机器人阻抗控制的原理，应用和实现（上）

阻抗控制原理

阻抗的来源：

我们之前在电工电子学中也有遇到过阻抗的概念，在具有电阻、电感和电容的电路里，对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一个复数，实际称为电阻，虚称为电抗。阻抗的单位是欧姆。阻抗的概念不仅存在与电路中，在力学的振动系统中也有涉及。

而机器人力的阻抗控制虽然和电工电子的阻抗不是同一个范畴的概念，但是其本质是相同的，这也是阻抗的本质意义。

机器人系统也是一个物理系统。对任意自由度机器人可以对外界施加一个力或者位移速度，但是不能同时施加。从外界沿任意方向来看可以归结为：导纳系统和阻抗系统。前者接收压扁输入产生流变输出，后者接收就变输入产生压扁输出。对于两动态作用的物理量系统而言，两者互相耦合。

阻抗控制的目标：建立一个期望的机器人位置和接触力的动态响应关系。将外界环境系统视为对机器人系统的一种“干扰”，并给机器人在受外界力而偏离既定运动时具有阻抗形式的扰动响应。通过改变上述阻抗，就可以调节机器人与外界的动态作用。

表达式：由于机器人的动力学方程为二阶微分方程形式，从获得控制律简单且效果好的观点出发，目标阻抗通常会选用一个线性二阶系统。

一般用质量，弹簧，阻尼系统表示。有三种常见形式：

对应的阻抗控制的物理意义：

这三张图非常重要，看懂了这三张图就能明白阻抗控制的原理了。

阻抗控制 Md，Bd，Kd 调整对机器人的影响

Md质量，Md大会对环境产生冲击运动，导致轨迹误差较大，系统响应慢。                                                                                             

Bd阻尼相当于摩擦，Bd大会减小响应力超调，响应慢，能量消耗大。  

Kd的作用相当于弹簧。离中心位置越远，受到的弹力越大。 Kd越小，即弹簧刚度系数越小，力控制稳态误差越小，系统响应越慢。

一般环境刚度大，则阻抗刚度小，环境刚度小，则阻抗刚度大，这样就能表现出很好的顺应性。

机器人阻抗控制方法：基于位置的阻抗控制和基于力的阻抗控制

基于位置的阻抗控制其实也就是前面说到的导纳控制，而基于力的阻抗控制就是前面提到的狭义上的阻抗控制。

位置阻抗是让机器人电机在位置模式下工作，通过发送目标位置和速度实现阻抗特性。

而基于力的阻抗控制则必须让机器人的电机处于力矩模式工作，需要考虑机器人的动力学模型，直接计算出需要的力矩给驱动器。计算量和难度较大，但是控制的响应效果可以做的比位置阻抗要好。