王志軍，武東杰，趙 震

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063000)

1 機(jī)器人柔順控制研究概況

隨著制造工業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，并且需求趨勢(shì)日漸增加，對(duì)機(jī)器人性能和精度的要求也越來(lái)越高。機(jī)器人所面臨的問(wèn)題是如何在復(fù)雜環(huán)境下自如運(yùn)行，針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)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(lái)看，機(jī)器人柔順控制可以從兩方面來(lái)分析：一方面是機(jī)器人通過(guò)改變自身機(jī)構(gòu)來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境變化，稱之為被動(dòng)柔順；另一方面是機(jī)器人以主動(dòng)的方式通過(guò)力傳感器檢測(cè)外界環(huán)境變化反饋力信息，稱之為主動(dòng)柔順。

被動(dòng)柔順機(jī)構(gòu)，即通過(guò)機(jī)器人自身的一些緩沖機(jī)構(gòu)如阻尼、彈簧等來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)環(huán)境的順應(yīng)控制，但這種方法有明顯缺陷，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的裝配要求，局限性強(qiáng)，無(wú)法廣泛應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域，本身缺少針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的主動(dòng)控制能力，生產(chǎn)效率低。因?yàn)楸粍?dòng)柔順控制的種種缺點(diǎn)，主動(dòng)柔順控制應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)前的主流研究方向。

主動(dòng)柔順控制，其實(shí)是對(duì)力的有效控制，機(jī)器人在面對(duì)復(fù)雜環(huán)境時(shí)必須具備精確的感知力和準(zhǔn)確的控制力。無(wú)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?zhàn)鳛榛A(chǔ)。最早的主動(dòng)柔順控制研究可以追溯到20世紀(jì)50年代，自20世紀(jì)70年代以來(lái)，主動(dòng)柔順控制進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，在計(jì)算機(jī)的輔助下，機(jī)器人主動(dòng)柔順控制無(wú)論是在理論研究方面，還是在實(shí)際生產(chǎn)領(lǐng)域都有重大突破，不僅彌補(bǔ)了被動(dòng)柔順控制的種種缺點(diǎn)，還為機(jī)器人控制帶來(lái)新的曙光。

2 機(jī)器人力控制策略

主動(dòng)柔順控制是對(duì)力和位置的把握，力和位置是一對(duì)相互影響的因素，任何力控研究都要從這兩點(diǎn)出發(fā)。從目前機(jī)器人的主流控制策略來(lái)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(yīng)控制策略和智能控制。

阻抗控制是對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置和接觸力平衡關(guān)系的控制，因?yàn)楹芏嗖僮鲀H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(duì)工件表面有良好的力控制能力。Hongan[2]和Huang S[3]等人對(duì)此做出了巨大貢獻(xiàn)，通過(guò)傳感器接收的力反饋信息，調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置、速度的變化量，進(jìn)而滿足控制要求。其缺點(diǎn)是并不能完美得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)末端的精確運(yùn)行軌跡和所接觸環(huán)境的位置變化，這在很大程度上為機(jī)器人控制帶來(lái)困難，目前尚在研究中。

力/位混合控制，顧名思義是對(duì)力和位置同時(shí)控制，Mason最早提出這個(gè)概念，機(jī)器人各關(guān)節(jié)進(jìn)行位置協(xié)調(diào)控制和對(duì)各自受力的平衡控制，Zhang H等人提出了利用關(guān)節(jié)位置關(guān)系代替空間位置，需要利用雅可比矩陣得到坐標(biāo)系關(guān)系。Singh H P[4-5]等人曾經(jīng)提出通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定力/位混合控制的精準(zhǔn)性，這是目前相對(duì)前沿的研究，為力控制技術(shù)打開(kāi)了新的方向。

雖然力/位混合控制理論研究相對(duì)成熟，但在實(shí)際運(yùn)用中依然存在問(wèn)題。機(jī)器人控制的難點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩方面：①機(jī)器人作為一個(gè)多自由度機(jī)構(gòu)，各關(guān)節(jié)的摩擦、耦合帶來(lái)的系統(tǒng)內(nèi)部誤差;②外界環(huán)境的復(fù)雜性。現(xiàn)在很多操作環(huán)境都是不規(guī)則的，包括曲面跟蹤等對(duì)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(yīng)性模糊控制，通過(guò)對(duì)重力、摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償，利用動(dòng)力學(xué)逆求解等方法,使機(jī)器人力控制能根據(jù)環(huán)境變化做出應(yīng)對(duì)。雖然此方法尚在理論研究中，但也為機(jī)器人控制開(kāi)啟了新的方向。

智能控制目前仍然處在起步階段，無(wú)論是理論研究還是實(shí)際應(yīng)用都有很多問(wèn)題待解決，這更加說(shuō)明了智能控制是未來(lái)機(jī)器人力控制的必然趨勢(shì)。

3 機(jī)器人力控制的要點(diǎn)

力控制以達(dá)到精確控制為目的，機(jī)器人力控制從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是對(duì)位置的控制，在很多場(chǎng)合如零件裝配需要準(zhǔn)確的位置控制，這是目前需要突破的難點(diǎn)，機(jī)器人末端微小的位移量都會(huì)產(chǎn)生巨大的耦合。因此位置伺服的高精度是機(jī)器人力控制的必要條件。位置伺服經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到一個(gè)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(gè)問(wèn)題。

力控制的穩(wěn)定性是不可忽略的問(wèn)題[7]，Toumi曾經(jīng)提出通過(guò)降低碰撞沖擊力來(lái)提高穩(wěn)定性，根據(jù)能量守恒原則設(shè)計(jì)出力調(diào)節(jié)器，根據(jù)接觸變化對(duì)力調(diào)節(jié)器作出相應(yīng)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(fù)雜環(huán)境下的實(shí)際應(yīng)用，因此，如何在未知環(huán)境下實(shí)現(xiàn)精確的力控制是機(jī)器人力控制的難點(diǎn)之一。傳感器作為機(jī)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(jī)器人柔順控制的基礎(chǔ)元件。因此，傳感器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性是力控制的突破方向。

4 機(jī)器人力控制的研究前景

機(jī)器人智能化發(fā)展已然是大勢(shì)所趨，面對(duì)復(fù)雜的接觸環(huán)境和對(duì)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(shì)。智能力控制中的對(duì)比、算法、耦合、反饋和邏輯推理等方法必須融為一體，實(shí)現(xiàn)理想的柔順控制?？傊?，機(jī)器人柔順控制是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，目前仍然處于摸索階段，還有很長(zhǎng)的路要走，隨著智能化的進(jìn)一步完善，機(jī)器人力控制最終將達(dá)到一個(gè)全新的高度。

參考文獻(xiàn)：

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