為實現(xiàn)與環(huán)境的安全、柔順交互,需要將機器人期望動力學(xué)行為與接觸環(huán)境所表現(xiàn)出來的特征進行匹配。定性地分析來看:
對于高剛度接觸環(huán)境,期望機器臂體現(xiàn)出低阻抗行為(即強調(diào)對環(huán)境的順應(yīng)性,以避免過大接觸力),考慮選用阻抗控制(此時,接觸環(huán)境建模為導(dǎo)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(huán)境,期望機械臂體現(xiàn)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(dǎo)納控制(此時,接觸環(huán)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(wù),如何確定柔順控制中的阻抗參數(shù)是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),一般需要通過大量的實際測試或者控制系統(tǒng)深入分析(接觸環(huán)境建模或者測量、接觸穩(wěn)定性分析等)實現(xiàn)。
更具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)是,如何進行變化接觸條件下的(自適應(yīng))柔順控制、學(xué)習(xí)以及學(xué)習(xí)控制,目前仍是一個開放性問題。
由于阻抗控制和導(dǎo)納控制的環(huán)路配置方式(阻抗控制內(nèi)環(huán)為力控制環(huán),導(dǎo)納控制內(nèi)環(huán)為位置控制環(huán)),其具體實施的特點有所不同,分析如下。
對于導(dǎo)納控制來說:環(huán)境交互力必須能夠?qū)崟r測量反饋,需要力傳感器或者相應(yīng)的接觸力估計算法以生成修正位置指令;
當(dāng)機器臂與環(huán)境接觸時,自然形成物理力閉環(huán),自由運動時,外部力控制環(huán)斷開,只有內(nèi)部位置控制環(huán),與一般工業(yè)機器人控制環(huán)路相同,位置控制環(huán)也降低了對關(guān)節(jié)執(zhí)行器反拖性能或者精確動力學(xué)模型的要求,實際實施較為簡單和容易;
然而考慮到位置環(huán)控制帶寬較小,實際上內(nèi)環(huán)動態(tài)無法忽略,對導(dǎo)納控制誤差造成了不利影響。
對于阻抗控制來說:內(nèi)環(huán)為力控制環(huán),取決于采用單獨力閉環(huán)控制器(需要末端力矩傳感器)或者直接進行關(guān)節(jié)力矩/電流控制(需要驅(qū)動關(guān)節(jié)的反拖性能,此時摩擦力影響較小,或者精確地關(guān)節(jié)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(huán)阻抗控制回路無法自然斷開,在機械臂接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變時,力控制穩(wěn)定性問題難以保證,尤其和剛度較高的環(huán)境進行接觸時;
對于隱式模式來說,必須能直接進行關(guān)節(jié)電機電流環(huán)直接進行控制,而且需要知道精確地動力學(xué)模型和關(guān)節(jié)模型。
無論是阻抗控制,還是導(dǎo)納控制,其最終目標(biāo)都是控制接觸力和位移之間的動態(tài)聯(lián)系,最終達到與環(huán)境柔順交互的目的。在其中末端接觸力/力矩感知都發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
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