实验视频
近年来，液压足机器人以其高动态性、高适应性、高负载能力等诸多优点成为仿生机器人的研究热点。国内外众多科研机构相继展开了相关领域的研究，其中Boston Dynamic公司于2005年展示的BigDog机器人以其优异的运动能力将足式机器人的研究推向了新的高度。作为一个复杂系统，四足机器人有很多需要深入研究和探索的难点。许多学者在运动控制、步态规划等方面做了大量研究，为四足机器人的发展奠定了理论基础。然而要实现机器人的步态稳定行走，首先需要解决的是足端触地冲击力过大的问题，特别是在复杂路面以及环境未知的情况下。足端冲击力过大的原因主要有两方面：一是机器人自身由刚性的机构连接而成；二是在运动规划时为了达到较高的步态跟踪精度而增大位置控制增益，使系统的刚度增大。过大的冲击力不仅损伤机械结构，还会影响机器人的运动稳定性，甚至使得系统出现不可控的意外。
柔顺性控制是解决足端触地冲击力，提升机器人运动稳定性的重要方法。按照对冲击力的吸收机理不同，柔顺性控制可以分为两类：一是采用由弹簧、阻尼器等构成的机构实现被动柔顺控制，另一类是通过控制执行器对冲击力的动态响应来实现主动柔顺。被动柔顺控制在足式机器人设计中运用很多如斯坦福大学设计的DASH Leg、哈尔滨工业大学设计的可调刚度柔性关节、西北工业大学设计的面向奔跑运动的刚柔复合腿，这种控制方法对执行器的控制没有额外要求，但机械结构复杂，设计难度较大。近两年完全采用主动柔顺控制的四足机器人被相继研发出来，如意大利技术研究所先进机器人实验室的HyQ，以及麻省理工大学仿生机器人实验室的Cheetah。高精度的力/力矩控制是HyQ与Cheetah实现主动柔顺的基础，此外对执行器的响应速度也有较高的要求。一种折中的控制方案就是将主动柔顺与被动柔顺相结合，BigDog即采用了这一控制策略，其髋关节为力矩控制以控制触地接触力，并在足端安装了减振弹簧，在简化机构设计的同时也降低了关节控制难度。国内山东大学研发的Scalf液压四足机器人也采用了类似的控制策略，其每个关节为位置控制，根据足端三维力传感器反馈实现主动柔顺，足端被动弹簧用于缓冲触地峰值冲击力。
针对实验室的四足机器人平台，北京理工大学王军政教授团队设计了基于末端一维力反馈的位置型主动柔顺控制器，将单腿等效为直线型虚拟腿，并结合被动柔顺器件的作用来实现足式机器人的平稳触地。被动柔顺用于缓冲冲击过程，同时主动柔顺利用液压执行器的阻尼特性来有效吸收冲击过程中的剩余能量。该团队首先实现了单液压缸执行器的主/被动柔顺性控制，然后将该策略推广到四足机器人的单腿系统，最后总结了如何设计与选择柔顺性控制器参数。
该项研究成果已刊登于《机械工程学 》2017年第1期，感兴趣的朋友可以在我们的微信公众平台回复“201701013”免费下载全文阅读。
液压四足机器人平台
课题研究过程中遇到的问题及解决办法
1、问题描述
液压四足机器人的关节驱动控制中一般采用位置控制，高精度位置控制一方面提高了四足机器人的运动步态跟踪精度，但另一方面较大的控制增益使得系统刚度增大，较大的刚度使得四足机器人足端在触地过程中不可避免的会产生过大的冲击力，不仅损害机械结构还会影响机器人控制系统的稳定性。
在本课题组搭建的实验样机中，关节驱动的位置控制能够保证机器人在不触地（吊起悬空）状态下运行良好，但在地面行走时，刚性位置控制带来的触地冲击力严重影响四足机器人的运动平稳性。
2、解决办法
经理论分析后，提出柔顺性控制解决触地冲击力，查阅相关资料结合本系统实验条件，采用基于位置的柔顺性控制。首先从关节执行器的柔顺性控制开始研究，搭建了实验平台。
单自由度液压执行系统柔顺性控制实验平台
实验过程中发现系统在触地瞬间，冲击力大而且作用时间短，系统中采用的液压执行机构响应速度远远达不到，于是在足端安装弹簧用于缓冲触地反作用力，将被动柔顺与主动柔顺相结合，通过不断试验调整，发现此方法在液压执行系统中作用明显，能显著减少触地冲击力并快速实现触地稳定。通过理论分析发现，液压系统自身的阻尼特性起了关键性作用，被动弹簧缓冲冲击力并延长作用时间，液压主动执行器部分在这一过程中的阻尼作用消耗掉多余冲击能量，两者结合很好地实现了稳定触地，解决了触地冲击力过大的问题。
在解决关节执行器的柔顺性控制后，我们尝试将该方法应用到四足机器人单腿系统，需要解决的问题是如何将单腿系统等效成为单自由度液压执行器系统，为此提出了一种运动学解算方法（详见论文），并搭建了单腿柔顺性控制实验平台。
单腿柔顺性控制实验平台
为验证上述方法在四足机器人控制中的有效性，又搭建了双足实验系统，用于模拟四足机器人的运动过程。
双足行走实验平台
在双足实验平台中所提的算法能显著减小触地冲击力，提高运动的平稳性，后续我们将该算法运用在本课题的四足机器人实验样机，取得了同样的效果。
本课题的创新点
本课题研究过程中通过实验及理论分析探索出的方法有效解决了四足机器人触地冲击力过大问题，主要创新点如下：
? 将被动柔顺与主动柔顺相结合，利用液压系统的阻尼特性缓冲吸收触地冲击力；
? 提出了一种将四足机器人单腿系统等效为单自由度执行器系统的运动学解算方法；
? 在足端笛卡尔空间实施柔顺性控制，省去各关节力传感器，方便机械设计与安装；
? 只需要足端一维力传感器，降低传统柔顺性控制对三维力传感器的依赖。
北京理工大学自动化学院运动驱动控制与试验测试研究室课题组介绍
1、基本情况
运动驱动控制与试验测试研究室隶属于北京理工大学自动化学院检测技术与自动化装置研究所。其前身是流体传动与控制实验室，作为原自动控制系特色研究方向，曾在国内享有很高的知名度和学术地位。经过30多年的凝练、发展和建设，形成了以王军政教授为带头人的运动驱动控制与试验测试研究室。
研究室现有教师8人，其中教授1人、副教授4人、高级实验师1人、讲师2人，具有博士学位7人（国外博士1人），新世纪优秀人才1人。同时，研究室长期聘用了多名技术人员。
近5年来，研究室完成各类项目30多项，包括国防“高新工程”、国家“863”计划、国家自然科学基金、科技合作、“211”和“985”学科建设项目等，年均科研经费上千万元；以第一完成人和完成单位获国家科技进步二等奖1项、部级二等奖1项、三等奖2项，参加的科研项目获军队科技进步二等奖1项、三等奖1项；发表学术论文100多篇，其中SCI收录20余篇，EI收录70余篇；申请国家发明专利19项，授权12项。科研成果已应用于航天、航空、兵器、军队、冶金等多个领域。
2011年获得国家科技进步二等奖
2、研究方向
研究室经过多年的积累和凝练，形成了具有鲜明特色的研究方向，重点开展了以下几个方面的研究：
（1）运动驱动与控制
主要研究电液、电机运动控制系统的建模与仿真、先进控制理论、驱动控制方法等，使系统在复杂负载、强耦合情况下实现高精度、高频响稳定控制。同时开展复杂运动体综合优化集成与控制、新型驱动控制和高效节能控制方法研究。
（2）液压试验与综合测试
主要以液压元件、液压系统和机电设备为对象，研究试验测试方法、负载模拟、计算机 络测控、传感器校准、智能仪器仪表等技术，结合多种数据处理算法，实现对复杂系统的综合试验，同时开展计算机虚拟试验与仿真研究。
（3）控制元件及系统性能测试与故障诊断
主要研究控制元件及系统的静动态性能测试、动态加载、高速高精度数据采集与处理等方法，并开展基于数学模型、专家系统或数据驱动的故障诊断理论与机理研究。
（4）基于图像的动态目标检测与跟踪
主要研究基于图像的无人车道路和障碍物检测、机动目标获取与跟踪、视觉伺服控制理论与方法等，并开展复杂运动目标图像的实时采集和处理、CCD基础理论与技术研究。
课题组在研项目获得的研究成果
课题组主要从事运动驱动控制与实验测试，在电机伺服控制、液压驱动与控制方面积累了丰富的理论与实践经验，在此基础上承担与完成了多项国家级、省部级及军工类项目，并形成了自己的产品特色，现介绍其中代表性的研究课题。
1、 电液振动台
该振动台主要完成机械零部件、电子设备的振动试验，采用高频响电液伺服阀控缸和自动翻转机构可实现水平或垂直方向振动。通过计算机测控系统选择振动规律、设定幅值和频率、采集振动速度和加速度等参数，监控软件采用LabView开发，界面友好，操作简便。
主要技术指标
? 工作台尺寸：1.2m×1.2m；
?工作台自重：100kg（超硬铝合金材料）；
? 最大承载：500kg；
? 振动参数：加速度5g，最大速度1m/s，最大幅值100mm，最高频率50Hz；
? 振动规律：正弦波、方波、正弦扫描波、伪随机波；
? 泵站参数：功率45kW，压力20MPa，流量120L/min。
2、 四自由度运动模拟平台
该平台通过三根内置位移传感器伺服油缸和两根移动副完成俯仰、横滚、垂直平移运动，方位向运动可以由伺服油缸驱动（小转角），也可以由伺服液压马达或伺服电机驱动（全方位），构成平台四个自由度运动。采用分布式计算机控制系统完成模拟平台不同运动规律、运动参数的控制和状态监控，根据需求可以有不同的结构与支撑形式。
3、 电动六自由度运动模拟平台
该平台采用六根电动缸，通过万向节与底座和上平台相连，构成并联倒“3A”结构，其中上平台采用超硬铝合金材料，控制系统采用三层分布式计算机 络，底层DSP控制器完成电动缸高精度位置控制，中层嵌入式控制器完成平台实时解耦，上位计算机完成参数设定和实时监控。上平台能够实现沿X、Y、Z坐标轴的平移和旋转共六个自由度运动，主要用于光电火控系统试验研究、驾驶训练和动感游戏等方面。
4、 电液伺服阀静动态性能试验台
该试验台主要由试验台架（包括静态试验工位和动态试验工位）、液压泵站和计算机测控系统（含伺服放大器、PLC、数字仪表等）组成。可全自动完成电液伺服阀空载流量、分辨率、压力增益、负载流量、内泄漏等静态试验，以及阶跃和频率特性等动态试验。
主要技术指标
? 测试参数：压力、流量、温度、伺服阀电流、无载油缸速度；
? 工作压力：31.5MPa；
? 静态试验流量：0～80L/min，0～160L/min，0～250L/min；
? 动态频率测试范围：5～500Hz；
? 动态测试精度：幅频0.2dB，相频0.5o。
5、 液压四足机器人
液压四足仿生机器人以其高负载性能、高动态性能受到广泛研究，本课题组在液压驱动技术及先进控制技术的技术上展开四足机器人的研究。已经建成的液压四足机器人控制系统按照模块功能划分为：下位计算机、主控计算机和远程计算机三层。其中下位计算机为DSP控制器，负责单腿4个主动自由度的关节伺服阀控缸位移信号采集和位置控制、足端力传感器信号采集以及与主控计算机进行实时CAN总线通讯等任务；主控计算机是整个机器人控制系统的核心控制器，负责完成机器人的运动控制，具体包括正逆运动学解算、步态规划与控制、下位机CAN总线通讯和远程计算机IPX总线通讯、姿态航向测量传感器系统信号采集等主要工作；远程计算机主要完成下位机参数设置、运动模式和参数设置、通讯状态监控、系统急停保护等任务。分层控制系统整体框图如下图所示，其中虚线部分代表正在进行中的工作。
本课题组搭建的液压四足机器人的实际样机系统采用钢材焊接而成，长1.4m，宽0.55 m，样机自重约65kg，如下图所示，
此实验样机用于研究四足机器人的关节驱动技术以及运动学步态规划控制，为后续四足机器人的深入研究奠定了实践及理论基础。
推荐阅读
1.
2.
3.
4.
5.
版权声明：
联系我们：
联系人：张强
电话：010-88379891-2
E-mail：cjmezhang@126.com
址：http://www.cjmenet.com.cn
官方微信号：jmewechat
声明：本站部分文章内容及图片转载于互联 、内容不代表本站观点，如有内容涉及版权,请您尽早时间联系jinwei@zod.com.cn