基于導(dǎo)納控制的機(jī)器人拖動(dòng)示教原理和實(shí)現(xiàn)步驟

基于導(dǎo)納控制的機(jī)器人拖動(dòng)示教是一種常用的機(jī)器人控制策略，它允許人與機(jī)器人直接互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自然、直觀的控制。在導(dǎo)納控制中，機(jī)器人被建模為一個(gè)力控制系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)特性由一個(gè)等效的導(dǎo)納（Admittance）模型描述。導(dǎo)納模型類(lèi)似于彈簧和阻尼器的組合，用來(lái)描述機(jī)器人對(duì)外部力和運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)。

機(jī)器人拖動(dòng)示教系統(tǒng)DMC600M

1. 原理

導(dǎo)納模型：機(jī)器人導(dǎo)納控制（Admittance Control）是一種機(jī)器人控制策略，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與外部環(huán)境的力互動(dòng)和力控制。它的基本原理是將機(jī)器人建模為一個(gè)力控制系統(tǒng)，類(lèi)似于一個(gè)彈簧-阻尼系統(tǒng)，可以模擬機(jī)器人對(duì)外部施加的力和力矩的響應(yīng)。機(jī)器人導(dǎo)納控制的核心思想是響應(yīng)外部施加在機(jī)器人上的力，而不是預(yù)定軌跡或位置。這使得機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的力互動(dòng)情境，例如與人類(lèi)操作員互動(dòng)或在不確定環(huán)境中工作。

拖動(dòng)示教原理：用戶(hù)通過(guò)手動(dòng)操作機(jī)器人的末端或者與機(jī)器人連接的操縱桿，機(jī)器人根據(jù)導(dǎo)納模型的響應(yīng)，實(shí)時(shí)地跟隨用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)，并且對(duì)外部施加的力量有一定的響應(yīng)。這種方式使得用戶(hù)可以直觀地引導(dǎo)機(jī)器人完成任務(wù)，例如在裝配過(guò)程中引導(dǎo)機(jī)器人拖動(dòng)零部件。

2. 實(shí)現(xiàn)步驟

1.傳感器配置：安裝力傳感器或力/力矩傳感器在機(jī)器人的末端，用于實(shí)時(shí)測(cè)量外部施加在機(jī)器人上的力和力矩。

2.導(dǎo)納模型設(shè)計(jì)：根據(jù)任務(wù)需求和用戶(hù)操作特性，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)納模型，包括剛度和阻尼參數(shù)。

3.力控制器設(shè)計(jì)：開(kāi)發(fā)基于導(dǎo)納模型的力控制器，該控制器根據(jù)測(cè)得的外部力和期望的導(dǎo)納模型響應(yīng)，計(jì)算機(jī)器人的控制命令，使得機(jī)器人末端的力和運(yùn)動(dòng)響應(yīng)用戶(hù)的操作。

4.示教過(guò)程：用戶(hù)通過(guò)手動(dòng)操作機(jī)器人末端或操縱桿，機(jī)器人根據(jù)力控制器的指令實(shí)時(shí)跟隨用戶(hù)的運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)受到用戶(hù)施加的力的影響。

5.性能實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化：在實(shí)際應(yīng)用中，可能需要進(jìn)行性能優(yōu)化，包括導(dǎo)納模型參數(shù)的調(diào)整、控制器的增益調(diào)整，以及對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的濾波和校準(zhǔn)，以提高機(jī)器人的控制精度和穩(wěn)定性。

導(dǎo)納控制通常用于控制與環(huán)境或物體進(jìn)行物理交互的機(jī)器人。其目標(biāo)是在交互扳手和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)之間實(shí)現(xiàn)所需的導(dǎo)納特性。

拖動(dòng)示教通過(guò)直接在機(jī)器人末端或者連桿上施加一定方向的力，控制器力檢測(cè)系統(tǒng)估算外部拖動(dòng)力矩，引導(dǎo)機(jī)器人做相應(yīng)的跟隨運(yùn)動(dòng)，然后記錄拖動(dòng)過(guò)程位置，完成示教工作。

示教過(guò)程中，需要克服機(jī)器人連桿重力矩、摩擦力矩和慣性力矩。

基于動(dòng)力學(xué)模型拖動(dòng)示教模塊主要分為四大功能部分：動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識(shí)、動(dòng)力學(xué)模型、力矩前處理以及拖動(dòng)控制部分。

導(dǎo)納控制方式適合機(jī)器人拖動(dòng)示教的運(yùn)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)納控制以外部拖動(dòng)力矩作為輸入，按照彈簧-阻尼-振子二階系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算關(guān)節(jié)拖動(dòng)跟隨的位置指令。導(dǎo)納控制將機(jī)器人連桿運(yùn)動(dòng)模擬成彈簧阻尼系統(tǒng)。

通過(guò)電機(jī)電流或關(guān)節(jié)力矩傳感器獲得關(guān)節(jié)力矩。

理想的零力模式是可以拖動(dòng)機(jī)械臂到任何位置，但是導(dǎo)納/阻抗控制拖動(dòng)機(jī)械臂的時(shí)候如果外力保持不變，那么將有一個(gè)拖動(dòng)位置的極限。

應(yīng)用場(chǎng)景：對(duì)于移動(dòng)下肢康復(fù)，導(dǎo)納控制器用于讓推車(chē)以最小的努力隨患者移動(dòng)。

導(dǎo)納控制和阻抗控制之間的主要區(qū)別在于，前者在測(cè)量力后控制運(yùn)動(dòng)，后者在測(cè)量運(yùn)動(dòng)或偏離設(shè)定點(diǎn)后控制力。

導(dǎo)納控制與阻抗控制類(lèi)似，旨在根據(jù)可編程的導(dǎo)納參數(shù)（即慣性、剛度和阻尼）向機(jī)器人施加受外部接觸力的所需的動(dòng)態(tài)行為。

與計(jì)算參考關(guān)節(jié)扭矩的阻抗控制律不同，導(dǎo)納控制器的輸出是基于測(cè)量（或估計(jì)）接觸力的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)控制回路的參考運(yùn)動(dòng)。

導(dǎo)納控制性能的評(píng)價(jià)通常涉及到以下幾個(gè)方面的考慮：

1.響應(yīng)速度（Response Speed）：導(dǎo)納控制下的機(jī)器人對(duì)外部力的響應(yīng)速度是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。一個(gè)快速而穩(wěn)定的響應(yīng)可以提高機(jī)器人的操作效率，特別是在需要快速適應(yīng)外部力變化的任務(wù)中。

2.穩(wěn)定性（Stability）：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是非常重要的。導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠保持穩(wěn)定的力平衡，避免因?yàn)橥獠扛蓴_導(dǎo)致的不穩(wěn)定或振蕩。

3.力和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性（Force-Motion Coordination）：導(dǎo)納控制下的機(jī)器人需要能夠協(xié)調(diào)外部施加的力和自身的運(yùn)動(dòng)，確保力和運(yùn)動(dòng)之間的平衡，使得機(jī)器人能夠穩(wěn)定地進(jìn)行任務(wù)操作。

4.適應(yīng)性（Adaptability）：導(dǎo)納控制的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它的適應(yīng)性，即機(jī)器人可以適應(yīng)不同大小和方向的外部力。性能好的導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠在不同工作環(huán)境和任務(wù)需求下表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

5.抗干擾性（Disturbance Rejection）：導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠抵抗外部干擾，包括突然施加的力或者干擾力的變化。一個(gè)穩(wěn)定的導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠迅速調(diào)整以抵消這些干擾。

6.用戶(hù)體驗(yàn)（User Experience）：如果導(dǎo)納控制用于人機(jī)互動(dòng)，用戶(hù)體驗(yàn)是非常重要的。控制系統(tǒng)應(yīng)該具有直觀性，讓用戶(hù)能夠自然地與機(jī)器人互動(dòng)，并且有足夠的靈活性以適應(yīng)用戶(hù)的動(dòng)作和需求。

7.能效（Energy Efficiency）：機(jī)器人的能源消耗也是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。高效的導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠在維持穩(wěn)定性和性能的同時(shí)，盡量減少能源的消耗。

導(dǎo)納控制（Admittance Control）的內(nèi)涵：

1.力控制：導(dǎo)納控制的核心思想是以力為主導(dǎo)的控制策略。與傳統(tǒng)的位置控制不同，導(dǎo)納控制側(cè)重于機(jī)器人對(duì)外部力的響應(yīng)。

2.模型化：在導(dǎo)納控制中，機(jī)器人被建模為一個(gè)等效的力控制系統(tǒng)。這個(gè)模型通常包括導(dǎo)納模型，描述了機(jī)器人的剛度和阻尼特性，用于模擬機(jī)器人對(duì)外部力的響應(yīng)。

3.力和運(yùn)動(dòng)的平衡：導(dǎo)納控制追求力和運(yùn)動(dòng)的平衡。機(jī)器人可以根據(jù)外部施加的力來(lái)調(diào)整自身的運(yùn)動(dòng)，以保持力和運(yùn)動(dòng)之間的協(xié)調(diào)性。

4.適應(yīng)性：導(dǎo)納控制系統(tǒng)通常具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同大小、方向和速度的外部力，以適應(yīng)不同的任務(wù)需求和工作環(huán)境。

5.用戶(hù)互動(dòng)：導(dǎo)納控制常用于人機(jī)互動(dòng)，用戶(hù)可以通過(guò)手動(dòng)操作機(jī)器人的末端或操縱桿來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直觀的控制和協(xié)同工作。

6.穩(wěn)定性：控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性是關(guān)鍵因素。導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該能夠在外部干擾和力變化的情況下保持穩(wěn)定，避免不穩(wěn)定或振蕩。

7.力平衡：導(dǎo)納控制力求維持力平衡，機(jī)器人對(duì)外部力的響應(yīng)應(yīng)該與外部力平衡，以實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。

8.實(shí)時(shí)響應(yīng)：導(dǎo)納控制要求機(jī)器人實(shí)時(shí)地對(duì)外部力和用戶(hù)輸入做出響應(yīng)，以保持力和運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性。

導(dǎo)納控制（Admittance Control）是一種機(jī)器人控制策略，專(zhuān)注于機(jī)器人與外部環(huán)境的力互動(dòng)和力控制。它的核心思想是將機(jī)器人建模為一個(gè)力控制系統(tǒng)，類(lèi)似于彈簧和阻尼器的組合。這種控制策略允許機(jī)器人與外部環(huán)境產(chǎn)生力的互動(dòng)，使機(jī)器人能夠適應(yīng)不同的力互動(dòng)情境，例如與人類(lèi)操作員互動(dòng)或在不確定環(huán)境中工作。

1.導(dǎo)納模型：在導(dǎo)納控制中，機(jī)器人通常被建模為一個(gè)等效的導(dǎo)納模型，該模型包括兩個(gè)主要參數(shù)：

剛度（Stiffness）：剛度參數(shù)決定了機(jī)器人對(duì)外部力的響應(yīng)速度。更高的剛度會(huì)導(dǎo)致機(jī)器人更快地響應(yīng)外部力的變化，而更低的剛度使得響應(yīng)速度變慢。剛度通常以力/位移的比率表示。

阻尼（Damping）：阻尼參數(shù)決定了響應(yīng)的平滑性。更高的阻尼會(huì)減緩機(jī)器人的響應(yīng)速度，減小振蕩，而更低的阻尼可能導(dǎo)致更不穩(wěn)定的響應(yīng)。阻尼通常以力/速度的比率表示。

1.力傳感器：為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部環(huán)境施加在機(jī)器人上的力和力矩，通常需要在機(jī)器人的末端或與外部環(huán)境連接的部分安裝力傳感器或力/力矩傳感器。這些傳感器提供了機(jī)器人的外部力信息。

2.力控制器：基于導(dǎo)納模型和傳感器測(cè)量值，導(dǎo)納控制系統(tǒng)中的力控制器計(jì)算機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩，以實(shí)現(xiàn)所期望的導(dǎo)納模型響應(yīng)。力控制器通過(guò)調(diào)整關(guān)節(jié)力矩以維持機(jī)器人與外部環(huán)境之間的力平衡。

3.用戶(hù)互動(dòng)：導(dǎo)納控制通常用于人機(jī)互動(dòng)或人機(jī)協(xié)同工作。用戶(hù)可以通過(guò)手動(dòng)操作機(jī)器人的末端或操縱桿來(lái)引導(dǎo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人會(huì)根據(jù)導(dǎo)納模型的響應(yīng)模式跟隨用戶(hù)的力和運(yùn)動(dòng)。

4.穩(wěn)定性：導(dǎo)納控制系統(tǒng)應(yīng)該保持穩(wěn)定性，避免不穩(wěn)定或振蕩的情況。穩(wěn)定性通常通過(guò)適當(dāng)選擇剛度和阻尼參數(shù)以及控制器設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

5.適應(yīng)性：導(dǎo)納控制系統(tǒng)具有一定的適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同大小、方向和速度的外部力。這使得機(jī)器人能夠在不同的任務(wù)需求和工作環(huán)境中表現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。

6.任務(wù)執(zhí)行：導(dǎo)納控制廣泛應(yīng)用于任務(wù)，如裝配、力導(dǎo)引操作、協(xié)作機(jī)器人、協(xié)助行動(dòng)和協(xié)同操控等領(lǐng)域。機(jī)器人通過(guò)導(dǎo)納控制可以與人類(lèi)或其他機(jī)器人協(xié)同工作，執(zhí)行需要力互動(dòng)的任務(wù)。