一種液壓四足機器人單腿關節(jié)力/位切換控制方法
【技術領域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及四足機器人控制技術領域，尤其涉及一種液壓四足機器人單腿關節(jié)力 /位切換控制方法。
【背景技術】
[0002] 液壓驅動四足機器人足端與地面之間相互作用的控制，是液壓四足機器人控制 的核心內容之一，機器人在行走過程中，足端從懸空下降到地面，足端與地面發(fā)生接觸，存 在相互作用力，如果接觸力過大，可能導致機器人的本體結構或電器元件的損壞，通常情況 下，足端與地面接觸碰撞的時間越短，碰撞的速度會越大，瞬間的沖擊力就越大，如果不及 時的將機器人從位置控制狀態(tài)切換到力控制狀態(tài)，機器人就會因沖擊力過大導致機器人運 動不穩(wěn)定，之前的機器人多采用位置控制，通過控制最終變形量和接觸速度來獲得滿意的 接觸力，但是液壓四足機器人實際作業(yè)的地形環(huán)境復雜多變，如果只是單純地通過提高位 置控制精度來達到控制力的目的，已經不能滿足機器人高頻、高速的運動要求，必須對接觸 力進行控制。
[0003] 因此，需要對四足機器人的運動進行分段控制，從機器人足端未接觸到地面到接 觸到地面有一段空間距離，這段距離的控制主要是為了達到精確定位的目的，這段行程進 行位置控制；當足端接觸地面時，液壓四足機器人的運動就會受到地面的約束，在約束運動 過程中，機器人系統(tǒng)及地形環(huán)境的模型很難精確地表達，這種情況下需要用接觸力來描述 他們之間的交互作用，為了避免機器人足端與地面接觸時產生過大的接觸力并保證機器人 能在約束環(huán)境中具有一定的靈活性，此時應進行力控制；而機器人與地面之間由未接觸到 接觸或是由接觸到不接觸之間的轉換則是通過力/位置切換控制來完成，在機器人系統(tǒng)進 行力/位置切換時會產生系統(tǒng)參數(shù)跳變及其抖動的不良影響，因此，兩者之間的切換控制 方法至關重要，良好的切換控制可實現(xiàn)機器人由位置到力或由力到位置的平順切換，可以 削弱機器人足端與地面碰撞時產生的沖擊力。
[0004] 中國專利文獻CN104626168A公開了一種基于智能算法的機器人力位柔順控制方 法，該控制系統(tǒng)基于位置的阻抗控制方式，通過測量機器人各關節(jié)伺服電機電流和各關節(jié) 轉動位置，綜合解算出機械手末端與工件結合處的交互力值；采用預測算法預測機器人與 環(huán)境的交互力值，并與上述解算得到的交互力值做比較，經過能量均衡校正算法處理的輸 出即為控制系統(tǒng)實際力感知，控制系統(tǒng)據(jù)此進行裝配機器人軌跡末端位置設定，以此形成 各關節(jié)伺服電機控制信號，以此控制伺服電機，實現(xiàn)力-位柔順控制。
[0005] 中國專利文獻CN102837314A公開了一種機器人控制器力位混合控制的實現(xiàn)方 法，提出了一種實用的力/位混合控制方案，給出了相應的硬件和軟件的具體實現(xiàn)。
[0006] 以上兩個發(fā)明均是對機器人的力控制和位置控制進行研究，但兩個發(fā)明研究都是 機器人力和位置混合控制方案，對于機器人力和位置之間的切換，特別是機器人在進行力 和位置切換時的平穩(wěn)性，經查閱相關資料，尚沒有相應的專利對其進行研究，因此，本發(fā)明 具有一定的原創(chuàng)性。

【發(fā)明內容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術的缺陷和技術需求，本發(fā)明提出了一種液壓四足機器人單腿關節(jié)力 /位切換控制方法，其主要思想是：將機器人的運動進行分段控制，在機器人足端接觸到地 面時進行關節(jié)力控制，以減少足端與地面接觸所產生的沖擊與擾動；在機器人足端脫離地 面時則進行關節(jié)位置控制，以實現(xiàn)機器人的精確定位；在機器人進行力和位置切換時，針對 切換過程產生的抖動問題，采用模糊多模型切換算法完成力和位置兩種控制的切換，以保 證其平穩(wěn)過渡。
[0008] 為了解決上述技術問題，本發(fā)明予以實現(xiàn)的技術方案是： 一種液壓四足機器人單腿關節(jié)力/位切換控制方法，該方法包括多模型控制模塊和模 糊控制模塊，所述多模型控制模塊(虛線框）包括多模型集、多控制器集和切換原則；所述模 糊控制模塊(實線框）包括模糊化、模糊推理和非模糊化三個環(huán)節(jié)，相應的模糊切換控制具 有一個輸入、兩個輸出，輸入為機器人關節(jié)力傳感器檢測出的力Li，輸出為控制權值、，將上 述的多模型控制模塊和模糊控制模塊有機地結合，按照下述步驟構成了液壓四足機器人單 腿關節(jié)的力/位切換控制。
[0009] 步驟一：多模型集： 多模型控制的基本思想是：在多個工作點上或多種工況下將非線性過程或線性不確 定過程劃分為若干個線性化模型，利用多個模型來逼近整個系統(tǒng)的動態(tài)特性，由此把非線 性過程或線性不確定過程劃分為多個子空間，為每一個子空間建立一個失配較小的數(shù)學模 型，針對每個子模型，設計相應的子控制器，然后利用一個有效的切換方案，將這些簡單的 子控制器映射成最終的控制作用，最終完成復雜系統(tǒng)的控制。
[0010] 根據(jù)被控對象參數(shù)的多變性和結構的不確定性，建立多個被控對象的模型，使之 構成多模型集_:
其中，η雖然表示的是以模型％為元素的一個模型集，但是實際上此模型集是一個廣 義的模型集，模型既可以表示系統(tǒng)模型，也可以表示一個復雜工業(yè)過程的不同操作工序或 者不同的狀態(tài)反饋矩陣。
[0011] 多模型控制是利用多個模型來描述系統(tǒng)的動態(tài)特性，每個模型表示被控對象在系 統(tǒng)中某一參數(shù)子空間內的特性，或表示被控對象在某種工況下的特性等，因此，模型集的確 立直接影響了系統(tǒng)的控制精度和控制性能。
[0012] 在機器人行走過程中，由于機器人與地面存在接觸與不接觸兩個階段，于是對機 器人進行關節(jié)力和關節(jié)位置的分段控制，因此，采用兩個模型來逼近整個機器人系統(tǒng)的動 態(tài)特性，模型1為機器人力控制模型，模型2為機器人位置控制模型。
[0013] 步驟二：多控制器集： 在模型集;的基礎上，根據(jù)多個不同的模型相應地建立多個控制器，構成控制器集名:：
其中，策為基于模型集設計的控制器集，_:為基于模型集中各模型元素ii而設計的 控制器，控制器的選取比較靈活，可以是PID控制器，魯棒控制器，自適應控制器，預測控制 器等等。
[0014] 針對不同子空間相應的子模型設計相應的子控制器，那么就有控制器1為力控制 器，控制器2為位置控制器，然后確定各子控制器之間的線性或非線性關系，以構成最終的 系統(tǒng)控制器。
[0015] 步驟三：切換原則： 設計一個有效的切換方案，來選擇能夠描述當前被控對象的最佳子模型，將與這些子 模型相對應的子控制器映射成最終的控制作用U:
其中，I為一個線性或非線性映射函數(shù)，針對不同的多模型控制器，映射函數(shù)會有所不 同，因此，名可以有不同的表示形式； 合理的切換原則能夠實現(xiàn)多模型集和多控制器集的有效調度，以確定整個多模型控制 系統(tǒng)的結構，因此，需要選擇合理的切換性能指標及算法，以保證系統(tǒng)能夠準確、快速、穩(wěn)定 地切換至最佳模型，同時避免切換時所產生的震蕩。
[0016] 本發(fā)明利用模糊多模型切換算法來完成力和位置兩種控制的切換，以保證其平穩(wěn) 過渡，其模糊控制器具有一個輸入、兩個輸出，輸入為機器人關節(jié)力傳感器檢測出的力Li， 輸出為控制權值，，模糊切換是根據(jù)關節(jié)反饋力的有無來控制權值，^和麵!，這兩個控 制權值的論域為{〇, 1}，力控制器輸出議和位置控制器輸出七分別乘以_和_作為被控對 象的輸入量；當反饋回來的力為零時，權值尾取值在〇附近，權值取值在1附近，系統(tǒng)會 選擇位置控制器，此時系統(tǒng)由力控制切換為位置控制；當反饋回來的力不為零時，權值:1 取值在1附近，權值_廉值在〇附近，那么系統(tǒng)會選擇力控制器，此時系統(tǒng)由位置控制切換 為力控制；并且在進行位置和力相互切換的過程中，由于控制權值能夠對切換速度進行精 確的控制，使得機器人在進行力/位切換過程中，系統(tǒng)并不是突然地轉變，而是一個漸變的 過程，能夠有效地緩沖足端與地面之間的碰撞力，從而使得加力過程更平穩(wěn)，力波動更小， 因此模糊多模型切換可以實現(xiàn)機器人關節(jié)力控制和位置控制的平順切換。
[0017] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是： (1)實現(xiàn)機器人的精確定位。
[0018] 在機器人足端脫離地面時進行關節(jié)位置控制，針對不同運動階段對速度的不同要 求，設計速度PID控制算法，實現(xiàn)機器人在接觸地面之前的精確定位控制。
[0019] (2)減少足端與地面接觸所產生的沖擊與擾動。
[0020] 在機器人足端接觸到地面時進行關節(jié)力控制，針對機器人與地面接觸過程中存在 大量的不確定性干擾，設計基于負載力補償?shù)淖钥箶_控制策略，以抑制機器人與地面接觸 時外部環(huán)境的擾動，實現(xiàn)精確、穩(wěn)定的力控制。
[0021] (3)削弱力和位置切換過程所產生的抖動、保證切換平穩(wěn)過渡。
[0022] 在機器人進行力和位置切換時，針對切換過程產生的抖動問題，提出模糊多模型 切換算法，以削弱力和位置切換過程所產生的抖動，實現(xiàn)力和位置的平順切換。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的控制結構框圖； 圖2是本發(fā)明的多模型控制模塊框圖； 圖3是本發(fā)明的模糊切換的模糊推理系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細的描述。
[0025] 本發(fā)明是一種液壓四足機器人單腿關節(jié)力/位切換控制方法，如圖1所示，包括多 模型控制模塊(虛線框）和模糊控制模塊(實線框)。
[0026] 所述多模型控制模塊如圖2所示，包括多模型集、多控制器集和切換原則。
[0027] 所述模糊控制模塊，包括模糊化、模糊推理和非模糊化三個環(huán)節(jié)；相應的模糊切 換控制模塊如圖3所示，具有一個輸入、兩個輸出，輸入為機器人關節(jié)力傳感器檢測出的力 Li，輸出為控制權值
[0028]為了達到精確定位的目的，當機器人足端未接觸地面時，進行關節(jié)位置控制；為了 避免機器人足端與地面接觸時產生過大的接觸力并保證機器人能在約束環(huán)境中具有一定 的靈活性，當機器人足端接觸地面時，進行關節(jié)力控制；為了削弱機器人足端與地面碰撞時 產生的沖擊力，機器人與地面之間由未接觸到接觸或是由接觸到不接觸之間的轉換則是通 過力/位置切換控制來完成，為了降低在機器人進行力/位置切換時產生系統(tǒng)參數(shù)跳變及 其抖動的不良影響，本發(fā)明將模糊控制和多模型控制有機地結合，提出了一種模糊多模型 切換算法，建立了液壓四足機器人單腿關節(jié)的力/位平順切換控制，具體按照如下三個步 驟進行。
[0029]步驟一：多模型的建立： 在機器人行走過程中，由于機器人與地面存在接觸與不接觸兩個階段，于是對機器人 進行關節(jié)力和關節(jié)位置的分段控制。采用兩個模型