基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统。该方法包括获取伺服缸的输入位置、干扰力和阻抗特性；对阻抗特性进行补偿，得到补偿后的阻抗特性；根据伺服缸的输入位置、干扰力和补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数；根据阻抗特性参数计算伺服缸的输出位置。采用本发明的方法及系统，能够有效提高液压驱动单元基于位置阻抗控制系统的控制精度和抗干扰性能。

说明书

技术领域

本发明涉及流体传动与控制技术领域，特别是涉及一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统。

背景技术

足式机器人相对于轮式和履带式机器人，对未知、非结构环境具有很好的适应性，特别适用于野外复杂环境下的探测、运输、救援和军事辅助等任务，是各国机器人研究人员的研究热点。液压驱动相对于电机驱动和气压驱动具有功重比高、承载能力大和响应快等优点，特别适合足式机器人高性能需求，目前被用来驱动液压驱动腿式机器人的关节液压驱动单元为高集成度的阀控缸系统。

液压驱动型足式机器人在实际运动过程中，足端与地面不断接触产生的冲击和碰撞易造成机身及其附带的电子设备损坏，因此机器人的关节液压驱动单元应当具有一定的柔顺性。阻抗控制方法是一种在腿部关节中常用的主动柔顺控制方法，现今阻抗控制被应用在机器人中。阻抗控制可分为以位置控制为内环和以力控制为内环两种常用的形式。传统的基于位置阻抗控制实现原理是以液压控制系统作为控制内环，当系统受到外干扰力时，阻抗控制外环将干扰力信号转换成位置内环的输入信号，从而使系统实现阻抗特性，当机器人通过不同环境时，腿部所需要实现的阻抗特性不尽相同，如果机器人不能实现期望的阻抗特性，将对机器人整体的缓冲效果，稳定性等方面产生不利的影响。由于液压位置控制系统存在强非线性、参数时变性和负载复杂多变性等因素，在液压驱动单元中直接应用传统的基于位置的阻抗控制时其控制精度往往难以满足机器人整机的高性能柔顺控制需求。

因此，针对传统的基于位置的阻抗控制，设计一种高精度补偿控制方法具有重要意义。现今有诸多学者针对基于位置的阻抗控制做了研究，起到了很好的控制效果，但所使用的控制方法多为先进控制算法，具有一定的复杂性，其工程实用性较低。

综上所述，在液压驱动单元基于位置的阻抗控制中，迫切需要一种高精度补偿控制方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统，具有能够提高液压驱动单元基于位置阻抗控制系统的控制精度的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法，包括：

获取伺服缸的输入位置、干扰力和阻抗特性；

对所述阻抗特性进行补偿，得到补偿后的阻抗特性；

根据所述伺服缸的输入位置、所述干扰力和所述补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数；

根据所述阻抗特性参数计算所述伺服缸的输出位置。

可选的，所述对所述阻抗特性进行补偿，具体包括：

根据公式对所述阻抗特性进行补偿；

其中，

式中，Z_D表示阻抗特性，Z′_D表示补偿后的阻抗特性，K_X表示位移传感器增益，G_PID(s)表示PID控制器传递函数，F_L表示干扰力，X_r表示伺服缸的输入位置，A_p表示伺服缸有效活塞面积，V₁表示进油腔容积；V₂表示回油腔容积，K_d表示微分增益，p_s表示系统供油压力，p₁表示伺服缸的左腔压力，p₂表示伺服缸的右腔压力，p₀表示系统回油压力，X_v表示伺服阀阀芯位移，β_e表示有效体积弹性模量，s表示拉氏算子，ω表示伺服阀的固有频率，ζ表示伺服阀阻尼比，m_t表示折算到伺服缸活塞上总质量，C_ip表示伺服缸的内泄漏系数，B_p表示负载阻尼，K表示负载刚度。

可选的，所述根据所述伺服缸的输入位置、所述干扰力和所述补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数，具体包括：

根据公式X′_d＝X_r-F_L·Z′_D计算所述阻抗特性参数；

式中，X′_d表示阻抗特性参数。

可选的，所述根据所述阻抗特性参数计算所述伺服缸的输出位置，具体包括：

根据公式计算得到伺服缸的输出位置；

式中，X_p'表示伺服缸的输出位置。

本发明还提供一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制系统，包括：

数据获取模块，用于获取伺服缸的输入位置、干扰力和阻抗特性；

阻抗特性补偿模块，用于对所述阻抗特性进行补偿，得到补偿后的阻抗特性；

阻抗特性参数计算模块，用于根据所述伺服缸的输入位置、所述干扰力和所述补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数；

伺服缸输出位置计算模块，用于根据所述阻抗特性参数计算所述伺服缸的输出位置。

可选的，所述阻抗特性补偿模块，具体包括：

阻抗特性补偿单元，用于根据公式对所述阻抗特性进行补偿；

其中，

式中，Z_D表示阻抗特性，Z′_D表示补偿后的阻抗特性，K_X表示位移传感器增益，G_PID(s)表示PID控制器传递函数，F_L表示干扰力，X_r表示伺服缸的输入位置，A_p表示伺服缸有效活塞面积，V₁表示进油腔容积；V₂表示回油腔容积，K_d表示微分增益，p_s表示系统供油压力，p₁表示伺服缸的左腔压力，p₂表示伺服缸的右腔压力，p₀表示系统回油压力，X_v表示伺服阀阀芯位移，β_e表示有效体积弹性模量，s表示拉氏算子，ω表示伺服阀的固有频率，ζ表示伺服阀阻尼比，m_t表示折算到伺服缸活塞上总质量，C_ip表示伺服缸的内泄漏系数，B_p表示负载阻尼，K表示负载刚度。

可选的，所述阻抗特性参数计算模块，具体包括：

阻抗特性参数计算单元，用于根据公式X′_d＝X_r-F_L·Z′_D计算所述阻抗特性参数；

式中，X′_d表示阻抗特性参数。

可选的，所述伺服缸输出位置计算模块，具体包括：

伺服缸输出位置计算单元，用于根据公式计算得到伺服缸的输出位置；

式中，X_p'表示伺服缸的输出位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统，通过对阻抗特性进行补偿，使阻抗特性变为补偿后的阻抗特性，在干扰力的作用下，计算阻抗特性参数，当阻抗特性参数输入到基于位置的阻抗控制系统后，系统产生的伺服缸输出位置更接近于伺服缸的阻抗期望位置，能够有效提高液压驱动单元基于位置阻抗控制系统的控制精度和抗干扰性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法流程图；

图2为本发明实施例中液压驱动单元图；

图3为本发明实施例中液压驱动单元基于位置的阻抗控制传递框图；

图4为本发明实施例中简化后的液压驱动单元基于位置的阻抗控制传递框图；

图5为本发明实施例中变阻抗特性的补偿控制示意图；

图6为本发明实施例中加入补偿控制器后的基于位置阻抗控制传递框图；

图7为本发明实施例中基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制系统结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法及系统，具有能够提高液压驱动单元基于位置阻抗控制系统的控制精度和抗干扰性能的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例中基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法流程图，如图1所示，一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制方法，包括：

步骤101：获取伺服缸的输入位置、干扰力和阻抗特性。

图2为本发明实施例中液压驱动单元。如图2所示，液压驱动单元由力传感器1、位移传感器2、伺服阀3和伺服缸4以及阀块5五部分组成，其中，位移传感器1安装于伺服缸外侧，用于检测伺服缸杠杆的伸出长度。力传感器1安装于伺服缸活塞杆伸出端，用于检测伺服缸4受到的干扰力，其中，干扰力包括负载及伺服缸的库仑摩擦力。伺服阀3通过阀块5与伺服缸4连接，用于伺服缸4的伺服控制。

图3为本发明实施例中液压驱动单元基于位置的阻抗控制传递框图，将图3简化为图4，图4为简化后的液压驱动单元基于位置的阻抗控制传递框图。如图3-4所示。

伺服阀的左腔流量Q₁方程可以表示为：

Q₁＝k₁X_v>

伺服阀的右腔流量Q₂方程可以表示为：

Q₂＝k₂X_v>

为了便于计算式(1)和式(2)，做如下定义：

伺服阀左腔流量连续性方程可以表示为：

伺服阀的右腔流量连续性方程可以表示为：

为了便于式(5)和式(6)计算，做如下定义：

式(5)和式(6)能够被转化为以下方程：

Q₁-A_pX_ps+C_ipP₂＝P₁A>

Q₂-A_pX_ps-C_ipP₁＝P₂B>

液压驱动单元的力平衡方程表示如下：

A_pP₁-A_pP₂＝m_tX_ps²+B_pX_ps+KX_p+F_L+F_f>

结合式(9)和式(10)，P₁和P₂如下所示：

将式(1)和式(2)代入式(12)和式(13)，可以得到以下公式：

将式(14)代入式(11)并且设置X_v＝0，可以得到以下公式：

设F_f＝0和C_ep＝0，上述方程式可简化如下：

将式(14)代入式(11)，设置F_L+F_f＝0可以得到以下公式：

定义C_ep＝0，式(17)可简化如下：

将式(15)到式(18)进行简化，得到以下方程式：

式中，Z_D表示阻抗特性，Z′_D表示补偿后的阻抗特性，K_X表示位移传感器增益，G_PID(s)表示PID控制器传递函数，F_L表示干扰力，X_r表示伺服缸的输入位置，A_p表示伺服缸有效活塞面积，V₁表示进油腔容积；V₂表示回油腔容积，K_d表示微分增益，p_s表示系统供油压力，p₁表示伺服缸的左腔压力，p₂表示伺服缸的右腔压力，p₀表示系统回油压力，X_v表示伺服阀阀芯位移，β_e表示有效体积弹性模量，s表示拉氏算子，ω表示伺服阀的固有频率，ζ表示伺服阀阻尼比，m_t表示折算到伺服缸活塞上总质量，C_ip表示伺服缸的内泄漏系数，B_p表示负载阻尼，K表示负载刚度，X_p表示伺服缸活塞位移，C_ep表示伺服缸的外泄漏系数，F_f表示摩擦力。

步骤102：对阻抗特性进行补偿，得到补偿后的阻抗特性。

对阻抗特性进行补偿，具体包括：

根据公式对阻抗特性进行补偿。

图5为变阻抗特性的补偿控制示意图，图6为加入补偿控制器后的基于位置阻抗控制传递框图。

从到的传递函数Φ₁′(s)能够表达如下：

传递函数Φ₁′(s)能够转化如下：

上式中X′_d表示阻抗特性参数。

从到的传递函数Φ₂(s)能够表达如下：

Φ₂(s)的误差传递函数E₂(s)能够表达如下：

为了使被控系统变为无误差的系统，需要Φ₂(s)的误差传递函数E₂(s)等于零，则可以得到阻抗特性参数Z_D′：

由补偿后的阻抗特性参数Z_D′，可得应用于液压驱动单元位置阻抗控制系统变阻抗特性的补偿控制器G_MVIPC(s)如下：

步骤103：根据伺服缸的输入位置、干扰力和补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数。根据公式X′_d＝X_r-F_L·Z′_D计算阻抗特性参数；式中，X′_d表示阻抗特性参数。

步骤104：根据阻抗特性参数计算伺服缸的输出位置。

根据公式计算得到伺服缸的输出位置；式中，X_p'表示伺服缸的输出位置。

为了提升基于位置的阻抗控制精度，即伺服缸的输出位置接近于阻抗期望位置(X_r-F_L·Z_D)，本发明在阻抗控制外环加入补偿控制器，该补偿控制器使得阻抗特性Z_D变成了补偿后的阻抗特性Z_D′，该补偿环节考虑了液压系统的强非线性、参数时变性、油液可压缩性和负载复杂多变性等方面的因素。该补偿环节使得补偿后的阻抗特性Z_D′随着未知的干扰力F_L不断变化，因此当干扰力F_L作用到基于位置的阻抗控制系统时，在补偿后的阻抗特性参数Z_D′下，X_d(X_d＝X_r-F_L·Z_D)变成了X′_d(X′_d＝X_r-F_L·Z′_D)，当阻抗特性参数X′_d输入到系统后，新产生的伺服缸的输出位置X′_p更加接近与阻抗期望位置X_d(X_d＝X_r-F_L·Z_D)，这样基于位置的阻抗控制精度就得到了改善。

图7为本发明实施例中基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制系统结构图，如图7所示，一种基于位置的阻抗控制系统变阻抗特性补偿控制系统，包括：

数据获取模块701，用于获取伺服缸的输入位置、干扰力和阻抗特性。

阻抗特性补偿模块702，用于对阻抗特性进行补偿，得到补偿后的阻抗特性。

阻抗特性补偿模块702，具体包括：

阻抗特性补偿单元，用于根据公式对阻抗特性进行补偿；

其中，

式中，Z_D表示阻抗特性，Z′_D表示补偿后的阻抗特性，K_X表示位移传感器增益，G_PID(s)表示PID控制器传递函数，F_L表示干扰力，X_r表示伺服缸的输入位置，A_p表示伺服缸有效活塞面积，V₁表示进油腔容积；V₂表示回油腔容积，K_d表示微分增益，p_s表示系统供油压力，p₁表示伺服缸的左腔压力，p₂表示伺服缸的右腔压力，p₀表示系统回油压力，X_v表示伺服阀阀芯位移，β_e表示有效体积弹性模量，_s表示拉氏算子，ω表示伺服阀的固有频率，ζ表示伺服阀阻尼比，m_t表示折算到伺服缸活塞上总质量，C_ip表示伺服缸的内泄漏系数，B_p表示负载阻尼，K表示负载刚度。

阻抗特性参数计算模块703，用于根据伺服缸的输入位置、干扰力和补偿后的阻抗特性计算阻抗特性参数。

阻抗特性参数计算模块703，具体包括：

阻抗特性参数计算单元，用于根据公式X′_d＝X_r-F_L·Z′_D计算阻抗特性参数；式中，X′_d表示阻抗特性参数。

伺服缸输出位置计算模块704，用于根据所述阻抗特性参数计算所述伺服缸的输出位置。

伺服缸输出位置计算模块704，具体包括：

伺服缸输出位置计算单元，用于根据公式计算得到伺服缸的输出位置；式中，X_p'表示伺服缸的输出位置。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。