机器人阻抗控制性能及其实验验证

Impedance Control

机器人阻抗控制是一种控制方法，其目的是构建一个系统使得执行器（如机械臂）能同时控制力和位置。它基于阻抗模型，通过调节机器人的行为，以维持理想的动态关系。这种动态关系可以理解为机器人末端位置与接触力的关系。

阻抗控制不是直接控制机器人的运动或与外界的接触力，而是控制这二者之间的动态关系。其最终目的是使机器人与环境作用的等效模型为期望阻抗模型。

Defination of Impedance Control：

刚度（K）和阻尼（D）参数决定了机器人在受力时的刚性和能量耗散程度。刚度参数决定了机器人的刚性程度，较大的刚度参数使机器人更具刚性，对外界力的响应更迅速。然而，过大的刚度参数可能导致振荡或不稳定的响应。阻尼参数控制机器人在受力时的能量耗散程度。较大的阻尼参数使机器人对外界力的响应更缓慢，减小了振荡的风险。然而，过大的阻尼参数可能导致响应时间过长或不足够灵敏。

微分方程形式：

机器人动态如下：

期望阻抗模型：

外力的产生：

x0为非接触末端执行器轨迹；

Lawrence, D. A. (1988, April). Impedance control stability properties in common implementations. In Proceedings. 1988 IEEE International Conference on Robotics and Automation (pp. 1185-1190). IEEE.

阻抗控制的目标动态可以写为二阶质量-弹簧-阻尼形式：

考虑关节阻尼（例如减速器齿轮阻尼）的粘弹性关节：

力顺应性实验

冲击试验

控制器阶跃响应实验

二质量弹性关节模型：

电机与连杆端传函：

实现阻抗控制：

目标阻抗：

Plexiglas box：

 花岗岩刚度N/m

接下来，沿花岗岩表面匀速滑动运动(3秒内5厘米)

Vertical force in impact experiments at different velocities：

Ferretti, G., Magnani, G., & Rocco, P. (2004). Impedance control for elastic joints industrial manipulators. IEEE Transactions on Robotics and Automation, 20(3), 488-498.

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德宇航DLR轻型臂控制架构：

力控系统：

Tsuji, T., & Tanaka, Y. (2005). Tracking control properties of human-robotic systems based on impedance control. IEEE Transactions on systems, man, and cybernetics-Part A: Systems and Humans, 35(4), 523-535.