王志軍，武東杰，趙 震

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063000)

1 機器人柔順控制研究概況

隨著制造工業(yè)的快速發(fā)展，機器人技術已經(jīng)應用到各個領域，并且需求趨勢日漸增加，對機器人性能和精度的要求也越來越高。機器人所面臨的問題是如何在復雜環(huán)境下自如運行，針對這一問題，國內(nèi)外專家做了大量的研究工作，稱之為柔順控制研究[1]。目前來看，機器人柔順控制可以從兩方面來分析：一方面是機器人通過改變自身機構來適應外界環(huán)境變化，稱之為被動柔順；另一方面是機器人以主動的方式通過力傳感器檢測外界環(huán)境變化反饋力信息，稱之為主動柔順。

被動柔順機構，即通過機器人自身的一些緩沖機構如阻尼、彈簧等來實現(xiàn)機器人對環(huán)境的順應控制，但這種方法有明顯缺陷，即無法實現(xiàn)高精度的裝配要求，局限性強，無法廣泛應用于實際生產(chǎn)領域，本身缺少針對復雜環(huán)境的主動控制能力，生產(chǎn)效率低。因為被動柔順控制的種種缺點，主動柔順控制應運而生，成為當前的主流研究方向。

主動柔順控制，其實是對力的有效控制，機器人在面對復雜環(huán)境時必須具備精確的感知力和準確的控制力。無論是表面拋光、打磨、噴涂，還是零件裝配，都需要精確的力反饋作為基礎。最早的主動柔順控制研究可以追溯到20世紀50年代，自20世紀70年代以來，主動柔順控制進入一個快速發(fā)展的時期，在計算機的輔助下，機器人主動柔順控制無論是在理論研究方面，還是在實際生產(chǎn)領域都有重大突破，不僅彌補了被動柔順控制的種種缺點，還為機器人控制帶來新的曙光。

2 機器人力控制策略

主動柔順控制是對力和位置的把握，力和位置是一對相互影響的因素，任何力控研究都要從這兩點出發(fā)。從目前機器人的主流控制策略來看可以大致分為以下幾類：阻抗控制策略、力/位混合控制策略、自適應控制策略和智能控制。

阻抗控制是對機器人末端執(zhí)行機構位置和接觸力平衡關系的控制，因為很多操作僅僅依靠位置控制很難滿足要求，如打磨、裝配等接觸類作業(yè)，所以需要對工件表面有良好的力控制能力。Hongan[2]和Huang S[3]等人對此做出了巨大貢獻，通過傳感器接收的力反饋信息，調(diào)整執(zhí)行機構位置、速度的變化量，進而滿足控制要求。其缺點是并不能完美得到執(zhí)行機構末端的精確運行軌跡和所接觸環(huán)境的位置變化，這在很大程度上為機器人控制帶來困難，目前尚在研究中。

力/位混合控制，顧名思義是對力和位置同時控制，Mason最早提出這個概念，機器人各關節(jié)進行位置協(xié)調(diào)控制和對各自受力的平衡控制，Zhang H等人提出了利用關節(jié)位置關系代替空間位置，需要利用雅可比矩陣得到坐標系關系。Singh H P[4-5]等人曾經(jīng)提出通過神經(jīng)網(wǎng)絡來確定力/位混合控制的精準性，這是目前相對前沿的研究，為力控制技術打開了新的方向。

雖然力/位混合控制理論研究相對成熟，但在實際運用中依然存在問題。機器人控制的難點主要表現(xiàn)在兩方面：①機器人作為一個多自由度機構，各關節(jié)的摩擦、耦合帶來的系統(tǒng)內(nèi)部誤差;②外界環(huán)境的復雜性?，F(xiàn)在很多操作環(huán)境都是不規(guī)則的，包括曲面跟蹤等對控制精度要求很高的操作空間，僅依靠阻抗控制和力/位混合控制很難滿足要求，Kuc Tae-Yong[6]等人提出了適應性模糊控制，通過對重力、摩擦力進行補償，利用動力學逆求解等方法,使機器人力控制能根據(jù)環(huán)境變化做出應對。雖然此方法尚在理論研究中，但也為機器人控制開啟了新的方向。

智能控制目前仍然處在起步階段，無論是理論研究還是實際應用都有很多問題待解決，這更加說明了智能控制是未來機器人力控制的必然趨勢。

3 機器人力控制的要點

力控制以達到精確控制為目的，機器人力控制從本質(zhì)上來說是對位置的控制，在很多場合如零件裝配需要準確的位置控制，這是目前需要突破的難點，機器人末端微小的位移量都會產(chǎn)生巨大的耦合。因此位置伺服的高精度是機器人力控制的必要條件。位置伺服經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)達到一個很高的發(fā)展水平。但如何解決力/位之間的耦合，依然是一個問題。

力控制的穩(wěn)定性是不可忽略的問題[7]，Toumi曾經(jīng)提出通過降低碰撞沖擊力來提高穩(wěn)定性，根據(jù)能量守恒原則設計出力調(diào)節(jié)器，根據(jù)接觸變化對力調(diào)節(jié)器作出相應調(diào)整，以減少碰撞，提高控制精度。力控制研究中，隨著智能化發(fā)展，單純的位置控制已經(jīng)不能滿足復雜環(huán)境下的實際應用，因此，如何在未知環(huán)境下實現(xiàn)精確的力控制是機器人力控制的難點之一。傳感器作為機器人末端感知外界環(huán)境的媒介，有著不可替代的作用，是保證機器人柔順控制的基礎元件。因此，傳感器的穩(wěn)定性和準確性是力控制的突破方向。

4 機器人力控制的研究前景

機器人智能化發(fā)展已然是大勢所趨，面對復雜的接觸環(huán)境和對操作水平的高要求，更加智能、完善的力控制系統(tǒng)是發(fā)展的必然趨勢。智能力控制中的對比、算法、耦合、反饋和邏輯推理等方法必須融為一體，實現(xiàn)理想的柔順控制。總之，機器人柔順控制是一項綜合性技術，目前仍然處于摸索階段，還有很長的路要走，隨著智能化的進一步完善，機器人力控制最終將達到一個全新的高度。

參考文獻：

[1] 殷躍紅,尉忠信,朱劍英.機器人柔順控制研究[J].機器人, 1998(3)：232-240.

[2] Hogan N.Impedance control:an approach to manipulation[C]//American Control Conference.[s.l.]:IEEE,2009:304-313.

[3] Huang S J,Liu YC,Hsiang S H.Robotic end-effector impedance control without expensive torque/force sensor[J].World Academy of Science,Engineering and Technology,International Journal of Mechanical,Aerospace,Industrial and Mechatronics Engineering,2013,7(7):516-523.

[4] Singh H P,Sukavanam N.Stability analysis of robust adaptive hybrid position/force controller for robot manipulators using neural network with uncertainties[J].Neural Computing & Applications,2013,22(7-8):1745-1755.

[5] Kumar N,Panwar V,Sukavanam N,et al.Neural network based hybrid force/position control for robot manipulators[J].International Journal of Precision Engineering & Manufacturing,2011,12(3):419-426.

[6] 陶瑞超，楊亞非.帶有期望補償?shù)淖赃m應魯棒控制律設計及比較分析[J].測試技術學報，2012，26(1):74-77.

[7] 胡天健.空間機器人接觸動力學與魯棒控制綜述[J].智能機器人,2016(2):37-40.