一種液壓四足機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)解耦控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及四足機(jī)器人控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種液壓四足機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)解 耦控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人是一個(gè)典型的多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，一般情況下，腿 部某一個(gè)關(guān)節(jié)的輸入會(huì)受到其他關(guān)節(jié)輸出的影響，同時(shí)，這個(gè)關(guān)節(jié)的輸出也會(huì)受到其他關(guān) 節(jié)輸入的影響，因此各關(guān)節(jié)之間存在著耦合現(xiàn)象。對(duì)于一個(gè)非線性多耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，由于 多個(gè)變量間產(chǎn)生的耦合，使得系統(tǒng)控制也變得十分復(fù)雜，這種非線性強(qiáng)耦合效應(yīng)在低速時(shí) 以及對(duì)機(jī)器人的精度要求不高的情況下可以忽略不計(jì)，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)也可以獨(dú)立的進(jìn)行分 析研究。但是在高速的情況下，非線性強(qiáng)耦合效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到機(jī)器人的控制精度。這給液 壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制帶來(lái)了很大的困難，必須進(jìn)行解耦控制才能獲得滿意的控制 效果，于是，解耦控制為液壓四足機(jī)器人自動(dòng)化水平的提高提供了一種有效方法。
[0003] 解耦控制的基本思想是通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)解耦網(wǎng)絡(luò)，尋找合適的控制規(guī)律將多輸入多 輸出耦合系統(tǒng)解耦為多個(gè)單輸入單輸出的獨(dú)立系統(tǒng)，降低各回路之間的相互耦合關(guān)系，或 者使親合限制在一定范圍內(nèi)。
[0004] 由液壓四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)方程可知，該機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)非線性的高度耦合的 控制系統(tǒng)，其耦合在方程中體現(xiàn)在慣量、哥氏力和重力之間的相互影響。
[0005] 在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中，想要對(duì)四足機(jī)器人的一個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，只有在腿部的其他所有 關(guān)節(jié)都被鎖定時(shí)才有可能，當(dāng)這些關(guān)節(jié)解除鎖定后，各關(guān)節(jié)之間存在著交連耦合影響，因 此，機(jī)器人每一個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都受到其他關(guān)節(jié)的耦合影響，致使控制效果并不理想。因而， 降低機(jī)器人系統(tǒng)的交連耦合影響，對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行解耦控制變得十分必要。
[0006] 中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN102785248A公開(kāi)了一種解耦型六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制 方法，通過(guò)本發(fā)明，具備可預(yù)知過(guò)奇異點(diǎn)路徑、算法簡(jiǎn)單、反解速度快以及能較好地確定唯 一解等優(yōu)點(diǎn)，并能很好地應(yīng)用于實(shí)際的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。
[0007] 中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)CN103341865A公開(kāi)了一種三自由度等速解耦空間機(jī)器人主動(dòng)球型 腕與萬(wàn)向柔順控制方法，本發(fā)明定位準(zhǔn)確，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免了運(yùn)動(dòng)耦合與機(jī)械臂的振動(dòng)現(xiàn) 象，球型腕全柔順模式可有效解除機(jī)械干涉。
[0008] 以上兩個(gè)發(fā)明均是對(duì)機(jī)器人的解耦控制進(jìn)行研究，但兩個(gè)發(fā)明研究的機(jī)器人種類(lèi) 均非足式步行機(jī)器人，其控制方法很難移植到足式步行機(jī)器人上，特別是對(duì)于液壓驅(qū)動(dòng)的 四足機(jī)器人，由于其具有高動(dòng)態(tài)、高負(fù)載能力，其控制方法會(huì)更加復(fù)雜，經(jīng)查閱相關(guān)資料， 尚沒(méi)有相應(yīng)的專(zhuān)利對(duì)液壓四足機(jī)器人關(guān)節(jié)間的解耦控制進(jìn)行研究，因此，本發(fā)明具有一定 的原創(chuàng)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和技術(shù)需求，本發(fā)明提出了一種液壓四足機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)解 耦控制方法，其主要思想是:設(shè)定好系統(tǒng)無(wú)耦合情況下的參考模型，然后訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 器，使系統(tǒng)的輸出能夠跟隨參考模型的輸出；同時(shí)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)，根據(jù)被控對(duì)象 當(dāng)前和之前的輸入輸出數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)下一步的輸出；最后根據(jù)預(yù)測(cè)輸出與給定的參考輸 出在線修正神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值，以使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器的優(yōu)化指標(biāo)達(dá)到極小，實(shí)現(xiàn)解耦控 制目的。
[0010 ]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明予以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案是：
[0011] -種液壓四足機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)解耦控制方法，該方法包括PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制 模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考解耦控制模塊和預(yù)測(cè)控制模塊。所述PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制模塊采 用2個(gè)BP神經(jīng)元子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，各子網(wǎng)絡(luò)隱含層中均分別為比例(P)神經(jīng)元、積分(I)神經(jīng)元和 微分(D)神經(jīng)元;所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考解耦控制模塊包括參考軌線、預(yù)測(cè)模型、反饋校正 和滾動(dòng)優(yōu)化;所述預(yù)測(cè)控制模塊包括參考軌線、預(yù)測(cè)模型、反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化。將上述的 PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制模塊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考解耦控制模塊和預(yù)測(cè)控制模塊有機(jī)地結(jié)合， 按照下述步驟構(gòu)成了液壓四足機(jī)器人單腿關(guān)節(jié)的解耦控制。
[0012] 步驟一:關(guān)節(jié)間的耦合關(guān)系： 液壓四足機(jī)器人的行走主要依賴于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的2個(gè)主動(dòng)自由度實(shí)現(xiàn)，只有在機(jī) 器人出現(xiàn)打滑或轉(zhuǎn)向的時(shí)候，橫擺關(guān)節(jié)的液壓缸才開(kāi)始動(dòng)作。于是，當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)方向行 走時(shí)，髖部不動(dòng)，只有髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的大腿和小腿，并帶動(dòng)足端運(yùn)動(dòng)，因此，本 發(fā)明著重解決大腿和小腿之間的耦合情況，即，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)之間的耦合。
[0013] 由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，液壓四足機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)均屬于低速運(yùn)動(dòng)，因此，關(guān)節(jié)間 的運(yùn)動(dòng)受哥氏力和向心力的影響較小，可忽略不計(jì)，但受慣性力和重力的影響較大，為了便 于分析和解決問(wèn)題，需要抓住問(wèn)題的主要矛盾，故只考慮慣性力和重力的影響，忽略哥氏力 和向心力的影響，這樣，液壓四足機(jī)器人腿部動(dòng)力學(xué)模型變?yōu)槿缦滦问剑?F = Μ (>'))> -f Cj0?) 于是，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的出力與液壓缸位移之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系如下： 式中，
對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可得耦合關(guān)系式如下：
[0014]由上式可以看出，髖關(guān)節(jié)的輸出72受到膝關(guān)節(jié)輸出y3的影響，膝關(guān)節(jié)的輸出y 3受到 髖關(guān)節(jié)輸出y2的影響，即液壓四足機(jī)器人大、小腿關(guān)節(jié)之間存在明顯的耦合。
[0015] 步驟二:PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制： 由于液壓四足機(jī)器人單腿在前進(jìn)方向只有兩個(gè)關(guān)節(jié)，因此在髖部固定的條件下，可認(rèn) 為機(jī)器人單腿系統(tǒng)是兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出的多變量系統(tǒng)，變量之間存在相互耦合、相互影 響，對(duì)于具有2個(gè)輸入、2個(gè)輸出的系統(tǒng)，基于不變性原理，PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器中，每一 個(gè)子網(wǎng)絡(luò)的輸入端均具有兩個(gè)輸入，一個(gè)是輸入的設(shè)定值^(1 = 2,3)，另一個(gè)是輸出反饋 值yi(i = 2，3)，m(i = 2，3)為被控對(duì)象的第i個(gè)輸入控制量，也是網(wǎng)絡(luò)的第i個(gè)輸出量。
[0016] 2個(gè)PID神經(jīng)元子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制器，各子網(wǎng)絡(luò)隱含層中均有3個(gè)神 經(jīng)元，分別為比例(P)、積分（I)、微分(D)神經(jīng)元，不同子網(wǎng)絡(luò)的輸入層到隱含層之間是相互 獨(dú)立的，而隱含層到輸出層之間彼此有連接權(quán)，輸出層完成對(duì)控制規(guī)律的綜合，從而構(gòu)成了 PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解耦控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多變量系統(tǒng)的解耦控制。
[0017] 對(duì)于PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的第s個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，隱含層的比例神經(jīng)元、積分神經(jīng)元、微分神經(jīng) 元的輸出算法如下： 比例神經(jīng)元的輸出算法為：
積分神經(jīng)元的輸出算法為：
微分神經(jīng)元的輸出算法為：
步驟三:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型參考解耦控制： a) 參考模型： 設(shè)定系統(tǒng)在無(wú)耦合情況下的參考模型:將液壓四足機(jī)器人大小腿間存在耦合的模型中 次對(duì)角線的耦合項(xiàng)去掉，便可得到大小腿之間在無(wú)耦合情況下的參考模型：
b) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器： 由于液壓四足機(jī)器人單腿在前進(jìn)方向只有兩個(gè)關(guān)節(jié)，因此在髖部固定的條件下，可認(rèn) 為機(jī)器人單腿系統(tǒng)是兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出的多變量系統(tǒng)，因而，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的結(jié)構(gòu)也是 兩個(gè)輸入兩個(gè)輸出，設(shè):U2、u3為被控對(duì)象的輸入，y2、y3為被控對(duì)象的輸出，為預(yù)測(cè) 輸出。
[0018] 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器是根據(jù)被控對(duì)象當(dāng)前和之前的輸入輸出來(lái)預(yù)測(cè)系統(tǒng)的下一步輸 出，從而可得到預(yù)測(cè)輸出與系統(tǒng)實(shí)際輸出之間的誤差為：
利用q 來(lái)調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的權(quán)值，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器的目標(biāo)函數(shù)為：
式中，Τι為辨識(shí)周期。 c) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器： 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器相同，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的結(jié)構(gòu)也是兩個(gè)輸入、兩個(gè)輸出，設(shè):yr2、yr3 為給定的輸入信號(hào)，y 2、y3為被控對(duì)象的輸出，U2、u3為系統(tǒng)的控制量。
[0019] 參考模型的輸出與系統(tǒng)實(shí)際輸出之間的誤差為： e2(k)=y(k)_y〇(k) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器是根據(jù)誤差e2(k)來(lái)調(diào)整u(k)，從而使被控對(duì)象跟蹤參