為實現與環境的安全、柔順交互,需要將機器人期望動力學行為與接觸環境所表現出來的特征進行匹配。定性地分析來看:
對于高剛度接觸環境,期望機器臂體現出低阻抗行為(即強調對環境的順應性,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);
而對于低剛度環境,期望機械臂體現出高阻抗行為(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是一項具有挑戰性的任務,一般需要通過大量的實際測試或者控制系統深入分析(接觸環境建模或者測量、接觸穩定性分析等)實現。
更具有挑戰性的任務是,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路配置方式(阻抗控制內環為力控制環,導納控制內環為位置控制環),其具體實施的特點有所不同,分析如下。
對于導納控制來說:環境交互力必須能夠實時測量反饋,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;
當機器臂與環境接觸時,自然形成物理力閉環,自由運動時,外部力控制環斷開,只有內部位置控制環,與一般工業機器人控制環路相同,位置控制環也降低了對關節執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;
然而考慮到位置環控制帶寬較小,實際上內環動態無法忽略,對導納控制誤差造成了不利影響。
對于阻抗控制來說:內環為力控制環,取決于采用單獨力閉環控制器(需要末端力矩傳感器)或者直接進行關節力矩/電流控制(需要驅動關節的反拖性能,此時摩擦力影響較小,或者精確地關節摩擦力矩模型),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,由于外環阻抗控制回路無法自然斷開,在機械臂接觸狀態轉變時,力控制穩定性問題難以保證,尤其和剛度較高的環境進行接觸時;
對于隱式模式來說,必須能直接進行關節電機電流環直接進行控制,而且需要知道精確地動力學模型和關節模型。
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聯系,最終達到與環境柔順交互的目的。在其中末端接觸力/力矩感知都發揮著關鍵作用。
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