機(jī)器人柔順控制是什么意思

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器臂（Robotic Manipulator）在噴涂、上下料、分揀、碼垛、焊接等應(yīng)用場(chǎng)景中的技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟。

這些場(chǎng)景對(duì)機(jī)器臂操作能力要求不高，機(jī)器臂大多數(shù)時(shí)處于無約束條件下（free-space），通過軌跡規(guī)劃、位置控制結(jié)合視覺識(shí)別、定位等功能即可滿足基本應(yīng)用要求。

然而對(duì)于接觸豐富（Contact-rich）的非結(jié)構(gòu)化場(chǎng)景，如在執(zhí)行醫(yī)療手術(shù)、維修、裝配等精巧操作任務(wù)時(shí)，環(huán)境接觸特征多樣，機(jī)器人與環(huán)境的交互頻繁，為保證與環(huán)境安全、柔順地進(jìn)行交互并順利完成操作任務(wù)，需要對(duì)機(jī)器臂的柔順控制（Compliant Control）進(jìn)行研究。

更進(jìn)一步地，對(duì)于關(guān)節(jié)型腿足機(jī)器人（如雙足、四足機(jī)器人）、外骨骼增強(qiáng)機(jī)器人等，柔順控制對(duì)于機(jī)器人復(fù)雜地形通過能力、人機(jī)柔順交互能力等同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

基本概念

阻抗控制（Impedance Control）和導(dǎo)納控制（Admittance Control）是機(jī)器臂柔順控制中常見的兩種方法。

從系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的一般角度，阻抗和導(dǎo)納描述了勢(shì)-efforts（如力、壓力、電壓、溫差等）和流-flow（如速度、流量、電流、熱流等）之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系（即圍繞平衡點(diǎn)的動(dòng)態(tài)聯(lián)系）：阻抗的輸入為流-flow，輸出為勢(shì)-effort；

導(dǎo)納則正好與此相反，阻抗和導(dǎo)納互為倒數(shù)關(guān)系。具體到機(jī)器臂任務(wù)空間的語境中，阻抗控制和導(dǎo)納控制規(guī)定了機(jī)器人末端力和速度（或者位移）之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系。

這也就決定了阻抗控制和導(dǎo)納控制的基本區(qū)別：

阻抗控制外環(huán)為位置控制，根據(jù)位移或者速度偏差生成力控信號(hào)，輸入到內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)為力控制環(huán)（或者稱為基于力的阻抗控制）；

導(dǎo)納控制則正好相反，外環(huán)一般為力控制環(huán)，根據(jù)接收的力偏差信號(hào)生成位置參考信號(hào)，內(nèi)環(huán)為位置控制環(huán)（或者稱之為基于位置的阻抗控制）。

整體來說，無論是阻抗還是導(dǎo)納控制，其外環(huán)主要實(shí)現(xiàn)預(yù)期的柔順行為，內(nèi)環(huán)則期望其動(dòng)態(tài)相應(yīng)足夠快（以至于可以忽略其動(dòng)態(tài)），以保證柔性行為的實(shí)現(xiàn)，從這個(gè)意義上來看，其本質(zhì)是相同的。

機(jī)器臂阻抗控制和導(dǎo)納控制中的阻抗、導(dǎo)納（模型）是機(jī)器臂任務(wù)空間的期望動(dòng)力學(xué)行為描述，取決于應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)同一動(dòng)力學(xué)行為的描述方式可以不同（模型只是對(duì)研究對(duì)象的一種描述方式，并不是研究對(duì)象本身，其選取高度取決于實(shí)際應(yīng)用情況）。

如對(duì)于柔順性的描述，即可以使用阻抗，也可以使用其倒數(shù)-導(dǎo)納。具體來說：

如果期望機(jī)械臂表現(xiàn)出低剛度行為，則適合采用阻抗模型描述（阻抗控制），采用導(dǎo)納描述（剛度在分母上）則會(huì)導(dǎo)致過大增益，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定；

相反，對(duì)于期望的高剛度行為，則采用導(dǎo)納模型描述（導(dǎo)納控制）。

為符合功率流流向，在阻抗控制中，環(huán)境接觸特性用導(dǎo)納模型近似描述；在導(dǎo)納控制中，環(huán)境接觸特性用阻抗模型近似描述。