液压四足机器人腿部关节控制策略研究

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机器人是集合了机械、电气、控制、传感器、计算机、人工智能等学科的交叉技术,在现代物流、医疗、道路交通、城市应急、能源矿产、军事国防等领域应用日趋广泛。多足仿生机器人是机器人技术的重要分支,其中液压四足机器人具有负载能力大、运动速度快、地形环境适应性好等优点,对复杂地形地貌特种运输等场景应用具有重要意义。本文以液压四足机器人腿部关节控制为背景,在对驱动系统建模分析的基础上开展液压四足机器人关节控制器与控制策略的设计。建立了液压四足机器人整机结构模型、腿部结构模型与关节驱动系统的数学模型,利用伯德图分析了关节驱动系统的稳定性。针对行走时足端悬空段采用积分分离PID控制器,具有良好的轨迹跟踪精度和快速性。对于足端触地段采用具有强抗扰性能的自抗扰控制器,可有效减小触地冲击,提高系统稳定性。针对积分分离PID控制器与自抗扰控制器参数整定问题,从智能优化处理的角度,以液压四足机器人腿部关节为研究对象,设计了基于智能算法的腿部关节控制策略。提出基于改进的天牛须搜索算法的积分分离PID控制策略,将积分分离PID控制器参数选取问题转化为智能算法求解三维函数优化问题,有效地解决了积分分离PID控制器参数选取问题。针对天牛须搜索算法采用固定缩减勘探步长与衰减因子使得局部搜索不细致的问题,提出基于Lévy飞行的天牛须搜索算法。针对天牛须搜索算法在搜索过程中未能考虑个体之间的差异与动态信息导致种群多样性损失的问题,提出基于精英选择机制和近邻移动策略的天牛须搜索算法。提出基于改进的樽海鞘群算法的自抗扰控制策略。将自抗扰控制器参数选取问题转化为智能算法求解十六维函数优化问题,从智能优化的角度完成了对液压四足机器人腿部关节力系统的控制策略设计。针对樽海鞘群算法在迭代寻优中忽略了搜索步长的强随机性而导致个体跳跃性过大使局部搜索不彻底的缺点,提出基于Lévy飞行和自增长策略的樽海鞘群算法。针对樽海鞘群算法根据搜索范围差值作为移动步长,并且算法中平衡与探测因子在迭代后期易出现指数灾难问题导致算法在迭代结束时的精度降低,提出基于扰动权重的樽海鞘群算法。通过测试函数完成了对所提出算法性能的数值测试实验,从计算精度、迭代速度、寻优路径等多方面验证了算法有效性。在液压四足机器人实验平台上完成了基于改进的天牛须搜索算法位置控制策略实验与基于改进的樽海鞘群算法力控制策略实验,实验结果验证了本文所提控制策略的有效性。
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