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。
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(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:
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(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):
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;
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。
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