機械臂的力、位置控制淺談

鄧志強

[摘 ? ? ? ? ? 要] ?機械臂模擬人臂，其在執(zhí)行任務(wù)過程中會與外界環(huán)境相互接觸。為了讓機械臂作業(yè)達到良好的效果，需對機械臂同時進行力和位置的控制。對機械臂力/位置混合控制算法的研究做簡單綜述。

[關(guān) ? ?鍵 ? 詞] ?機械臂;力/位置混合控制;柔順控制;工作原理

[中圖分類號] ?G712 ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼] ?A ? ? ? ? ? ?[文章編號] ?2096-0603（2018）26-0061-01

一、機械臂與柔順控制

目前工業(yè)中使用的機械臂，如上料、下料、噴漆等，都只是簡單的軌跡控制，這類控制主要是以機器人運動學為基礎(chǔ)，以機械臂末端或每個自由度的位置、速度和加速度為期望，對機械臂的期望軌跡進行跟蹤控制，因此常稱為位置控制。而機械臂在運動過程中與物體相接觸，則為受限運動的控制，這類控制不但要求機械臂沿一定的軌跡運動，還要對它與環(huán)境間的接觸力進行控制，因此常稱為力控。力控制是要實現(xiàn)機械臂末端在受到一些位置約束的自由度上實現(xiàn)與環(huán)境間接觸力的控制，并且對力的控制精度要求非常高。因此，在機械臂的很多作業(yè)情況下，對機械臂作用力的控制尤為重要。要解決這個矛盾，主要靠實現(xiàn)機械臂的柔順控制，而力/位置混合控制可以實現(xiàn)對機械臂力和位置的同時控制，這也是實現(xiàn)機械臂柔順控制的重要方法。下面簡述一下機械臂的柔順控制。

二、柔順控制分類及特點

所謂柔順（Compliance），即是指機械臂對外界環(huán)境變化的適應(yīng)能力。若環(huán)境因受到機械臂的作用力而產(chǎn)生形變，機械臂仍能保持期望的接觸力與環(huán)境相互接觸，這即為機械臂的柔順能力。要對機械臂施加柔順控制，柔順控制本質(zhì)上是力和位置的混合控制，其實現(xiàn)方法有兩種：被動柔順控制與主動柔順控制。

（一）被動柔順控制

被動式柔順控制是由一定的機械裝置在與外界環(huán)境接觸時，通過特殊的結(jié)構(gòu)對相互間的作用力產(chǎn)生的自然順從。主要是通過自身控制器調(diào)節(jié)位置控制系統(tǒng)的增益，從而改變機械臂的總體剛度以適應(yīng)外部環(huán)境的剛度。

這種裝置可以使機械臂與環(huán)境作用時吸收或儲存能量，這種裝置是微偏心柔順裝置（簡稱為RRC），該裝置實際上是一個具有6自由度的彈簧，插裝在機械臂的腕部和末端執(zhí)行器之間，通過調(diào)節(jié)6個彈簧的彈性，可以獲得不同大小的柔順性，具有一定的自然順從能力。

由于RCC裝置的柔順中心一旦確定，就很難調(diào)整，使得機械臂的通用性較差，也嚴重制約了RCC的推廣與應(yīng)用。由于本身的缺陷，在RCC裝置的實際應(yīng)用中，并不能完全從根本上解決機械臂應(yīng)用中的主要問題與矛盾。為了解決這一問題，人們也在尋找另一種可以替代被動柔順控制的方法。

（二）主動柔順控制

根據(jù)機械臂末端執(zhí)行器的期望剛度，計算出關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的剛度，用控制器來調(diào)整關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的位置誤差增益，使關(guān)節(jié)剛度與機械臂末端執(zhí)行器的期望剛度相適應(yīng)，這種方法稱為主動柔順控制方法。

三、主動柔順控制工作原理

實現(xiàn)機械臂主動柔順控制的方法是阻抗控制。阻抗控制，顧名思義，是控制力和位置之間的動力學關(guān)系，而不是直接控制力和位置，這種動態(tài)關(guān)系類似于電路中的阻抗，這也是阻抗控制名稱的由來。

如圖2所示，其中力/運動轉(zhuǎn)換為控制器的設(shè)計重點，力/運動轉(zhuǎn)換表達式為：？駐x=KF ?（1）

其中K為力/運動轉(zhuǎn)換矩陣，通過該矩陣，可將阻抗控制分為兩種基本形式：一種是力和位置的關(guān)系，可用剛性矩陣來描述，即為剛度控制;另一種是力和速度的關(guān)系，可用黏滯阻尼矩陣來描述，即為阻尼控制。K中的元素越大，系統(tǒng)體現(xiàn)得越柔;K中元素越小，系統(tǒng)體現(xiàn)得越剛。

當阻尼反饋矩陣Κ=0時，稱為剛度控制。剛度控制只考慮靜態(tài)，即主要依靠剛度矩陣Κ來表征機械臂末端接觸力大小與位置誤差之間的關(guān)系，位置誤差為系統(tǒng)的輸入量，具體的表達式為：

F（t）=Kp？駐X ?（2）

其中KP通常為對角陣，改變對角陣中的值，可以對機械臂柔順性中的剛度進行調(diào)節(jié)。

綜合上述，阻尼控制可實現(xiàn)主動柔順控制。因此，阻抗控制更多地應(yīng)用于裝配工作中。

近年來，較多采用模型自適應(yīng)控制、跟蹤控制、滑模控制來提高機械臂力和位置控制對系統(tǒng)的外界干擾、被控模型誤差、力檢測噪聲影響。另外，機械臂柔順性是其智能化的一個重要方面，是其能夠順利完成各種高要求作業(yè)的重要保證，因此機械臂的柔順控制是將來機器人控制研究的重點與難點。

參考文獻：

[1]孫建華.基于網(wǎng)絡(luò)面向柔順運動的機器人遙操作系統(tǒng)研究[D].電子科技大學，2004.

[2]殷躍紅，朱劍英，尉忠信.機器人力控制研究綜述[J].南京航空航天大學學報，1997（2）.