机器人柔顺控制是什么意思

随着自动化技术的不断进步，机器臂（Robotic Manipulator）在喷涂、上下料、分拣、码垛、焊接等应用场景中的技术已经相对成熟。

这些场景对机器臂操作能力要求不高，机器臂大多数时处于无约束条件下（free-space），通过轨迹规划、位置控制结合视觉识别、定位等功能即可满足基本应用要求。

然而对于接触丰富（Contact-rich）的非结构化场景，如在执行医疗手术、维修、装配等精巧操作任务时，环境接触特征多样，机器人与环境的交互频繁，为保证与环境安全、柔顺地进行交互并顺利完成操作任务，需要对机器臂的柔顺控制（Compliant Control）进行研究。

更进一步地，对于关节型腿足机器人（如双足、四足机器人）、外骨骼增强机器人等，柔顺控制对于机器人复杂地形通过能力、人机柔顺交互能力等同样发挥着关键作用。

基本概念

阻抗控制（Impedance Control）和导纳控制（Admittance Control）是机器臂柔顺控制中常见的两种方法。

从系统动力学的一般角度，阻抗和导纳描述了势-efforts（如力、压力、电压、温差等）和流-flow（如速度、流量、电流、热流等）之间的动态联系（即围绕平衡点的动态联系）：阻抗的输入为流-flow，输出为势-effort；

导纳则正好与此相反，阻抗和导纳互为倒数关系。具体到机器臂任务空间的语境中，阻抗控制和导纳控制规定了机器人末端力和速度（或者位移）之间的动态联系。

这也就决定了阻抗控制和导纳控制的基本区别：

阻抗控制外环为位置控制，根据位移或者速度偏差生成力控信号，输入到内环，内环为力控制环（或者称为基于力的阻抗控制）；

导纳控制则正好相反，外环一般为力控制环，根据接收的力偏差信号生成位置参考信号，内环为位置控制环（或者称之为基于位置的阻抗控制）。

整体来说，无论是阻抗还是导纳控制，其外环主要实现预期的柔顺行为，内环则期望其动态相应足够快（以至于可以忽略其动态），以保证柔性行为的实现，从这个意义上来看，其本质是相同的。

机器臂阻抗控制和导纳控制中的阻抗、导纳（模型）是机器臂任务空间的期望动力学行为描述，取决于应用场景，对同一动力学行为的描述方式可以不同（模型只是对研究对象的一种描述方式，并不是研究对象本身，其选取高度取决于实际应用情况）。

如对于柔顺性的描述，即可以使用阻抗，也可以使用其倒数-导纳。具体来说：

如果期望机械臂表现出低刚度行为，则适合采用阻抗模型描述（阻抗控制），采用导纳描述（刚度在分母上）则会导致过大增益，导致控制系统不稳定；

相反，对于期望的高刚度行为，则采用导纳模型描述（导纳控制）。

为符合功率流流向，在阻抗控制中，环境接触特性用导纳模型近似描述；在导纳控制中，环境接触特性用阻抗模型近似描述。