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　　隨著自動化技術的不斷進步，機器臂(Robotic Manipulator)在噴涂、上下料、分揀、碼垛、焊接等應用場景中的技術已經相對成熟。然而，由于環境接觸特征多樣，機器人與環境的交互頻繁，為保證與環境安全、柔順地進行交互并順利完成操作任務，需要對機器臂的柔順控制(Compliant Control)進行研究。

　　文/李磊

　　1 背景

　　隨著自動化技術的不斷進步，機器臂(Robotic Manipulator)在噴涂、上下料、分揀、碼垛、焊接等應用場景中的技術已經相對成熟。這些場景對機器臂操作能力要求不高，機器臂大多數時處于無約束條件下(Free-space)，通過軌跡規劃、位置控制結合視覺識別、定位等功能即可滿足基本應用要求。然而對于接觸豐富(Contact-rich)的非結構化場景，如在執行醫療手術、維修、裝配等精巧操作任務時，環境接觸特征多樣，機器人與環境的交互頻繁，為保證與環境安全、柔順地進行交互并順利完成操作任務，需要對機器臂的柔順控制(Compliant Control)進行研究。更進一步地，對于關節型腿足機器人(如雙足、四足機器人)、外骨骼增強機器人等，柔順控制對于機器人復雜地形通過能力、人機柔順交互能力等同樣發揮著關鍵作用。

　　2 基本概念

　　阻抗控制(Impedance Control)和導納控制(Admittance Control)是機器臂柔順控制中常見的兩種方法。從系統動力學的一般角度，阻抗和導納描述了勢-efforts(如力、壓力、電壓、溫差等)和流-flow(如速度、流量、電流、熱流等)之間的動態聯系(即圍繞平衡點的動態聯系)：阻抗的輸入為流-flow，輸出為勢-effort;導納則正好與此相反，阻抗和導納互為倒數關系。具體到機器臂任務空間的語境中，阻抗控制和導納控制規定了機器人末端力和速度(或者位移)之間的動態聯系。這也就決定了阻抗控制和導納控制的基本區別：

　　l 阻抗控制外環為位置控制，根據位移或者速度偏差生成力控信號，輸入到內環,內環為力控制環(或者稱為基于力的阻抗控制);

　　l 導納控制則正好相反，外環一般為力控制環，根據接收的力偏差信號生成位置參考信號，內環為位置控制環(或者稱之為基于位置的阻抗控制)。

圖1 阻抗控制系統 VS 導納控制系統

　　兩者框圖對比如圖1所示。整體來說，無論是阻抗還是導納控制，其外環主要實現預期的柔順行為，內環則期望其動態相應足夠快(以至于可以忽略其動態)，以保證柔性行為的實現，從這個意義上來看，其本質是相同的。

　　機器臂阻抗控制和導納控制中的阻抗、導納(模型)是機器臂任務空間的期望動力學行為描述，取決于應用場景，對同一動力學行為的描述方式可以不同(模型只是對研究對象的一種描述方式，并不是研究對象本身，其選取高度取決于實際應用情況)。如對于柔順性的描述，即可以使用阻抗，也可以使用其倒數-導納。具體來說：

　　l 如果期望機械臂表現出低剛度行為，則適合采用阻抗模型描述(阻抗控制)，采用導納描述(剛度在分母上)則會導致過大增益，導致控制系統不穩定;

　　l 相反，對于期望的高剛度行為，則采用導納模型描述(導納控制);

　　l 為符合功率流流向，在阻抗控制中，環境接觸特性用導納模型近似描述;在導納控制中，環境接觸特性用阻抗模型近似描述。(圖1通過藍色箭頭給出其功率流方向)。

　　3 初步分析

　　為實現與環境的安全、柔順交互，需要將機器人期望動力學行為與接觸環境所表現出來的特征進行匹配。定性地分析來看：

　　l 對于高剛度接觸環境，期望機器臂體現出低阻抗行為(即強調對環境的順應性，以避免過大接觸力)，考慮選用阻抗控制(此時，接觸環境建模為導納，即輸入容許范圍的接觸力，反饋位移給機械臂);

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

　　對于實際操作/交互任務，如何確定柔順控制中的阻抗參數是一項具有挑戰性的任務，一般需要通過大量的實際測試或者控制系統深入分析(接觸環境建模或者測量、接觸穩定性分析等)實現。更具有挑戰性的任務是，如何進行變化接觸條件下的(自適應)柔順控制、學習以及學習控制，目前仍是一個開放性問題。

　　由于阻抗控制和導納控制的環路配置方式(阻抗控制內環為力控制環，導納控制內環為位置控制環)，其具體實施的特點有所不同，分析如下：

　　l 對于導納控制來說：環境交互力必須能夠實時測量反饋，需要力傳感器或者相應的接觸力估計算法以生成修正位置指令;當機器臂與環境接觸時，自然形成物理力閉環，自由運動時，外部力控制環斷開，只有內部位置控制環，與一般工業機器人控制環路相同，位置控制環也降低了對關節執行器反拖性能或者精確動力學模型的要求，實際實施較為簡單和容易;然而考慮到位置環控制帶寬較小，實際上內環動態無法忽略，對導納控制誤差造成了不利影響;

　　l 對于阻抗控制來說：內環為力控制環，取決于采用單獨力閉環控制器(需要末端力矩傳感器)或者直接進行關節力矩/電流控制(需要驅動關節的反拖性能，此時摩擦力影響較小，或者精確地關節摩擦力矩模型)，可以將阻抗控制分為顯式和隱式兩種模式;對于顯式模式來說，由于外環阻抗控制回路無法自然斷開，在機械臂接觸狀態轉變時，力控制穩定性問題難以保證，尤其和剛度較高的環境進行接觸時;對于隱式模式來說，必須能直接進行關節電機電流環直接進行控制，而且需要知道精確地動力學模型和關節模型。

　　5 結語

　　無論是阻抗控制，還是導納控制，其最終目標都是控制接觸力和位移之間的動態聯系，最終達到與環境柔順交互的目的。在其中，末端接觸力/力矩感知都發揮著關鍵作用。如何對機械臂末端接觸力/力矩進行感知將在以后的文章中介紹。