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。然而，由于環(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。

　　文/李磊

　　1 背景

　　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(wú)約束條件下(Free-space)，通過(guò)軌跡規(guī)劃、位置控制結(jié)合視覺(jué)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(guò)能力、人機(jī)柔順交互能力等同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

　　2 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(jiàn)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(yǔ)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：

　　l 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);

　　l 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)。

圖1 阻抗控制系統(tǒng) VS 導(dǎo)納控制系統(tǒng)

　　兩者框圖對(duì)比如圖1所示。整體來(lái)說(shuō)，無(wú)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(lái)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(lái)說(shuō)：

　　l 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(guò)大增益，導(dǎo)致控制系統(tǒng)不穩(wěn)定;

　　l 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);

　　l 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。(圖1通過(guò)藍(lán)色箭頭給出其功率流方向)。

　　3 初步分析

　　為實(shí)現(xiàn)與環(huán)境的安全、柔順交互，需要將機(jī)器人期望動(dòng)力學(xué)行為與接觸環(huán)境所表現(xiàn)出來(lái)的特征進(jìn)行匹配。定性地分析來(lái)看：

　　l 對(duì)于高剛度接觸環(huán)境，期望機(jī)器臂體現(xiàn)出低阻抗行為(即強(qiáng)調(diào)對(duì)環(huán)境的順應(yīng)性，以避免過(guò)大接觸力)，考慮選用阻抗控制(此時(shí)，接觸環(huán)境建模為導(dǎo)納，即輸入容許范圍的接觸力，反饋位移給機(jī)械臂);

　　l 而對(duì)于低剛度環(huán)境，期望機(jī)械臂體現(xiàn)出高阻抗行為(在給定接觸力的前提下，保證較小的位移偏差)，一般采用導(dǎo)納控制(此時(shí)，接觸環(huán)境建模為阻抗，輸入位移，反饋接觸力給機(jī)械臂)。

　　對(duì)于實(shí)際操作/交互任務(wù)，如何確定柔順控制中的阻抗參數(shù)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，一般需要通過(guò)大量的實(shí)際測(cè)試或者控制系統(tǒng)深入分析(接觸環(huán)境建?；蛘邷y(cè)量、接觸穩(wěn)定性分析等)實(shí)現(xiàn)。更具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是，如何進(jìn)行變化接觸條件下的(自適應(yīng))柔順控制、學(xué)習(xí)以及學(xué)習(xí)控制，目前仍是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。

　　由于阻抗控制和導(dǎo)納控制的環(huán)路配置方式(阻抗控制內(nèi)環(huán)為力控制環(huán)，導(dǎo)納控制內(nèi)環(huán)為位置控制環(huán))，其具體實(shí)施的特點(diǎn)有所不同，分析如下：

　　l 對(duì)于導(dǎo)納控制來(lái)說(shuō)：環(huán)境交互力必須能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量反饋，需要力傳感器或者相應(yīng)的接觸力估計(jì)算法以生成修正位置指令;當(dāng)機(jī)器臂與環(huán)境接觸時(shí)，自然形成物理力閉環(huán)，自由運(yùn)動(dòng)時(shí)，外部力控制環(huán)斷開(kāi)，只有內(nèi)部位置控制環(huán)，與一般工業(yè)機(jī)器人控制環(huán)路相同，位置控制環(huán)也降低了對(duì)關(guān)節(jié)執(zhí)行器反拖性能或者精確動(dòng)力學(xué)模型的要求，實(shí)際實(shí)施較為簡(jiǎn)單和容易;然而考慮到位置環(huán)控制帶寬較小，實(shí)際上內(nèi)環(huán)動(dòng)態(tài)無(wú)法忽略，對(duì)導(dǎo)納控制誤差造成了不利影響;

　　l 對(duì)于阻抗控制來(lái)說(shuō)：內(nèi)環(huán)為力控制環(huán)，取決于采用單獨(dú)力閉環(huán)控制器(需要末端力矩傳感器)或者直接進(jìn)行關(guān)節(jié)力矩/電流控制(需要驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的反拖性能，此時(shí)摩擦力影響較小，或者精確地關(guān)節(jié)摩擦力矩模型)，可以將阻抗控制分為顯式和隱式兩種模式;對(duì)于顯式模式來(lái)說(shuō)，由于外環(huán)阻抗控制回路無(wú)法自然斷開(kāi)，在機(jī)械臂接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，力控制穩(wěn)定性問(wèn)題難以保證，尤其和剛度較高的環(huán)境進(jìn)行接觸時(shí);對(duì)于隱式模式來(lái)說(shuō)，必須能直接進(jìn)行關(guān)節(jié)電機(jī)電流環(huán)直接進(jìn)行控制，而且需要知道精確地動(dòng)力學(xué)模型和關(guān)節(jié)模型。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)論是阻抗控制，還是導(dǎo)納控制，其最終目標(biāo)都是控制接觸力和位移之間的動(dòng)態(tài)聯(lián)系，最終達(dá)到與環(huán)境柔順交互的目的。在其中，末端接觸力/力矩感知都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。如何對(duì)機(jī)械臂末端接觸力/力矩進(jìn)行感知將在以后的文章中介紹。