阻抗控制的特點(diǎn)及阻抗控制的實(shí)現(xiàn)方法

阻抗控制?

阻抗控制（eImpedance?Controling），線路板中的導(dǎo)體中會有各種信號的傳遞，為提高其傳輸速率而必須提高其頻率，線路本身若因蝕刻，疊層厚度，導(dǎo)線寬度等不同因素，將會造成阻抗值得變化，使其信號失真。故在高速線路板上的導(dǎo)體，其阻抗值應(yīng)控制在某一范圍之內(nèi)，稱為“阻抗控制”。?

PCB?跡線的阻抗將由其感應(yīng)和電容性電感、電阻和電導(dǎo)系數(shù)確定。影響PCB走線的阻抗的因素主要有：?銅線的寬度、銅線的厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)、介質(zhì)的厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、走線周邊的走線等。PCB?阻抗的范圍是?25?至120?歐姆。?

在實(shí)際情況下，PCB?傳輸線路通常由一個導(dǎo)線跡線、一個或多個參考層和絕緣材質(zhì)組成。跡線和板層構(gòu)成了控制阻抗。PCB?將常常采用多層結(jié)構(gòu)，并且控制阻抗也可以采用各種方式來構(gòu)建。但是，無論使用什么方式，阻抗值都將由其物理結(jié)構(gòu)和絕緣材料的電子特性決定：?

信號跡線的寬度和厚度??跡線兩側(cè)的內(nèi)核或預(yù)填材質(zhì)的高度??跡線和板層的配置??內(nèi)核和預(yù)填材質(zhì)的絕緣常數(shù)?

PCB傳輸線主要有兩種形式：微帶線（Microstrip）與帶狀線（Stripline）。

阻抗控制的特點(diǎn)

在實(shí)現(xiàn)力控制時，阻抗控制、力/位置混合控制、顯式力控方法，各有其獨(dú)特的特點(diǎn)。力/位置控制方法是基于將末端執(zhí)行器的坐標(biāo)空間按其是否被環(huán)境約束而分為位置子空間和力子空間，力/位置控制方法通過控制末端執(zhí)行器在位置子空間的位置和在力子空間的力來實(shí)現(xiàn)順應(yīng)控制，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以直接控制末端執(zhí)行器和環(huán)境間的相互作用力，這在有些場合是很重要的。其缺點(diǎn)是需要很多任務(wù)規(guī)劃以及需要在力控和位置控制之間切換。

而阻抗控制是靠調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器的位置和接觸力之間的動態(tài)關(guān)系來實(shí)現(xiàn)順應(yīng)控制的。這種方法為避碰、有約束和無約束運(yùn)動提供了一種統(tǒng)一的方法。其優(yōu)點(diǎn)是需要很少離線任務(wù)規(guī)劃，對擾動和不確定性有很好的魯棒性。能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)由無約束到有約束運(yùn)動的穩(wěn)定轉(zhuǎn)換。因此阻抗控制被認(rèn)為更適合完成裝配工作。其缺點(diǎn)是在實(shí)際中難于準(zhǔn)確得到末端執(zhí)行器的參考軌跡和環(huán)境的位置、剛度。從而既無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)位置控制又無法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)力控制。近年來提出了基于阻抗控制的力跟蹤算法，文獻(xiàn)［2］通過調(diào)節(jié)參考軌跡Xr給出了存在環(huán)境不確定性時的力跟蹤阻抗控制算法。

阻抗控制與顯式力控的相比，證明了在剛性環(huán)境，二階阻抗控制和有前饋的比例顯式力控的等價(jià)性。說明阻抗控制是較顯式力控更一般的方法，阻抗控制的主要特性是使機(jī)器人與環(huán)境的交互不受接觸的物體影響，而力控卻易受接觸物體的影響。

阻抗控制的實(shí)現(xiàn)方法

在阻抗控制的早期，使用了固定增益的PD控制，這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，但在機(jī)器人位形、速度變化時無法保持理想阻抗。經(jīng)過學(xué)者們的努力，發(fā)展了多種阻抗控制方法，總的看來有兩類實(shí)現(xiàn)阻抗控制的方法，一類是基于動力學(xué)模型的阻抗控制方法，另一類是基于位置的阻抗控制方法。

基于動力學(xué)模型的阻抗控制方法

基于動力學(xué)模型的控制方法是應(yīng)用最為廣泛的方法。這種方法檢測位置和接觸力，使用機(jī)器人動力學(xué)模型作為前饋輸入，所以這種控制策略依賴于動力學(xué)模型的精確性。同基于位置的阻抗控制方法相比，這種方法能提供為減小接觸力所需的較小的理想的阻尼和剛度?；谖恢玫淖杩箍刂品椒ㄍǔＫ芴峁┲荒苁谴蟮睦硐氲淖枘岷蛣偠?，這不利于減小機(jī)器人和約束之間的接觸力。

在基于動力學(xué)模型的控制方法中，首先提出基于動力學(xué)模型的控制方法，該方法在用計(jì)算力矩法實(shí)現(xiàn)理想阻抗時，需要知道機(jī)器人動力學(xué)模型。后來的學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展了基于動力學(xué)模型的控制方法，利用適當(dāng)選取的狀態(tài)反饋和前饋來實(shí)現(xiàn)魯棒阻抗控制，提出了基于精確機(jī)器人動力學(xué)模型的阻抗控制方法，其優(yōu)點(diǎn)是不需檢測力和避免了高增益。提出了把阻抗控制和力/位置混合控制器結(jié)合在一起混合阻抗控制器。引入目標(biāo)阻抗參考軌跡，將自適應(yīng)方法直接應(yīng)用到阻抗控制方法，不要求精確的動力學(xué)模型，缺點(diǎn)是由于測量噪音的影響，由自適應(yīng)方法難以得到足夠精度的阻抗控制參數(shù)。使用魯棒性控制來克服模型的不確定性，但需要大量的計(jì)算和很大的增益，這在實(shí)際中受到限制。

隨著人工智能研究的發(fā)展，運(yùn)用智能控制的研究成果，發(fā)展了多種控制策略來提高基于動力學(xué)模型的阻抗控制方法的控制性能，使基于動力學(xué)模型的控制器在存在動力學(xué)模型的不確定性時也能達(dá)到好的控制效果。

提出學(xué)習(xí)阻抗控制方法，給定目標(biāo)阻抗，學(xué)習(xí)控制器能通過學(xué)習(xí)，使操作機(jī)能夠隨著操作的重復(fù)進(jìn)行使閉環(huán)響應(yīng)達(dá)到目標(biāo)阻抗。其缺點(diǎn)是假定每次操作取同樣的初始位置和速度，且假定無動力學(xué)波動和測量噪聲。給出具有魯棒性的學(xué)習(xí)阻抗控制方法，使阻抗誤差在存在動力學(xué)波動和測量噪聲初始位置誤差的情況下收斂到趨于零的范圍內(nèi)。提出用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來補(bǔ)償機(jī)器人動力學(xué)和環(huán)境的不確定，通過訓(xùn)練使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂從而實(shí)現(xiàn)阻抗控制函數(shù)。

基于位置的阻抗控制方法

基于位置的阻抗控制方法在實(shí)施時是通過跟蹤理想阻抗模型的位置來實(shí)現(xiàn)的。這種方法要檢測位置、速度和接觸力，將檢測到的接觸力施加到理想阻抗模型，從而可以獲得理想位置矢量，使用內(nèi)部位置控制環(huán)來跟蹤這個理想位置矢量。這種方法不依賴于動力學(xué)模型。由于位置控制器的大增益會帶來關(guān)節(jié)的高剛度，這種方法的缺點(diǎn)是當(dāng)機(jī)器人的實(shí)際位置和模型理想位置矢量不同時將帶來大的阻抗誤差，從而將這種方法限制在簡單任務(wù)中。

為工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)了一個基于位置的阻抗控制來提高工業(yè)機(jī)器人的性能。使用了基于位置的阻抗控制來實(shí)現(xiàn)力跟蹤。在內(nèi)環(huán)使用位置反饋來提高魯棒性，在外環(huán)使用位置反饋來跟蹤理想阻抗來提高基于位置的阻抗控制器的性能。使用了模糊補(bǔ)償器來產(chǎn)生位置補(bǔ)償達(dá)到減小在力控方向的超調(diào)和抖動。

在阻抗控制的穩(wěn)定性方面，中系統(tǒng)討論了基本的基于動力學(xué)模型的阻抗控制方法和基于位置的阻抗控制方法的穩(wěn)定性質(zhì)，獲得了阻抗控制的參數(shù)穩(wěn)定性邊界。