控制
• 3.1 液压位置控制系统分析
• 3.2 滑模控制器的设计
• 3.2.1 滑模控制的定义
• 3.2.2 基于趋近率的滑模控制
• 3.2.3 仿真结果
• 3.2.4 结论
• 3.3 模糊滑模控制器的设计
• 3.3.1 模糊滑模控制的基本原理
• 3.3.2 等效滑模控制的基本原理
• 3.3.3 基于等效控制的模糊滑模控制器
• 3.3.4 仿真结果
• 3.3.5 结论
• 3.4 本章小结
• 第四章 关节液压驱动系统的速度控制
• 4.1 液压速度控制系统分析
• 4.1.1 液压速度系统传递函数
• 4.1.2 液压速度系统的校正
• 4.2 液压速度系统的模糊滑模控制
• 4.3 系统仿真
• 4.4 本章小结
• 第五章 关节液压驱动系统的力控制
• 5.1 液压力系统的非线性模型
• 5.2 液压力系统的模糊滑模控制
• 5.2.1 滑模控制器的设计
• 5.2.2 模糊滑模控制器的设计
• 5.2.3 仿真结果
• 5.2.4 结论
• 5.3 液压力系统的模糊神经网络滑模控制
• 5.3.1 模糊神经网络滑模控制器的设计
• 5.3.2 仿真结果
• 5.3.3 结论
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 本文创新点
• 6.3 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间论文发表及项目参与
• 学位论文评阅及答辩情况表