柔順控制

主動柔順控制也就是力控制.隨著機(jī)器人在各個領(lǐng)域應(yīng)用的日益廣泛，許多場合要求機(jī)器人具有接觸力的感知和控制能力，例如在機(jī)器人的精密裝配、修刮或磨削工件表面拋光和擦洗等操作過程中，要求保持其端部執(zhí)行器與環(huán)境接觸。所以機(jī)器人完成這些作業(yè)任務(wù)，必須具備這種基于力反饋的柔順控制的能力。

自第一臺機(jī)器人問世以來，研制出剛?cè)嵯酀?jì)、靈活自如的機(jī)器人，一直為數(shù)代機(jī)器人專家努力的目標(biāo)，而主動柔順控制正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，因此力控制成為國際前沿研究的熱點(diǎn)。大家圍繞控制策略、控制理論和控制方法等一系列問題，開展了頗有成效的研究工作。

最早的主動柔順控制研究可以追溯到50年代，當(dāng)時Goertzs針對放射性實(shí)驗(yàn)工場的惡劣環(huán)境，在電液式主從機(jī)械臂上裝上力反饋裝置，當(dāng)操作者在主操作機(jī)上操作時，就可以感受到從操作機(jī)與環(huán)境的接觸作用力，實(shí)質(zhì)也就是力遙感。

60年代，Mann主持研制了具有力反饋能力的人造肘。關(guān)節(jié)電機(jī)由“肌肉”電極信號和關(guān)節(jié)應(yīng)變儀信號驅(qū)動，這樣電流將發(fā)揮肌肉作用效果。但由于當(dāng)時控制條件的限制，控制系統(tǒng)實(shí)時性差，系統(tǒng)不易穩(wěn)定。

自70年代，隨著計算機(jī)機(jī)器人傳感器和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人的力控制發(fā)生了根本變化，發(fā)展成為機(jī)器人研究的一個主要方向：機(jī)器人主動柔順控制。

機(jī)器人主動柔順控制是新興智能制造中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是柔性裝配自動化中的難點(diǎn)和“瓶頸”，它集傳感器計算機(jī)、機(jī)械、電子、力學(xué)和自動控制等眾多學(xué)科于一身，其理論研究和技術(shù)實(shí)現(xiàn)都面臨著不少急待解決的難題.研究成果不僅在理論上具有重要意義，而且在技術(shù)上也可以實(shí)現(xiàn)曲面跟蹤、牽引運(yùn)動和精密裝配等依從運(yùn)動控制。機(jī)器人主動柔順控制的實(shí)現(xiàn)克服了被動柔順控制的不足，因此，機(jī)器人的主動柔順控制研究成果具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

設(shè)計機(jī)器人力控制結(jié)構(gòu)，處理力和位置控制二者之間的關(guān)系，也就是機(jī)器人柔順控制之策略，為主動柔順控制研究中的首要問題.有關(guān)力控制的研究首先集中于此，都是從不同的角度對控制策略進(jìn)行闡述，雖然觀點(diǎn)各異，但從機(jī)器人實(shí)現(xiàn)依從運(yùn)動的特點(diǎn)來看，一般可歸結(jié)為4大類：阻抗控制策略、力/位混合控制策略、自適應(yīng)控制策略和智能控制策略。

柔順控制阻抗控制

其特點(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力，而是根據(jù)機(jī)器人端部的位置(或速度)和端部作用力之間的關(guān)系，通過調(diào)整反饋位置誤差、速度誤差或剛度來達(dá)到控制力的目的，此時接觸過程的彈性變形尤為重要，因此也有人狹義地稱為柔順性控制。此中以Whitney, Salisbury, Hogan,Kazarooni等人的工作具有代表性。并且Maples和Becker進(jìn)行了總結(jié)：這類力控制不外乎基于位置和速度的兩種基本形式。當(dāng)把力反饋信號轉(zhuǎn)換為位置調(diào)整量時，這種力控制稱為剛度控制當(dāng)把力反饋信號轉(zhuǎn)換為速度修正量時，這種力控制稱為阻尼控制當(dāng)把力反饋信號同時轉(zhuǎn)換為位置和速度的修正量時，即為阻抗控制。阻抗控制結(jié)構(gòu)，其核心為力運(yùn)動轉(zhuǎn)換矩陣K設(shè)計，運(yùn)動修正矩陣似WX=K F，從力控角度，希望K陣中元素越大越好，則系統(tǒng)柔一些；從位控來看，希望K中元素越小越好，則系統(tǒng)剛一些。從而也體現(xiàn)了機(jī)器人剛?cè)嵯酀?jì)要求的矛盾，這也給機(jī)器人力控制帶來了極大的困難。

柔順控制力/位混合控制

從具有代表性的Mason, Paul和Mills等人的研究可以看出力/位混合控制的提出有一個過程。

機(jī)器人力控制的最佳方案：以獨(dú)立的形式同時控制力和位置，理論上機(jī)器人力自由空間和位置自由空間是兩個互補(bǔ)正交子空間，在力自由空間進(jìn)行力控制，而在剩余的正交方向上進(jìn)行位置控制。此時的約束環(huán)境被當(dāng)作不變形的幾何問題考慮，也有人狹義地稱為約束運(yùn)動控制。

Mason于1979年最早提出同時非矛盾地控制力和位置的概念和關(guān)節(jié)柔順的思想，他的方法是對機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)根據(jù)具體任務(wù)要求分別獨(dú)立地進(jìn)行力控制和位置控制，明顯有一定局限性。1981年Raibert和Craig在Mason的基礎(chǔ)上提出了力/位混合控制，即通過雅可比矩陣將作業(yè)空間任意方向的力和位置分配到各個關(guān)節(jié)控制器上，可這種方法計算復(fù)雜。為此H. Zhang等人提出了把操作空間的位置環(huán)用等效的關(guān)節(jié)位置環(huán)代替的改進(jìn)方法。但必須根據(jù)精確的環(huán)境約束方程來實(shí)時確定雅可比矩陣并計算其坐標(biāo)系，要實(shí)時地用反映任務(wù)要求的選擇矩陣來決定力和位控方向?？傊?，力/位混合控制理論明確但付諸實(shí)施難。下圖為力/位混合控制結(jié)構(gòu)。

柔順控制自適應(yīng)控制策略

力控制目的是為了有效控制力和位置。但機(jī)器人為多自由度、時變和強(qiáng)耦合的復(fù)雜體，系統(tǒng)本身的位姿隨時而變，加上外部環(huán)境存在極大的模糊性，有時無法確定。上述兩種策略廣義上屬于經(jīng)典控制的范疇，為力控制研究發(fā)展打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)，但從適用范圍和控制效果看仍有不足，更無法使其推廣應(yīng)用。機(jī)器人本身的多自由度和位姿的不確定性，力和位置強(qiáng)耦合的力控制特點(diǎn)，以及阻抗控制和力/位混合控制策略的局限性，決定了眾多學(xué)者進(jìn)行自適應(yīng)研究嘗試的必然性。具有代表性的是：Chung Jack G H , Leininger Gay G 直接在多任務(wù)坐標(biāo)系統(tǒng)中，用學(xué)習(xí)進(jìn)行重力、動摩擦力和柔順反作用力補(bǔ)償，以插孔為目標(biāo)，進(jìn)行自適應(yīng)實(shí)驗(yàn)；KucTae-Yong, Lee Jin S , Park ByungHyun采用自適應(yīng)學(xué)習(xí)的混合控制方法，進(jìn)行了約束運(yùn)動控制嘗試，在逆動力學(xué)求解、收斂性及抗干擾方面獲得滿意的效果。NicolettiGuy M 用Lyapunov穩(wěn)定理論，針對約束運(yùn)動，對模型參考自適應(yīng)PID控制的穩(wěn)定性條件和判據(jù)進(jìn)行了研究。另外，針對機(jī)器人力控制特點(diǎn)眾多學(xué)者進(jìn)行了變結(jié)構(gòu)力控制嘗試.從現(xiàn)有的成果來看，自適應(yīng)控制和變結(jié)構(gòu)控制大部分處于理論研究和仿真實(shí)現(xiàn)的水平，并沒有取得突破。

柔順控制智能控制新策略

上述3種控制策略，存在一個共同的建模難題.就機(jī)器人本身來講，時變、強(qiáng)耦合以及不確定性給機(jī)器人控制帶來了困難.再加上力反饋的輸入，更增加了建模的難度.從現(xiàn)有的研究成果來看，上述3種策略各有優(yōu)缺點(diǎn)但大多處于理論探索和仿真階段，無法尋找徹底解決機(jī)器人力控制問題。另外機(jī)器人研究已進(jìn)入智能化階段，決定了機(jī)器人智能力控制策略出現(xiàn)的必然性。具有代表性的研究：Connolly Thomash.等將多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于力拉混合控制，根據(jù)檢測到的力和位置由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算選擇矩陣和人為約束，并進(jìn)行了插孔實(shí)驗(yàn)；日本的福田敏男等用4層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了神經(jīng)伺服控制器，進(jìn)行了細(xì)針刺紙實(shí)驗(yàn)，能將力控制到不穿破紙的極小范圍。此后不久，又將之用于碰撞試驗(yàn)，取得了一定的成果，但機(jī)構(gòu)簡單，針對性強(qiáng)，尚缺少普遍性；Xu Yangsheng等提出了主動柔順和被動柔順相結(jié)合的觀點(diǎn)，研制了相應(yīng)的機(jī)械腕，采用模糊控制的方法，實(shí)施插孔。從研究成果來看，智能控制仍處于起步階段，尚未形成獨(dú)立的控制策略，僅僅將智能控制原理如模糊和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論對以往研究中無法解決的難題進(jìn)行新的嘗試，仍具有一定的局限性。

從機(jī)器人力控制的特點(diǎn)來看，它是在模擬人的力感知的基礎(chǔ)上進(jìn)行的控制，因而智能控制具有很強(qiáng)的研究價值。有人詳細(xì)分析了各種各樣的研究方法，提出了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能“力/位并環(huán)”的控制策略。

智能力拉并環(huán)控制結(jié)構(gòu)的基本原理如圖所示。將力控制大系統(tǒng)分解成子系統(tǒng)，將力拉并行輸入，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行綜合，輸出為位置量。這樣，并不改動機(jī)器人的位置伺服系統(tǒng)，可以充分利用原機(jī)器人的優(yōu)良位置控制性能。另外還有其他特點(diǎn)：

1)它既具有阻抗控制的優(yōu)點(diǎn)又具有力/位混合控制的特點(diǎn)；

2)具有聯(lián)想記憶的功能，容錯、糾錯、自學(xué)習(xí)和自組織為此一大特色。尤其，該策略的學(xué)習(xí)功能明顯優(yōu)于自適應(yīng)學(xué)習(xí)；

3)擁有知識庫一一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各神經(jīng)元之間的聯(lián)接權(quán)值.能根據(jù)輸入力和位置的模糊劃分，自行進(jìn)行匹配，選擇相應(yīng)的權(quán)值；

4)無須進(jìn)行建模，適用范圍廣，且實(shí)時性強(qiáng)。

機(jī)器人在生產(chǎn)自動化中占有極其重要的位置，目前工業(yè)機(jī)器人己廣泛的應(yīng)用在生產(chǎn)自動化中，而絕大多數(shù)的工業(yè)機(jī)器人是按預(yù)先編制好的程序來進(jìn)行工作，這稱之為位置控制。但當(dāng)外界條件發(fā)生變化時，工作狀態(tài)就要發(fā)生變化，為了使機(jī)器人做正確的動作，則機(jī)器人就應(yīng)使其動作響應(yīng)外界條件的變化作相應(yīng)的調(diào)整，如果此時采用位置控制機(jī)器人，工作將產(chǎn)生困難。

要使機(jī)器人能對外界的變化產(chǎn)生響應(yīng)，一般采用視覺傳感器、力傳感器等來感受外界的變化，然后將信息反饋給控制系統(tǒng)，使之根據(jù)外界的變化來控制機(jī)器人的動作。柔順控制就是從力傳感器取得控制信號，用此信號去控制機(jī)器人，使之響應(yīng)這個變化而動作。人們在進(jìn)行裝配或加工時，是通過被裝配物(加工物)反饋回來的信息進(jìn)行調(diào)整，邊調(diào)整邊工作，如果機(jī)器人也具有這種能力的話，就可實(shí)現(xiàn)可靠而準(zhǔn)確的工作了，因此在機(jī)器人上裝上力傳感器采用柔順控制(Compliance Control)就可實(shí)現(xiàn)。將柔順控制應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)使得機(jī)器人向智能化方向邁了一步。關(guān)于機(jī)器人的柔順控制問題，國內(nèi)外機(jī)器人專家進(jìn)行了大量的研究，稱之為柔順控制研究。

柔順性分為主動柔順性和被動柔順性兩類。機(jī)器人憑借一些輔助的柔順機(jī)構(gòu)，使其在與環(huán)境接觸時能夠?qū)ν獠孔饔昧Ξa(chǎn)生自然順從，稱為被動柔順性；機(jī)器人利用力的反饋信息采用一定的控制策略去主動控制作用力，稱為主動柔順性。

柔順控制簡介

所謂被動柔順機(jī)構(gòu)，即利用一些可以使機(jī)器人在與環(huán)境作用時能夠吸收或儲存能量的機(jī)械器件如彈簧、阻尼等，而構(gòu)成的機(jī)構(gòu)一種典型的最早的被動柔順裝置RCC是由MITDraper實(shí)驗(yàn)室設(shè)計的，它用于機(jī)器人裝配作業(yè)時，能對任意柔順中心進(jìn)行順從運(yùn)動。RCC實(shí)為一個由6只彈簧構(gòu)成的能順從空間6個自由度的柔順手腕，輕便靈巧。用RCC進(jìn)行機(jī)器人裝配的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：將直徑4Clnm的圓柱銷在倒角范圍內(nèi)且初時錯位2mm的情況下，于0. 25s內(nèi)插入配合間隙為0.01mm的孔中。

柔順控制缺點(diǎn)

機(jī)器人采用被動柔順裝置進(jìn)行作業(yè)，顯然存在一定的問題：

1)無法根除機(jī)器人高剛度與高柔順性之間的矛盾；

2)被動柔順裝置的專用性強(qiáng)，適應(yīng)能力差，使用范圍受到限制；

3)機(jī)器人加上被動柔順裝置，其本身并不具備控制能力，給機(jī)器人控制帶來了極大的困難，尤其在既需要控制作用力又需要嚴(yán)格控制定位的場合中，更為突出。

4)無法使機(jī)器人本身產(chǎn)生對力的反應(yīng)動作，成功率較低等等。

也正是這些被動柔順方法的不足之處，決定了機(jī)器人專家們探索新的研究方法。因此，為克服被動柔順性存在的極大不足，主動柔順控制應(yīng)需而生，進(jìn)而成為、乃至今日仍為機(jī)器人研究的一個主要方向。

柔順控制位置伺服

機(jī)器人的力控制最終是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)，所以位置伺服是機(jī)器人實(shí)施力控制的基礎(chǔ)。力控制研究的目的之一實(shí)現(xiàn)精密裝配；另外，約束運(yùn)動中機(jī)器人終端與剛性環(huán)境相接觸時，微小的位移量往往產(chǎn)生較大的環(huán)境約束力。因此位置伺服的高精度是機(jī)器人力控制的必要條件。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，單獨(dú)的位置伺服已達(dá)到較高水平。因此，針對力控制力/位之間的強(qiáng)耦合，必須有效解決力/位混合后的位置伺服。

柔順控制碰撞沖擊及穩(wěn)定性

就穩(wěn)定性本身而言，就是機(jī)器人研究中的難題，再加入閉環(huán)力控制系統(tǒng)，難度更大，因此力控制穩(wěn)定性為機(jī)器人控制中的重要環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有的研究主要從碰撞沖擊和穩(wěn)定性兩方面進(jìn)行突破。

柔順控制未知環(huán)境的約束

力控制研究中，表面跟蹤為極為常見的典型依從運(yùn)動。但環(huán)境的幾何模型往往不能精確得到，多數(shù)情況是未知的.因此對未知環(huán)境的幾何特征作在線估計，或者根據(jù)機(jī)器人在該環(huán)境下作業(yè)時的受力情況實(shí)時確定力控方向(表面法向)和位控方向(表面切向)，實(shí)際為機(jī)器人力控制的重要問題。

柔順控制力傳感器

機(jī)器人力覺傳感器為主動柔順控制研究必不可少的工具。傳感器直接影響著力控制性，精度高(分辨率、靈敏度和線性度等沐可靠性好和抗干擾能力強(qiáng)是機(jī)器人力傳感器研究的目標(biāo)。就安裝部位而言，可分為關(guān)節(jié)式傳感器，腕部式傳感器和手指式傳感器。

機(jī)器人的柔順控制研究，實(shí)為智能機(jī)器人的基本功能之一一一力覺的研究。主動和被動的有機(jī)結(jié)合，對避免機(jī)器人與環(huán)境從非接觸到接觸的自然轉(zhuǎn)換時的碰撞沖擊，具有決定性作用，此為機(jī)器人柔順控制的必然趨勢.智能力控制策略中的記憶運(yùn)算、比較、鑒別、判斷、決策、學(xué)習(xí)和邏輯推理等概念和方法必須有效融合一起，作為人工智能的重要部分，也是機(jī)器人力控制和主動柔順控制研究的發(fā)展趨勢。有關(guān)于此的力控制和依從運(yùn)動控制的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用主要表現(xiàn)在如下幾個方面：

(1)裝配操作典型作業(yè)包括插銷入孔，旋擰螺釘，搖轉(zhuǎn)曲柄，搬運(yùn)堆放重物等?？刂菩Ч脑u價指標(biāo)一般為裝配間隙，受力狀況和操作時間等方面。

( 2)表面跟蹤典型作業(yè)包括擦洗飛機(jī)，括擦玻璃，修理工件表面(去毛刺，磨削或拋光等)，跟蹤焊縫，智能數(shù)控機(jī)床研制等。

( 3)雙手協(xié)調(diào)要求兩個或兩個以上的機(jī)器人手臂在相互約束的條件下能夠協(xié)調(diào)地工作。通常一個手臂主動，另一手臂在力控制下隨動.雙手協(xié)調(diào)為未來多臂機(jī)器人研究的基礎(chǔ)。

( 4)靈巧手多手指協(xié)調(diào)，控制抓拿物體(如雞蛋，乒乓球等)力的大小。

總而言之，機(jī)器人柔順控制是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，現(xiàn)只處于理論研究階段，技術(shù)實(shí)現(xiàn)正處于摸索階段，離推廣實(shí)用尚有一定距離。隨著計算技術(shù)，智能控制理論等的飛速發(fā)展，必將取得滿意的結(jié)果。2100433B