高性能足式仿生机器人腿部液压驱动系统主被动复合柔顺控制

The legged creature is the bionic object of the hydraulic drive legged bionic robot that is competent to carry out tasks such as exploration, transportation, rescue and military assistance. Each joint of the robot requires good compliance in the robot moving process, so to research a novel active and passive compound control method that can be applied to the high performance legged robot hydraulic drive system is a significant requirement. In this project, the hydraulic drive system of the robot leg with multiple joints is researched as followed: (1) The hydraulic drive system mathematical model is built and the parameters are modified by the sensitivity method to provide highly accurate mechanism model for the compliance control method research. (2) The impedance control method of the hydraulic drive system is researched under multiple joints series structure coupling and the impedance control method composed of the stiffness control and the damping control is put forward. (3) the multiple-algorism-merged active compliance control method where the hydraulic system natural characteristics and load characteristics are considered is researched to improve the active compliance control performance. (4) the decoupling control method of the hydraulic drive system active and passive compliance control is researched to resolve the match problem of the active and passive compliance control. Finally, the hydraulic drive system active and passive compound compliance control method would be presented. The research results would have significant meaning on restraining the foot end time-varied load characteristics and alleviating the collision impact from the unknown high-stiffness environment, which will improve the robot moving control performance.

以足式生物为仿生对象的液压驱动型足式仿生机器人可胜任野外复杂环境下探测、运输、救援、军事辅助等任务。该类机器人在运动过程中对各关节的柔顺性有很高的要求，研究能够适用于机器人液压驱动系统的主被动复合柔顺控制方法，具有迫切需求。本项目以机器人腿部液压驱动系统为研究对象开展以下研究：(1)液压驱动系统数学建模及参数灵敏度分析，为柔顺控制方法研究提供高精度机理模型；(2)多关节机械串联耦合下液压驱动系统阻抗控制方法研究，提出一种刚度控制和阻尼控制结合的阻抗控制方法；(3)兼顾液压驱动系统固有特性和负载特性的多控制方法融合的主动柔顺控制研究，提高主动柔顺控制性能；(4)液压驱动系统主动与被动柔顺控制解耦控制方法研究，解决主被动柔顺控制匹配问题；最终提出液压驱动系统主被动复合的柔顺控制方法。研究成果对有效抑制机器人足端时变负载特性并缓解来自未知高刚度环境的碰撞冲击，提高机器人运动控制性能具有重要意义。

液压驱动型足式仿生机器人可胜任野外复杂环境下探测、运输、救援与军事辅助等任务，在运动过程中对各关节的柔顺性有很高的要求，研究能够适用于机器人液压驱动系统的主被动复合柔顺控制方法，具备迫切需求。.在本项目资助下，项目负责人建立了基于灵敏度分析和实验修正的液压驱动系统数学模型及机电液协同仿真系统，掌握了多控制方法融合的机器人腿部液压驱动系统主动柔顺控制方法，得到了机器人腿部液压驱动系统主被动相结合的复合柔顺控制方法，有效抑制了机器人足端时变负载特性并缓解来自未知高刚度环境的碰撞冲击，对提高机器人运动控制性能具有重要意义。.项目负责人依托本项目研究成果，于2018年晋升副教授，入选第三批“河北省青年拔尖人才”支持计划；2019年晋升博士生导师，获“上银优秀机械类博士论文特别奖”指导教师、河北省大学生创新创业大赛“优秀指导教师奖”。.本项目提出的柔顺外环控制方法，于2017年获河北省科技进步一等奖；提出的柔顺内环控制方法，成功应用于锻造压机及型钢轧制设备中，于2018年分别获得河北省科技进步一等奖及天津市科技进步一等奖。项目负责人将科研反哺于教学，于2019年获河北省教学成果一等奖。.项目研究成果在国内得到了一定的认可，在项目执行期间，项目负责人主持国家重点研发计划项目子课题1项，国家自然科学基金面上项目1项，省部级重点项目及人才资助项目各1项，其他省部级项目5项。项目负责人受10余家企事业单位委托，主持并签订技术研发合同，相关研究成果得到了应用与推广。.在本项目的资助下，项目负责人以第1作者或通讯作者发表学术论文17篇，其中SCI检索11篇，EI检索3篇，5篇符合“中国科技期刊卓越行动计划目录”；申请发明专利9项，其中授权3项，公开6项；培养博士研究生毕业1名，硕士研究生毕业6名。其中，由本项目培养的博士研究生(也为项目第5参与人)，于2019年成功入选第五届中国科协“青年人才托举工程”国家级人才计划。