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燕山大学考研，燕山大学考研分数线

引用论文

朱琦歆, 俞滨, 王春雨, 巴凯先, 孔祥东. 液压驱动单元基于力的阻抗控制系统前馈抗扰控制研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(4): 295-307.

ZHU Qixin, YU Bin, WANG Chunyu, BA Kaixian, KONG Xiangdong. Research on Feedforward Disturbance Rejection Control for Force-based Impedance Control System of Hydraulic Drive Unit[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2023, 59(4): 295-307.

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液压驱动单元(HDU)是液压驱动型足式机器人常用的关节驱动器，具有集成度高、功率密度大等特性。机器人顶层规划后，需依靠其完成具体动作，实现机器人的行走、对角小跑、奔跑等步态。HDU所受外负载会随机器人腾空相和着地相频繁大幅变化，严重影响系统性能。若能使HDU基于力的阻抗控制系统具备高性能，则可有效减小机器人运动过程中足地接触时的碰撞力，保证机器人运动的平稳性。因此，为了提高基于力的阻抗控制系统的抗外扰动能力，燕山大学的朱琦歆、俞滨、王春雨、巴凯先和孔祥东研究了一种前馈抗扰控制(FDRC)，并作为《机械工程学报》2023年4期的封面文章发表了题为《》一文。

试验方法

图1所示为HDU性能测试试验平台实物图，其中左侧的HDU为加载系统，采用位置闭环控制；右侧的HDU为待测系统，采用基于力的阻抗控制。

图1 HDU性能测试试验平台实物图

为了验证干扰位置对HDU力控制内环和基于力的阻抗控制系统的影响，以及该情况下FDRC对干扰位置的抑制效果，设计了如表1所示的试验工况。其次，为了进一步验证FDRC的工况适应性，设计了如表2所示的试验工况。

试验结果

FDRC对HDU基于力的阻抗控制系统的位置干扰有一定的抑制作用，但与试验2、试验3、试验5和试验6相比，其抑制效果不明显。上述现象的解释为，试验16~试验19对应的工况存在动态的力跟随，该情况下的力偏差由干扰位置产生的力偏差和跟随产生的力偏差组成。例如：试验2工况在加入FDRC前的力偏差约60 N，加入FDRC后的力偏差约10 N，力偏差消减约50 N；在与试验2工况对应的试验16中，加入FDRC前的力偏差约125 N，加入FDRC后的力偏差约75 N，力偏差消减约50 N；由此说明FDRC对试验2和试验16两种情况的力偏差消减作用相同，在加入FDRC后，试验16中剩余的力偏差基本是跟随产生的力偏差，约65 N。

FDRC对三角波的干扰位置同样具有较好的抑制效果。具体表述为：FDRC1对斜坡段的干扰位置(该阶段速度恒定，加速度为零)具有非常好的抑制效果，但对峰值拐点的干扰位置(该阶段速度突变，存在加速度)基本无抑制作用；FDRC2对斜坡段的干扰位置基本无抑制作用，但对峰值拐点的干扰位置具有较好的抑制效果。

结论

(1) FDRC对HDU基于力的阻抗控制及其力控制内环的干扰位置均具有很好的抑制作用，但由于前者的偏差中还存在力跟随导致的偏差，以致FDRC对干扰位置的抑制效果不明显。

(2) FDRC对不同工况下的干扰位置均具有很好的抑制作用，且FDRC1与干扰位置的速度相关，无论是低频或高频的干扰位置，其均能起到较好的抑制效果；FDRC2与干扰位置的加速度相关，对低频的干扰位置抑制效果不明显，对高频的干扰位置具有显著的抑制效果，凸显了其动态抑制作用。

前景与应用

液压驱动型足式机器人具有足式机器人和液压驱动的双重优势，相比于轮式机器人和履带式机器人，其运动能力更强；相比于电机驱动和气压驱动，其负重能力和响应速度更快。因此，该型机器人特别适合用于野外复杂环境下的勘探、运输、救援、军事辅助等任务，已成为各国机器人研究人员的研究热点。

但目前的控制方法主要是集中于液压位置控制系统，针对液压力控制系统的抗干扰控制研究相对较少。另一方面，其也不是针对HDU基于力的阻抗控制系统设计的，这些方法在该系统中应用是否有效仍有待进一步验证。为了提高HDU基于力的阻抗控制系统对外界干扰位置的抑制性能，在前期建立HDU力控制数学模型及控制框图的基础上，本文设计的前馈抗扰控制可以提高机器人对外界环境的适应性，提高机器人的控制性能。

[1] Zhu Qixin, Huang Dunhao, Yu Bin, Ba Kaixian, Kong Xiangdong, Wang Shoukun. An improved method combined SMC and MLESO for impedance control of legged robots' electro-hydraulic servo system [J]. ISA Transactions, 2022, 130: 598-609.

[2] 巴凯先, 孔祥东, 朱琦歆, 李春贺, 赵华龙, 俞滨. 液压驱动单元基于位置/力的阻抗控制机理分析与试验研究[J]. 机械工程学报，2017，53(12)：172-185.

[3] Ba Kaixian, Song Yanhe, Yu Bin, Wang Chunyu, Li Huashun, Zhang Junxiao, Ma Guoliang. Kinematics correction algorithm for the LHDS of a legged robot with semi-cylindrical foot end based on V-DOF[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 167, 2022: 108566.

[4] Ba Kaixian, Yu Bin, Kong Xiangdong, Li Chunhe, Zhu Qixin, Zhao Hualong, Kong Lingjian. Parameters sensitivity characteristics of highly integrated valve-controlled cylinder force control system[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2018，31(1): 43.

论文作者介绍

朱琦歆，博士毕业于燕山大学，现为浙江大学机械工程学院博士后，主持中国博士后面上项目1项、省部级项目1项，参与国家重点研发计划等国家级项目4项，主要研究方向为电液伺服系统匹配与控制、足式机器人液压系统设计与控制。

俞滨，燕山大学机械工程学院教授、博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者、上银优秀机械博士论文奖指导教师、全国“挑战杯”竞赛优秀指导教师、河北省师德标兵、青年拔尖人才、秦皇岛市“五一”劳动奖章获得者。获省部级科技进步一等奖3项、省部级教学成果一等奖1项。研究方向为足式机器人液压驱动。

王春雨，燕山大学硕士研究生。主要研究方向为电液伺服控制系统、机器人设计与控制。

巴凯先(通信作者)，燕山大学机械工程学院副教授、博士生导师，入选第五届中国科协“青年人才托举工程”、河北省优青、河北省青拔。获得第九届上银优博特别奖。主要研究方向为足式机器人设计与控制、液压人工智能。

孔祥东，燕山大学教授、博士生导师，主要研究方向为流体传动与控制。获国务院特殊津贴专家、河北省高端人才、河北省省管优秀专家、河北省优秀回国人员。现为先进制造成形技术及装备国家地方联合工程研究中心主任、河北省重型机械流体动力传输与控制实验室主任、机械工业流体动力传输技术重点实验室主任。兼职中国机械工程学会荣誉理事，中国机械工程学会流体传动与控制分会荣誉主任委员，教育部高等学校机械类专业教学指导委员会委员，国家级“机电液一体化教学团队”负责人等。

主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重大项目课题、国家重点基础研究计划(973计划)项目课题，国家科技支撑计划及省部级课题与企业合作项目100余项，授权国家专利100余项，出版著作8部，发表论文200余篇，获省部级科技进步一等奖5项，省部级教学成果奖4项。

团队研究方向

①足式机器人液压驱动；

②液压伺服控制系统；

③液压系统轻量化。

实验室或者课题组在研项目和获得的研究成果

1、课题组科研特色：

在燕山大学液压实验室直接搭建完成或支持改造了以下6个实验平台：

1. 液压驱动四足机器人整机平台，该平台为足式机器人整机，机身液压元件、油箱、油源系统采用最新轻量化技术，可用于控制算法实验对比。

2. 足式机器人新型单腿双关节液压驱动系统实验平台，采用二自由度阀控结构，腿部液压元件采用最新轻量化设计，可用于实验对比研究。

3. 足式机器人单腿三关节阀控液压驱动系统实验平台，三关节均采用阀控非对称缸液压驱动单元驱动，可用于腿部逻辑控制算法实验对比。

4. 足式机器人泵阀复合控非对称缸性能测试实验平台，一侧采用泵阀复合控伺服缸原理，另一侧采用阀控伺服缸进行加载，可为液压底层高精度数学模型提供实验对比。

5. 足式机器人阀控对称缸液压驱动单元性能测试实验平台，该实验平台采用双液压驱动单元对顶加载原理，可用于研究机器人单个关节液压驱动单元位置控制、力控制和柔顺控制方法实验对比验证。

6. 足式机器人足端负载模拟实验平台。该平台可实现腿部足端负载特性模拟以及对腿部足端实现二维主动加载，可作为主动刚度自适应调节的实验验证平台。

现有相关实验条件如下所示。

图1 已具备的实验条件

2、近两年主要研究成果：

[1] Kai-xian Ba, Yan-he Song, Bin Yu*, Chun-yu Wang, Hua-shun Li, Jun-xiao Zhang, Guo-liang Ma*. Kinematics correction algorithm for the LHDS of a legged robot with semi-cylindrical foot end based on V-DOF[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 167, 2022: 108566.

[2] Kai-xian Ba, Yan-he Song, Ya-peng Shi, Chun-yu Wang, Guo-liang Ma, Yuan Wang, Bin Yu*, Li-peng Yuan.A Novel One-Dimensional Force Sensor Calibration Method to Improve the Contact Force Solution Accuracy for Legged Robot [J]. Mechanism and Machine Theory, 169, 2022: 104685.

[3] Qi-xin Zhu, Dun-hao Huang, Bin Yu, Kai-xian Ba, Xiang-dong Kong, Shou-kun Wang. An improved method combined SMC and MLESO for impedance control of legged robots' electro-hydraulic servo system [J]. ISA Transactions, 2022, DOI:10.1016/j.isatra.2022.03.009.

[4] Kai-xian Ba, Yan-he Song, Bin Yu*, Xiao-long He, Zhi-peng Huang, Chun-he Li, Li-peng Yuan, Xiang-dong Kong. Dynamics compensation of impedance-based motion control for LHDS of legged robot[J]. Robotics and Autonomous Systems, 139, 2021: 103704.

[5]孔祥东,朱琦歆,姚静,尚耀星,祝毅.“液压元件与系统轻量化设计制造新方法”基础理论与关键技术[J].机械工程学报,2021,57(24):4-12.

[6] Kai-xian Ba, Guo-liang Ma, Bin Yu*, Zheng-guo Jin, Zhi-peng Huang, Jun-xiao Zhang, Xiang-dong Kong. A nonlinear model-based variable impedance parameters control for position-based impedance control system of hydraulic drive unit [J]. International Journal of Control, Automation and Systems, 18, 7, 2020, 1806-1817.

[7] Kai-xian Ba, Bin Yu*, Ya-liang Liu, Zheng-guo Jin, Zheng-jie Gao, Jun-xiao Zhang Xiang-dong Kong. Fuzzy terminal sliding mode control with compound reaching law and time delay estimation for HDU of legged robot [J].Complexity, 2020, 2020: 5240247.

[8] Guo-liang Ma, Kai-xian Ba*, Zhi-wu Han, Zheng-guo Jin, Bin Yu, Xiang-dong Kong. A mathematical model including mechanical structure, hydraulic and control of LHDS [J]. Robotica, 2021,39(7):1328-1343.

[9] Qi-xin Zhu, Bin Yu, Zhi-peng Huang, Kang Yan, Xiang-dong Kong, Kai-xian Ba*.State feedback-based impedance control for legged robot hydraulic drive unit via full-dimensional state observer[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2020, 17(3):1-15.

作者：朱琦歆‍

责任编辑：李娜

责任校对：金程

审核：张强

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