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機(jī)器臂柔順控制初步分析

麥辣雞腿堡 ? 來源:Mechatronics and Automation ? 作者:Li and Lei ? 2023-11-22 15:59 ? 次閱讀

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)出來的特征進(jìn)行匹配。定性地分析來看:

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);

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)開放性問題。

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。

對(duì)于導(dǎo)納控制來說: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,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)無法忽略,對(duì)導(dǎo)納控制誤差造成了不利影響。

對(duì)于阻抗控制來說: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)于顯式模式來說,由于外環(huán)阻抗控制回路無法自然斷開,在機(jī)械臂接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí),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(jìn)行接觸時(shí);

對(duì)于隱式模式來說,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。

無論是阻抗控制,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。

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