四足机器人液压驱动系统轻量化参数匹配方法研究

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足式机器人与液压驱动的结合,使机器人具备了大负重和快速响应能力,在军民领域拥有巨大的应用潜力。液压驱动系统是足式机器人重要的子系统之一,负责按需求驱动机器人各关节运动,以实现机器人的各种步态运动,包含液压油源(产生高压液压油)和液压驱动单元(驱动机器人关节运动)。液压驱动系统若不能完全满足机器人各种步态的出力和速度需求,其将严重制约机器人的运动能力。因此,液压驱动系统性能是机器人性能优劣的决定性因素之一,为了使液压驱动系统能满足机器人的运动需求,其原始设计阶段的参数匹配方法是关键。另一方面,机器人自重同样是影响其性能的重要因素之一,而液压驱动系统重量占比大,极具轻量化潜力。因此,若能研究一种足式机器人液压驱动系统轻量化参数匹配方法,将有助于机器人减重,提升其负重能力、动态性能和续航能力,还有利于节能减排。本文旨在研究一种四足机器人液压驱动系统轻量化参数匹配方法,重点开展以下研究工作:(1)进行四足机器人液压驱动原理设计与分析。对四足机器人液压驱动系统进行轻量化原理设计,提出一种旋转配油型腿部新结构(将该型腿组成的液压四足机器人称为YYBZ型四足机器人);规划四足机器人不同步态的足端轨迹,并对四足机器人进行不同环境的动力学仿真,获得机器人各关节旋转型负载轨迹;以四足机器人液压驱动系统轻量化为目标,结合机器人液压驱动系统参数类型及特点,分析液压驱动系统轻量化参数匹配的关键技术。(2)研究四足机器人动力机构与负载的轻量化匹配方法。针对阀控液压系统,定义系统有效压力,以描述动力机构四象限输出特性;提出四象限负载等效方法,以简化四象限负载匹配;分析动力机构位置控制系统及其性能指标,并提出一种确定反馈校正和顺馈校正参数的方法,以获得校正后系统描述参数;结合机器人轻量化需求和动力机构的驱动需求,提出轻量化的负载匹配指标,设计轻量化的负载匹配方法,并针对负载匹配后的动力机构参数,提出参数修正方法。(3)研究四足机器人腿部关节铰点位置轻量化优化方法。针对串联铰接形式的四足机器人单腿,建立表征其腿部铰点位置的通用数学模型,推导机器人腿部关节液压驱动单元等效质量的通用表达式,并建立液压驱动系统质量表达式;针对机器人腿部关节铰点位置,提出铰点位置约束体系,并提出四足机器人关节铰点位置优化指标,采用智能优化算法实现四足机器人腿部关节铰点位置的轻量化自动寻优。(4)研究四足机器人液压驱动系统轻量化匹配设计方法。融合轻量化的负载匹配方法和铰点位置优化方法,采用粒子群优化算法,提出四足机器人液压驱动系统轻量化参数匹配方法,并设计相应的自动匹配程序;应用上述自动匹配程序,对YYBZ型四足机器人液压驱动系统进行轻量化参数匹配,获得关节铰点位置、液压驱动单元参数和液压油源流量曲线,进而对该型四足机器人液压驱动系统进行三维设计。(5)对四足机器人轻量化液压驱动系统进行验证。搭建液压驱动单元实验系统,验证动力机构与四象限负载的轻量化匹配方法;搭建YYBZ型四足机器人单腿实验系统,验证该机器人关节运动边界和减重效果,与传统液压四足机器人单腿对比,验证该型四足机器人单腿的运动性能;搭建YYBZ型四足机器人整机,并进行不同工况的实验,以验证该型四足机器人液压驱动系统满足设计要求。
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