【摘 要】
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控制技术的发展以及人们对机器人技术了解的增加,逐渐使机器人技术在人类活动的诸多领域中得到了应用。电机驱动、液压伺服驱动以及气压驱动等多种驱动方式被广泛运用于机器人的动力驱动中。其中,液压伺服驱动式机器人具有承载能力高、适应性强、响应速度快等诸多优点,能够在很大程度上代替人类执行各种复杂的任务,具有广阔的应用前景。髋关节助力外骨骼机器人使用典型的弧形液压执行器驱动,用于帮助髋关节完成多种动作(例如跑
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控制技术的发展以及人们对机器人技术了解的增加,逐渐使机器人技术在人类活动的诸多领域中得到了应用。电机驱动、液压伺服驱动以及气压驱动等多种驱动方式被广泛运用于机器人的动力驱动中。其中,液压伺服驱动式机器人具有承载能力高、适应性强、响应速度快等诸多优点,能够在很大程度上代替人类执行各种复杂的任务,具有广阔的应用前景。髋关节助力外骨骼机器人使用典型的弧形液压执行器驱动,用于帮助髋关节完成多种动作(例如跑步、爬升、弯腰和转身)所需的力量增强。这些电液伺服阀的流量压力特性和流量控制变化引起电液系统固有的非线性动态特性,使得电液伺服系统的控制精度和鲁棒性很难达到。因此,开发用于紧凑结构和大输出液压关节的高性能控制器一直是机器人领域的研究热点。滑模控制器(SMC)是一种应用广泛的非线性鲁棒控制器,它旨在减小或消除伺服系统参数的不确定性和髋关节外骨骼动力学非线性的影响。然而,大死区的存在会降低闭环系统的性能,导致系统不稳定而引发输出的不期望波动。此外,当这些高频欠阻尼振荡超过系统固有频率时,损坏致动器机械部件的风险增加。本文提出并将SMC与延迟补偿技术的结合,研究了两种方法:1)Smith Smith Predictor方案;2)时延估计(TDE)方案。这些延迟补偿技术与滑模控制相结合,消除了死区时间对系统性能的影响,同时,通过滑模控制克服了系统的非线性和固有参数不确定性。本论文有两个主要贡献:首先,设计一种鲁棒性滑模控制器,该控制器可计算系统的参数不确定性;其次,开发了延迟补偿技术以减轻死区时间或延迟时间对电液伺服系统闭环性能的影响。EHA系统是根据物理定律的理论建模的,它考虑了系统中非线性、不确定性和扰动的影响。在此基础上,提出了一种基于滑模控制律的鲁棒控制策略。针对具有非线性和模型不确定性的EHA系统,设计了相应的控制策略。SMC-SP方案中使用了典型电液伺服系统的ARX,SS和NLARX模型。实验结果证明了所提出控制器的鲁棒性。建议的SMC控制器迫使关节连杆跟踪所需路径,实现了平滑跟踪的同时并减少了稳态误差。然后,通过改变未建模的负载质量,测试了系统对参数不确定性的鲁棒性,并对结果进行了比较。最后,通过人工改变传输延迟周期来测试所提出的延迟补偿方案,比较了常规PID控制器和所提出方法的控制效果。结果表明,所提出的控制方法保证了执行器在大参数不确定性和死区/延迟时间下的鲁棒性和稳定性,能够比传统方法控制的系统获得了更好的跟踪性能。
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