一、基本信息：

吉林大学·机械与航空航天工程学院，研究方向：仿生机器人

发表于Biomimetics

影响因子：4.5

论文查询网址：https://www.mdpi.com/2313-7673/8/8/561

二、论文内容简介

本文提出了一种针对具有刚柔耦合特性的机器人的分层控制策略。该策略包括：

2.1 基于实时运动轨迹进行腿部受力预测，并对柔性部件造成的误差进行前馈补偿；

2.2 基于刚体躯体的质心动力学模型，通过综合考虑质心角动量（CAM）和质心线动量（CLM））和车身轨迹得出保持车身稳定的最佳驱动扭矩；

2.3 通过液压驱动单元的滑膜控制算法，结合柔性支腿的动力学模型，实现液压驱动单元的精确控制。

最后在一个重3.5 吨的六足仿生机器人实验平台对所提出的方法进行了验证，证明所引入的方法可以降低柔性变形导致的系统振动，提高系统的稳定性。

三、研究背景

近年来，随着对越来越多非结构化环境的探索，腿部机器人技术取得了长足进步，尤其是由液压系统驱动的大型腿部机器人，其承载能力和操作能力均得到了充分展示。然而，重型机器人腿部在运动过程中的弹性变形会影响系统的整体稳定性和运动轨迹的跟踪精度。柔性系统和刚性系统之间的运动耦合非常复杂，腿部的柔性变形会影响能耗并引起机器人的身体摆动。因此需要对具有刚柔耦合特性的足式机器人的运动控制策略进行深入研究。

四、创新内容与工程应用价值

本文提出了一种基于机器人刚柔耦合特性的分层控制策略。通过机器人的惯性测量单元、足端力传感器和油缸位置传感器获得机器人的实时重心位置。然后，利用卡尔曼算法预测足端力，继而对单腿柔性变形进行前馈补偿，减小每条腿的底部与脚端位置之间因柔性变形而产生的偏差。为了提高机器人的地形适应能力，在与地面接触的最初四肢采用了基于内环位置的阻抗控制。当脚端力达到目标阈值时，采用精确的力控制方法。首先，对 质心线动量、质心角动量和身体轨迹进行轨迹跟踪，以获得所需的腿部驱动力矩。然后，利用滑模控制算法精确控制电液伺服阀控制油缸系统的输出力，消除前馈补偿的剩余偏差和未知干扰对机器人刚性躯体的影响。

五、基于灵思创奇设备

灵思创奇的半实物仿真机作为实时运动控制单元，通过高性能IO板卡实现高精度电液伺服阀的实时电压输出与压力/位置传感器的采样，实现机器人液压驱动单元的闭环控制，并通过串口通讯与IMU和力传感器进行通讯，实现整体控制算法的验证，极大地减小了产品的开发周期。