机器臂柔顺控制初步分析

为实现与环境的安全、柔顺交互，需要将机器人期望动力学行为与接触环境所表现出来的特征进行匹配。定性地分析来看：

对于高刚度接触环境，期望机器臂体现出低阻抗行为（即强调对环境的顺应性，以避免过大接触力），考虑选用阻抗控制（此时，接触环境建模为导纳，即输入容许范围的接触力，反馈位移给机械臂）；

而对于低刚度环境，期望机械臂体现出高阻抗行为（在给定接触力的前提下，保证较小的位移偏差），一般采用导纳控制（此时，接触环境建模为阻抗，输入位移，反馈接触力给机械臂）。

对于实际操作/交互任务，如何确定柔顺控制中的阻抗参数是一项具有挑战性的任务，一般需要通过大量的实际测试或者控制系统深入分析（接触环境建模或者测量、接触稳定性分析等）实现。

更具有挑战性的任务是，如何进行变化接触条件下的（自适应）柔顺控制、学习以及学习控制，目前仍是一个开放性问题。

由于阻抗控制和导纳控制的环路配置方式（阻抗控制内环为力控制环，导纳控制内环为位置控制环），其具体实施的特点有所不同，分析如下。

对于导纳控制来说：环境交互力必须能够实时测量反馈，需要力传感器或者相应的接触力估计算法以生成修正位置指令；

当机器臂与环境接触时，自然形成物理力闭环，自由运动时，外部力控制环断开，只有内部位置控制环，与一般工业机器人控制环路相同，位置控制环也降低了对关节执行器反拖性能或者精确动力学模型的要求，实际实施较为简单和容易；

然而考虑到位置环控制带宽较小，实际上内环动态无法忽略，对导纳控制误差造成了不利影响。

对于阻抗控制来说：内环为力控制环，取决于采用单独力闭环控制器（需要末端力矩传感器）或者直接进行关节力矩/电流控制（需要驱动关节的反拖性能，此时摩擦力影响较小，或者精确地关节摩擦力矩模型），可以将阻抗控制分为显式和隐式两种模式；

对于显式模式来说，由于外环阻抗控制回路无法自然断开，在机械臂接触状态转变时，力控制稳定性问题难以保证，尤其和刚度较高的环境进行接触时；

对于隐式模式来说，必须能直接进行关节电机电流环直接进行控制，而且需要知道精确地动力学模型和关节模型。

无论是阻抗控制，还是导纳控制，其最终目标都是控制接触力和位移之间的动态联系，最终达到与环境柔顺交互的目的。在其中末端接触力/力矩感知都发挥着关键作用。