機器人力控制的發(fā)展及應用

力控制一般泛指機器人應用領域中，利用力傳感器作為反饋裝置，將力反饋信號與位置控制（或速度控制）輸入信號相結(jié)合，通過相關的力/位混合算法，實現(xiàn)的力/位混合控制技術。也稱力/位混合控制技術，簡稱力控制。

該技術是機器人技術發(fā)展的主要方向之一，目的是為機器人增加了觸覺，一般與機器人視覺技術相結(jié)合，共同組成機器人的視覺和觸覺。

力控制技術主要分為關節(jié)力控制技術和末端力控制技術。其中關節(jié)力控制指機器人各關節(jié)均具備一個力/力矩傳感器，而末端力控制指機器人末端裝有一個力傳感器（1~6維傳感器）。

發(fā)展背景

機器人在完成一些與環(huán)境存在力作用的任務時，比如打磨、裝配，單純的位置控制會由于位置誤差而引起過大的作用力，從而會傷害零件或機器人。機器人在這類運動受限環(huán)境中運動時，往往需要配合力控制來使用。

位置控制下，機器人會嚴格按照預先設定的位置軌跡進行運動。若機器人運動過程中遭遇到了障礙物的阻攔，從而導致機器人的位置追蹤誤差變大，此時機器人會努力地“出力”去追蹤預設軌跡，最終導致了機器人與障礙物之間產(chǎn)生巨大的內(nèi)力。而在力控制下，以控制機器人與障礙物間的作用力為目標。當機器人遭遇障礙物時，會智能地調(diào)整預設位置軌跡，從而消除內(nèi)力。

常見應用領域

在目前的工業(yè)界幾乎仍在沿用傳統(tǒng)的位置控制技術，典型應用如：機器人沿著事先規(guī)劃好的軌跡在封閉、確認的空間中運動；或者機器人得到從視覺系統(tǒng)（Vision System）的反饋，使得位置控制機器人具備一定適應外界可變環(huán)境的能力。

但是在某些應用場合中需要更加精確地控制施加在末端執(zhí)行器（End-Effector）的力比控制末端執(zhí)行器的位置更加重要時，必須引入力矩/力控制輸出量，或者將力矩/力作為閉環(huán)反饋量引入控制。

隨著工業(yè)品工藝標準的提升，越來越多的制造工藝僅靠工業(yè)機器人傳統(tǒng)的位置控制難以勝任。例如：精密零部件的柔性裝配、一致性較差的復雜曲面打磨，尤其在一致性較差的復雜曲面打磨應用上，傳統(tǒng)的位置控制方式很可能因工件一致性差導致的位置誤差而引起系統(tǒng)瞬間過載，造成工件或機器人的損壞。

大多數(shù)金屬工件在通過焊接、鑄造等基礎加工工序成型后，還需進行打磨、拋光、去倒角等精細化修整工序才能達到驗收的合格標準。打磨過程中產(chǎn)生的大量彌漫性粉塵、腐蝕性切屑液及嘈雜的噪音很容易導致產(chǎn)生操作人員傷害的安全事故。同時人工打磨也面臨生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品精度差及產(chǎn)品成型的一致性差等弊端，給生產(chǎn)帶來了較大的不確定性。

現(xiàn)階段的打磨去毛刺作業(yè)之所以難以擺脫人工來實現(xiàn)自動化，最大的技術難點是需要精準的力度控制。工件打磨的精度和一致性較大程度上取決于打磨工具同工件接觸面是否保持恒定壓力，這就需要通過實時力控技術控制工業(yè)機器人打磨過程的磨削力。力控的精度及反饋速度決定了產(chǎn)品的打磨效果。因此，機器人力控技術成為實現(xiàn)企業(yè)高效自動化打磨亟待解決的問題。

3種力反饋方式

硬件層面的力傳感器與力反饋測量主要有如下3種方式：

電流環(huán)（Current loop）：通過電機的電流閉環(huán)做力閉環(huán)反饋控制，適用于直驅(qū)電機（Direct Drive Motor）或者帶小減速比（Reduction Ratio小于10）的應用場景，諸如小型阻抗控制的人機交互的機械臂和小型四足等；

力/力矩傳感器（Force Torque Sensor）： 直接使用商用的六維力/力矩傳感器，比如說典型的ATI或者Robotiq公司。而在人型機器人之中，通常將力/力矩傳感器安裝在腳掌與踝關節(jié)、機械手與腕關節(jié)之間，測量末端執(zhí)行器（機械手或者腳掌）與外界環(huán)境交互的受力情況；

彈性體（Compliant Structure）： 設計彈性體集成在驅(qū)動器對外輸出端之前，往往會形成SEA，通過彈性體形變測量力矩，往往適用于人型機器人集成度較高和驅(qū)動器輸出力矩要求較高的應用場合。

有了力控制，還需要位置控制嗎？

位置控制是一直需要的，行業(yè)共識是：“必須引入力/力矩控制，未來的控制需要有兩個控制量，純位置控制是要被淘汰的?！?/p>

以工業(yè)機械臂做表面拋光的應用場景為例：表面拋光力控只需要存在在與拋光表面垂直的方向上，即嚴格控制末端執(zhí)行器與拋光表面的接觸力，但對于其他方向的運動，是不存在需要力控要求的，單純的位置控制就可以實現(xiàn)。而當拋光工序結(jié)束的時候，控制器又要切回純位置控制，將機械臂收回，未來的控制器是需要具備在位控和力控兩種技術之間靈活切換的能力。
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