CN111114668B - 基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于关节工况多象限耦合优化的双足机器人数字液压节能驱动方法。发明涉及到双足机器人液压驱动领域，通过建立双足机器人有限状态机和关节运动、负载工况图谱，采用多目标优化配置策略匹配液压系统数字阀组全局最优工作模式，实现双足机器人液压系统液压能、动势能之间的能量高效转换机制。该发明具有较好的双足机器人液压驱动系统分析和节能驱动效果，有利于提高机器人整体能效值。
Description
技术领域
本发明涉及双足机器人液压驱动领域，尤其涉及一种基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法。
背景技术
双足机器人因其独特的类人结构和运动方式，一方面在灵活性、环境适应性等性能上具有突出表现，但另一方面又对机器人整体的机动性、平衡性、鲁棒性等提出了极高的要求，从而使得双足机器人成为了足式机器人领域的热点和难点。其中，高效、高精度、轻量化的驱动系统是双足机器人的关键技术之一。相比于电驱技术，液压驱动具有功率密度高、输出力大、便于实现直线运动等诸多优势，是目前实现机器人高机动性能的最优选择之一。
虽然液压驱动系统在双足机器人中已有较多应用，但其能耗问题一直是限制液压驱动足式机器人发展和应用的主要瓶颈问题。目前世界上具备最高液压驱动水平之一的四足机器人BigDog能效值(Cost of Transport, CoT = P/mv)高达15，远超同类生物能效水平，可见液压驱动腿足机器人的能效提升空间之巨大。
发明内容
针对现有的双足机器人液压系统耗能大，能效值低的问题，提出了一种基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：一种基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法，包括如下步骤：
（1）根据双足机器人的构型和步态建立正向运动学和动力学模型，基于腿足部位置和关节受力情况设计机器人腿部液压关节运动的有限状态机，得到每个液压关节的负载、运动状态以及变化规律，在此基础上建立每个液压关节对应的运动工况图谱。
（2）分析每个时刻所有工况图谱的多象限耦合并存特征，得到数字液压系统的压力和流量分布。根据所述液压系统压力和流量分布，建立描述双足机器人液压系统的总能效值的无量纲成本函数，设置所述双足机器人全局能效值在机器人控制中对应的权重。
（3）根据对应权重匹配每个液压缸对应的数字阀组的工作模式，驱动液压缸动作，控制机器人运动。
进一步地，步骤1中的运动工况图谱包括液压缸负载状态、数字液压阀工作模式以及两者之间的映射关系。
进一步地，所述液压缸负载状态在速度-负载坐标系中，从第一到第四象限的负载状态分别表现为：负负载、正负载、负负载、正负载；所述数字液压阀工作模式分为常规、浮动、再生、回收四个模式。
进一步地，所述机器人腿部运动的有限状态机包括：离地瞬间状态、足部离地状态、腿部前摆状态、离地最高点状态、腿部回摆状态、着地瞬间状态、压缩减速状态、伸展加速状态。
进一步地，步骤2中总能效值的无量纲成本函数为：
其中，
为液压系统总功率，
为液压缸数量，
为第
个液压缸的做功功率，
为第
个液压缸对应的耗散功率，包括该液压缸对应的管路系统损失和执行器损失，
为液压泵的总效率。
进一步地，每个数字阀组由4个高速开关式数字液压阀组成，采用负载口独立控制技术。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的数字液压驱动方法充分考虑了双足机器人液压关节负载和运动状态的循环往复特征，以及关节工况存在同时多象限耦合的特征，从全局角度优化数字液压阀组的工作模式匹配，吸收负功关节能量，减少正功关节能量补给，减少节流、溢流等液压管路系统能量损耗，从而实现高效驱动双足机器人数字液压关节的目的。
附图说明
图1是双足机器人腿部运动有限状态机；
图2是双足机器人液压关节负载状态；
图3是可编程数字阀工作模式列举；
图4是一种双足机器人腿部关节示意图。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，使得本发明的目的和效果变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法，具体包括如下步骤：
（1）根据双足机器人的构型和步态建立正向运动学和动力学模型，基于腿足部位置和关节受力情况设计机器人腿部液压关节运动的有限状态机，模拟人行走的步态，设计有限状态机如图1所示，包括：离地瞬间状态、足部离地状态、腿部前摆状态、离地最高点状态、腿部回摆状态、着地瞬间状态、压缩减速状态、伸展加速状态。得到每个液压关节的负载、运动状态以及变化规律，在此基础上建立每个液压关节对应的运动工况图谱。所述运动工况图谱包括液压缸负载状态、数字液压阀工作模式以及两者之间的映射关系。所述液压缸负载状态在速度vc-负载FL坐标系中，从第一到第四象限的负载状态分别表现为：负负载、正负载、负负载、正负载，如图2所示；所述数字液压阀工作模式又根据液压缸两侧受力和流量方向不同分为常规、浮动、再生、回收四个模式，如图3。负负载状态对应的数字液压阀工作模式有常规和再生两种，正负载状态对应的数字液压阀工作模式有常规、浮动、再生、回收四种。常规模式是指进油油液全部来自于外部油路，而回油油液直接回到油箱；浮动模式是指进油油液全部来自于回油油液，而不经过油箱和外部油路；再生模式是指有杆腔油液全部进入或来自无杆腔，缺少或多余的液压油都由外部油路补充或回收；回收模式是指回收的高压油回到外部油路，而进油的低压油液全部来自于油箱。
（2）分析每个时刻所有工况图谱的多象限耦合并存特征，得到数字液压系统的压力和流量分布。根据所述液压系统压力和流量分布，建立描述双足机器人液压系统的总能效值的无量纲成本函数，设置所述双足机器人全局能效值对应的权重。所述无量纲成本函数计算全局关节液压缸的正负载和负负载分布情况，以及由管路系统和执行系统引起的功率损失，确定系统是否需要外部液压能量输入以及液压油流量拓扑结构最优解。
其中，
为液压系统总功率，
为液压缸数量，
为第
个液压缸的做功功率，
为第
个液压缸对应的耗散功率，包括该液压缸对应的管路系统损失和执行器损失，
为液压泵的总效率。
多目标优化配置策略是在无量纲成本函数的基础上，综合考量能效值与系统鲁棒性、稳定性、快速性的平衡，为全局数字阀组建立多目标优化的工作模式配置策略，并获取对应权重。
（3）根据对应权重匹配每个液压缸对应的数字阀组的工作模式，驱动液压缸动作，控制机器人运动。其中，每个数字阀组由4个高速开关式数字液压阀组成，采用负载口独立控制技术，解耦液压缸的拉力和流量，可灵活地切换液压缸的工作模式。
实施例
如图4是一种典型的双足机器人腿部结构，其左右双腿各有6个自由度，一共至少有12个液压关节。本实施例以两侧膝关节为例进行阐述。
首先对机器人的常规步行步态进行运动学和动力学分析。从腿部着地瞬间到压缩减速阶段，膝关节处于弯曲并减速状态，液压缸处于图2第二象限正负载状态，对外做负功；从伸展加速到离地瞬间，膝关节处于伸展并加速阶段，液压缸处于图2第一象限负负载，对外做正功；从足部离地到腿部前摆阶段，膝关节处于伸展并减速阶段，液压缸处于图2第四象限正负载，对外做负功；从离地最高点到腿部回摆阶段，膝关节处于弯曲并加速状态，液压缸处于第三象限，对外做正功。
从着地瞬间到离地瞬间，机器人腿部始终与地面接触，要进行较大负载的做功，液压缸对应的数字阀组工作模式可以是图3第二象限的再生、回收和第一象限的常规、再生。从足部离地到腿部回摆阶段，机器人腿部不与地面接触，膝关节液压缸仅需克服小腿及以下部分惯性做功，负载较小，对应的数字阀组工作模式可以是图3第四象限的浮动、再生和第三象限的常规。
本实施例中由于仅考虑双足膝关节的运动和负载状态，且不考虑液压管路的能量耗损和液压泵的效率等因素，优化目标较少，可简单将一侧膝关节回收或再生后多余的液压能输送到另一侧膝关节，以此实现双足机器人腿部液压关节的高效节能驱动。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的简单实例而已，并不用于限制发明，凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于关节工况多象限耦合的双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据双足机器人的构型和步态建立正向运动学和动力学模型，基于腿足部位置和关节受力情况设计机器人腿部液压关节运动的有限状态机，得到每个液压关节的负载、运动状态以及变化规律，在此基础上建立每个液压关节对应的运动工况图谱；
（2）分析每个时刻所有工况图谱的多象限耦合并存特征，得到数字液压系统的压力和流量分布；根据所述液压系统压力和流量分布，建立描述双足机器人液压系统的全局能效值的无量纲成本函数，设置所述双足机器人全局能效值在机器人控制中对应的权重；
（3）根据对应权重匹配每个液压缸对应的数字阀组的工作模式，驱动液压缸动作，控制机器人运动。
2.根据权利要求1所述双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于：步骤1中的运动工况图谱包括液压缸负载状态、数字液压阀工作模式以及两者之间的映射关系。
3.根据权利要求2所述双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于：所述液压缸负载状态在速度-负载坐标系中，从第一到第四象限的负载状态分别表现为：负负载、正负载、负负载、正负载；所述数字液压阀工作模式分为常规、浮动、再生、回收四个模式。
4.根据权利要求1所述双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于：所述机器人腿部液压关节运动的有限状态机包括：离地瞬间状态、足部离地状态、腿部前摆状态、离地最高点状态、腿部回摆状态、着地瞬间状态、压缩减速状态、伸展加速状态。
5.根据权利要求1所述双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于：步骤2中总能效值的无量纲成本函数为：
其中，
为液压系统总功率，
为液压缸数量，
为第
个液压缸的做功功率，
为第
个液压缸对应的耗散功率，包括该液压缸对应的管路系统损失和执行器损失，
为液压泵的总效率。
6.根据权利要求1所述双足机器人数字液压驱动方法，其特征在于：每个数字阀组由4个高速开关式数字液压阀组成，采用负载口独立控制技术。
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