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(jīng)相對成熟。然而，由于環(huán)境接觸特征多樣，機器人與環(huán)境的交互頻繁，為保證與環(huán)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(jīng)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(shù)時處于無約束條件下(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(jié)構(gòu)化場景，如在執(zhí)行醫(yī)療手術、維修、裝配等精巧操作任務時，環(huán)境接觸特征多樣，機器人與環(huán)境的交互頻繁，為保證與環(huán)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(jié)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(fā)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(tǒng)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(tài)聯(lián)系(即圍繞平衡點的動態(tài)聯(lián)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(shù)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(guī)定了機器人末端力和速度(或者位移)之間的動態(tài)聯(lián)系。這也就決定了阻抗控制和導納控制的基本區(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，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)接收的力偏差信號生成位置參考信號，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 導納控制系統(tǒng)

　　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(huán)主要實現(xiàn)預期的柔順行為，內(nèi)環(huán)則期望其動態(tài)相應足夠快(以至于可以忽略其動態(tài))，以保證柔性行為的實現(xiàn)，從這個意義上來看，其本質(zhì)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(shù)-導納。具體來說：

　　l 如果期望機械臂表現(xiàn)出低剛度行為，則適合采用阻抗模型描述(阻抗控制)，采用導納描述(剛度在分母上)則會導致過大增益，導致控制系統(tǒng)不穩(wěn)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(huán)境接觸特性用導納模型近似描述;在導納控制中，環(huán)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(xiàn)與環(huán)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(huán)境所表現(xiàn)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(huán)境，期望機器臂體現(xiàn)出低阻抗行為(即強調(diào)對環(huán)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(huán)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(huán)境，期望機械臂體現(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)，一般采用導納控制(此時，接觸環(huán)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(shù)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務，一般需要通過大量的實際測試或者控制系統(tǒng)深入分析(接觸環(huán)境建模或者測量、接觸穩(wěn)定性分析等)實現(xiàn)。更具有挑戰(zhàn)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(huán)路配置方式(阻抗控制內(nèi)環(huán)為力控制環(huán)，導納控制內(nèi)環(huán)為位置控制環(huán))，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(huán)境交互力必須能夠?qū)崟r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(huán)境接觸時，自然形成物理力閉環(huán)，自由運動時，外部力控制環(huán)斷開，只有內(nèi)部位置控制環(huán)，與一般工業(yè)機器人控制環(huán)路相同，位置控制環(huán)也降低了對關節(jié)執(zhí)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(huán)控制帶寬較小，實際上內(nèi)環(huán)動態(tài)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(nèi)環(huán)為力控制環(huán)，取決于采用單獨力閉環(huán)控制器(需要末端力矩傳感器)或者直接進行關節(jié)力矩/電流控制(需要驅(qū)動關節(jié)的反拖性能，此時摩擦力影響較小，或者精確地關節(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;對于顯式模式來說，由于外環(huán)阻抗控制回路無法自然斷開，在機械臂接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變時，力控制穩(wěn)定性問題難以保證，尤其和剛度較高的環(huán)境進行接觸時;對于隱式模式來說，必須能直接進行關節(jié)電機電流環(huán)直接進行控制，而且需要知道精確地動力學模型和關節(jié)模型。

　　5 結(jié)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(tài)聯(lián)系，最終達到與環(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。