一种液压四足机器人单腿关节力/位切换控制方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及四足机器人控制技术领域，尤其涉及一种液压四足机器人单腿关节力 /位切换控制方法。
【背景技术】
[0002] 液压驱动四足机器人足端与地面之间相互作用的控制，是液压四足机器人控制 的核心内容之一，机器人在行走过程中，足端从悬空下降到地面，足端与地面发生接触，存 在相互作用力，如果接触力过大，可能导致机器人的本体结构或电器元件的损坏，通常情况 下，足端与地面接触碰撞的时间越短，碰撞的速度会越大，瞬间的冲击力就越大，如果不及 时的将机器人从位置控制状态切换到力控制状态，机器人就会因冲击力过大导致机器人运 动不稳定，之前的机器人多采用位置控制，通过控制最终变形量和接触速度来获得满意的 接触力，但是液压四足机器人实际作业的地形环境复杂多变，如果只是单纯地通过提高位 置控制精度来达到控制力的目的，已经不能满足机器人高频、高速的运动要求，必须对接触 力进行控制。
[0003] 因此，需要对四足机器人的运动进行分段控制，从机器人足端未接触到地面到接 触到地面有一段空间距离，这段距离的控制主要是为了达到精确定位的目的，这段行程进 行位置控制；当足端接触地面时，液压四足机器人的运动就会受到地面的约束，在约束运动 过程中，机器人系统及地形环境的模型很难精确地表达，这种情况下需要用接触力来描述 他们之间的交互作用，为了避免机器人足端与地面接触时产生过大的接触力并保证机器人 能在约束环境中具有一定的灵活性，此时应进行力控制；而机器人与地面之间由未接触到 接触或是由接触到不接触之间的转换则是通过力/位置切换控制来完成，在机器人系统进 行力/位置切换时会产生系统参数跳变及其抖动的不良影响，因此，两者之间的切换控制 方法至关重要，良好的切换控制可实现机器人由位置到力或由力到位置的平顺切换，可以 削弱机器人足端与地面碰撞时产生的冲击力。
[0004] 中国专利文献CN104626168A公开了一种基于智能算法的机器人力位柔顺控制方 法，该控制系统基于位置的阻抗控制方式，通过测量机器人各关节伺服电机电流和各关节 转动位置，综合解算出机械手末端与工件结合处的交互力值；采用预测算法预测机器人与 环境的交互力值，并与上述解算得到的交互力值做比较，经过能量均衡校正算法处理的输 出即为控制系统实际力感知，控制系统据此进行装配机器人轨迹末端位置设定，以此形成 各关节伺服电机控制信号，以此控制伺服电机，实现力-位柔顺控制。
[0005] 中国专利文献CN102837314A公开了一种机器人控制器力位混合控制的实现方 法，提出了一种实用的力/位混合控制方案，给出了相应的硬件和软件的具体实现。
[0006] 以上两个发明均是对机器人的力控制和位置控制进行研究，但两个发明研究都是 机器人力和位置混合控制方案，对于机器人力和位置之间的切换，特别是机器人在进行力 和位置切换时的平稳性，经查阅相关资料，尚没有相应的专利对其进行研究，因此，本发明 具有一定的原创性。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的缺陷和技术需求，本发明提出了一种液压四足机器人单腿关节力 /位切换控制方法，其主要思想是：将机器人的运动进行分段控制，在机器人足端接触到地 面时进行关节力控制，以减少足端与地面接触所产生的冲击与扰动；在机器人足端脱离地 面时则进行关节位置控制，以实现机器人的精确定位；在机器人进行力和位置切换时，针对 切换过程产生的抖动问题，采用模糊多模型切换算法完成力和位置两种控制的切换，以保 证其平稳过渡。
[0008] 为了解决上述技术问题，本发明予以实现的技术方案是： 一种液压四足机器人单腿关节力/位切换控制方法，该方法包括多模型控制模块和模 糊控制模块，所述多模型控制模块(虚线框）包括多模型集、多控制器集和切换原则；所述模 糊控制模块(实线框）包括模糊化、模糊推理和非模糊化三个环节，相应的模糊切换控制具 有一个输入、两个输出，输入为机器人关节力传感器检测出的力Li，输出为控制权值、，将上 述的多模型控制模块和模糊控制模块有机地结合，按照下述步骤构成了液压四足机器人单 腿关节的力/位切换控制。
[0009] 步骤一：多模型集： 多模型控制的基本思想是：在多个工作点上或多种工况下将非线性过程或线性不确 定过程划分为若干个线性化模型，利用多个模型来逼近整个系统的动态特性，由此把非线 性过程或线性不确定过程划分为多个子空间，为每一个子空间建立一个失配较小的数学模 型，针对每个子模型，设计相应的子控制器，然后利用一个有效的切换方案，将这些简单的 子控制器映射成最终的控制作用，最终完成复杂系统的控制。
[0010] 根据被控对象参数的多变性和结构的不确定性，建立多个被控对象的模型，使之 构成多模型集_:
其中，η虽然表示的是以模型％为元素的一个模型集，但是实际上此模型集是一个广 义的模型集，模型既可以表示系统模型，也可以表示一个复杂工业过程的不同操作工序或 者不同的状态反馈矩阵。
[0011] 多模型控制是利用多个模型来描述系统的动态特性，每个模型表示被控对象在系 统中某一参数子空间内的特性，或表示被控对象在某种工况下的特性等，因此，模型集的确 立直接影响了系统的控制精度和控制性能。
[0012] 在机器人行走过程中，由于机器人与地面存在接触与不接触两个阶段，于是对机 器人进行关节力和关节位置的分段控制，因此，采用两个模型来逼近整个机器人系统的动 态特性，模型1为机器人力控制模型，模型2为机器人位置控制模型。
[0013] 步骤二：多控制器集： 在模型集;的基础上，根据多个不同的模型相应地建立多个控制器，构成控制器集名:：
其中，策为基于模型集设计的控制器集，_:为基于模型集中各模型元素ii而设计的 控制器，控制器的选取比较灵活，可以是PID控制器，鲁棒控制器，自适应控制器，预测控制 器等等。
[0014] 针对不同子空间相应的子模型设计相应的子控制器，那么就有控制器1为力控制 器，控制器2为位置控制器，然后确定各子控制器之间的线性或非线性关系，以构成最终的 系统控制器。
[0015] 步骤三：切换原则： 设计一个有效的切换方案，来选择能够描述当前被控对象的最佳子模型，将与这些子 模型相对应的子控制器映射成最终的控制作用U:
其中，I为一个线性或非线性映射函数，针对不同的多模型控制器，映射函数会有所不 同，因此，名可以有不同的表示形式； 合理的切换原则能够实现多模型集和多控制器集的有效调度，以确定整个多模型控制 系统的结构，因此，需要选择合理的切换性能指标及算法，以保证系统能够准确、快速、稳定 地切换至最佳模型，同时避免切换时所产生的震荡。
[0016] 本发明利用模糊多模型切换算法来完成力和位置两种控制的切换，以保证其平稳 过渡，其模糊控制器具有一个输入、两个输出，输入为机器人关节力传感器检测出的力Li， 输出为控制权值，，模糊切换是根据关节反馈力的有无来控制权值，^和麵!，这两个控 制权值的论域为{〇, 1}，力控制器输出議和位置控制器输出七分别乘以_和_作为被控对 象的输入量；当反馈回来的力为零时，权值尾取值在〇附近，权值取值在1附近，系统会 选择位置控制器，此时系统由力控制切换为位置控制；当反馈回来的力不为零时，权值:1 取值在1附近，权值_廉值在〇附近，那么系统会选择力控制器，此时系统由位置控制切换 为力控制；并且在进行位置和力相互切换的过程中，由于控制权值能够对切换速度进行精 确的控制，使得机器人在进行力/位切换过程中，系统并不是突然地转变，而是一个渐变的 过程，能够有效地缓冲足端与地面之间的碰撞力，从而使得加力过程更平稳，力波动更小， 因此模糊多模型切换可以实现机器人关节力控制和位置控制的平顺切换。
[0017] 与现有技术相比，本发明的有益效果是： (1)实现机器人的精确定位。
[0018] 在机器人足端脱离地面时进行关节位置控制，针对不同运动阶段对速度的不同要 求，设计速度PID控制算法，实现机器人在接触地面之前的精确定位控制。
[0019] (2)减少足端与地面接触所产生的冲击与扰动。
[0020] 在机器人足端接触到地面时进行关节力控制，针对机器人与地面接触过程中存在 大量的不确定性干扰，设计基于负载力补偿的自抗扰控制策略，以抑制机器人与地面接触 时外部环境的扰动，实现精确、稳定的力控制。
[0021] (3)削弱力和位置切换过程所产生的抖动、保证切换平稳过渡。
[0022] 在机器人进行力和位置切换时，针对切换过程产生的抖动问题，提出模糊多模型 切换算法，以削弱力和位置切换过程所产生的抖动，实现力和位置的平顺切换。
【附图说明】
[0023] 图1是本发明的控制结构框图； 图2是本发明的多模型控制模块框图； 图3是本发明的模糊切换的模糊推理系统。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细的描述。
[0025] 本发明是一种液压四足机器人单腿关节力/位切换控制方法，如图1所示，包括多 模型控制模块(虚线框）和模糊控制模块(实线框)。
[0026] 所述多模型控制模块如图2所示，包括多模型集、多控制器集和切换原则。
[0027] 所述模糊控制模块，包括模糊化、模糊推理和非模糊化三个环节；相应的模糊切 换控制模块如图3所示，具有一个输入、两个输出，输入为机器人关节力传感器检测出的力 Li，输出为控制权值
[0028]为了达到精确定位的目的，当机器人足端未接触地面时，进行关节位置控制；为了 避免机器人足端与地面接触时产生过大的接触力并保证机器人能在约束环境中具有一定 的灵活性，当机器人足端接触地面时，进行关节力控制；为了削弱机器人足端与地面碰撞时 产生的冲击力，机器人与地面之间由未接触到接触或是由接触到不接触之间的转换则是通 过力/位置切换控制来完成，为了降低在机器人进行力/位置切换时产生系统参数跳变及 其抖动的不良影响，本发明将模糊控制和多模型控制有机地结合，提出了一种模糊多模型 切换算法，建立了液压四足机器人单腿关节的力/位平顺切换控制，具体按照如下三个步 骤进行。
[0029]步骤一：多模型的建立： 在机器人行走过程中，由于机器人与地面存在接触与不接触两个阶段，于是对机器人 进行关节力和关节位置的分段控制。采用两个模型