基于导纳控制的机器人拖动示教原理及其性能实现

       基于导纳控制的机器人拖动示教是一种常用的机器人控制策略，它允许人与机器人直接互动，实现自然、直观的控制。在导纳控制中，机器人被建模为一个力控制系统，其动力学特性由一个等效的导纳（Admittance）模型描述。导纳模型类似于弹簧和阻尼器的组合，用来描述机器人对外部力和运动的响应。

1. 原理：

• 导纳模型： 机器人导纳控制（Admittance Control）是一种机器人控制策略，用于实现机器人与外部环境的力互动和力控制。它的基本原理是将机器人建模为一个力控制系统，类似于一个弹簧-阻尼系统，可以模拟机器人对外部施加的力和力矩的响应。机器人导纳控制的核心思想是响应外部施加在机器人上的力，而不是预定轨迹或位置。这使得机器人能够适应不同的力互动情境，例如与人类操作员互动或在不确定环境中工作。

• 拖动示教原理： 用户通过手动操作机器人的末端或者与机器人连接的操纵杆，机器人根据导纳模型的响应，实时地跟随用户的运动，并且对外部施加的力量有一定的响应。这种方式使得用户可以直观地引导机器人完成任务，例如在装配过程中引导机器人拖动零部件。

2. 实现步骤：

1. 传感器配置： 安装力传感器或力/力矩传感器在机器人的末端，用于实时测量外部施加在机器人上的力和力矩。

2. 导纳模型设计： 根据任务需求和用户操作特性，设计适当的导纳模型，包括刚度和阻尼参数。

3. 力控制器设计： 开发基于导纳模型的力控制器，该控制器根据测得的外部力和期望的导纳模型响应，计算机器人的控制命令，使得机器人末端的力和运动响应用户的操作。

4. 示教过程： 用户通过手动操作机器人末端或操纵杆，机器人根据力控制器的指令实时跟随用户的运动。在这个过程中，机器人的运动受到用户施加的力的影响。

5. 性能实现和优化： 在实际应用中，可能需要进行性能优化，包括导纳模型参数的调整、控制器的增益调整，以及对传感器数据的滤波和校准，以提高机器人的控制精度和稳定性。

      导纳控制通常用于 控制与环境或物体进行物理交互的机器人。其目标是 在 交互扳手和机器人运动之间实现所需的导纳特性。

拖动示教通过直接在机器人末端或者连杆上施加一定方向的力，控制器力检测系统估算外部拖动力矩，引导机器人做相应的跟随运动，然后记录拖动过程位置，完成示教工作。

示教过程中，需要克服机器人连杆重力矩、摩擦力矩和惯性力矩。

基于动力学模型拖动示教模块主要分为四大功能部分：动力学参数辨识、动力学模型、力矩前处理以及拖动控制部分。

导纳控制方式适合机器人拖动示教的运动控制实现。导纳控制以外部拖动力矩作为输入，按照弹簧-阻尼-振子二阶系统运动规律，计算关节拖动跟随的位置指令。导纳控制将机器人连杆运动模拟成弹簧阻尼系统！！！

通过电机电流或关节力矩传感器获得关节力矩！！！

理想的零力模式是可以拖动机械臂到任何位置，但是导纳/阻抗控制拖动机械臂的时候如果外力保持不变，那么将有一个拖动位置的极限。

应用场景：对于移动下肢康复，导纳控制器用于让推车以最小的努力随患者移动！！！

导纳控制和阻抗控制之间的主要区别在于，前者在测量力后控制运动，后者在测量运动或偏离设定点后控制力。

导纳控制与阻抗控制类似，旨在根据可编程的导纳参数（即惯性、刚度和阻尼）向机器人施加受外部接触力的所需的动态行为。

与计算参考关节扭矩的阻抗控制律不同，导纳控制器的输出是基于测量（或估计）接触力的内部运动控制回路的参考运动。

导纳控制性能的评价通常涉及到以下几个方面的考虑：

1. 响应速度（Response Speed）： 导纳控制下的机器人对外部力的响应速度是一个关键指标。一个快速而稳定的响应可以提高机器人的操作效率，特别是在需要快速适应外部力变化的任务中。

2. 稳定性（Stability）： 控制系统的稳定性是非常重要的。导纳控制系统应该能够保持稳定的力平衡，避免因为外部干扰导致的不稳定或振荡。

3. 力和运动的协调性（Force-Motion Coordination）： 导纳控制下的机器人需要能够协调外部施加的力和自身的运动，确保力和运动之间的平衡，使得机器人能够稳定地进行任务操作。

4. 适应性（Adaptability）： 导纳控制的一个优势是它的适应性，即机器人可以适应不同大小和方向的外部力。性能好的导纳控制系统应该能够在不同工作环境和任务需求下表现出良好的适应性。

5. 抗干扰性（Disturbance Rejection）： 导纳控制系统应该能够抵抗外部干扰，包括突然施加的力或者干扰力的变化。一个稳定的导纳控制系统应该能够迅速调整以抵消这些干扰。

6. 用户体验（User Experience）： 如果导纳控制用于人机互动，用户体验是非常重要的。控制系统应该具有直观性，让用户能够自然地与机器人互动，并且有足够的灵活性以适应用户的动作和需求。

7. 能效（Energy Efficiency）： 机器人的能源消耗也是一个重要的性能指标。高效的导纳控制系统应该能够在维持稳定性和性能的同时，尽量减少能源的消耗。

导纳控制（Admittance Control）的内涵：

1. 力控制： 导纳控制的核心思想是以力为主导的控制策略。与传统的位置控制不同，导纳控制侧重于机器人对外部力的响应。

2. 模型化： 在导纳控制中，机器人被建模为一个等效的力控制系统。这个模型通常包括导纳模型，描述了机器人的刚度和阻尼特性，用于模拟机器人对外部力的响应。

3. 力和运动的平衡： 导纳控制追求力和运动的平衡。机器人可以根据外部施加的力来调整自身的运动，以保持力和运动之间的协调性。

4. 适应性： 导纳控制系统通常具有较强的适应性，能够适应不同大小、方向和速度的外部力，以适应不同的任务需求和工作环境。

5. 用户互动： 导纳控制常用于人机互动，用户可以通过手动操作机器人的末端或操纵杆来引导机器人的运动，实现直观的控制和协同工作。

6. 稳定性： 控制系统的稳定性是关键因素。导纳控制系统应该能够在外部干扰和力变化的情况下保持稳定，避免不稳定或振荡。

7. 力平衡： 导纳控制力求维持力平衡，机器人对外部力的响应应该与外部力平衡，以实现控制目标。

8. 实时响应： 导纳控制要求机器人实时地对外部力和用户输入做出响应，以保持力和运动的协调性。

       导纳控制（Admittance Control）是一种机器人控制策略，专注于机器人与外部环境的力互动和力控制。它的核心思想是将机器人建模为一个力控制系统，类似于弹簧和阻尼器的组合。这种控制策略允许机器人与外部环境产生力的互动，使机器人能够适应不同的力互动情境，例如与人类操作员互动或在不确定环境中工作。

1. 导纳模型： 在导纳控制中，机器人通常被建模为一个等效的导纳模型，该模型包括两个主要参数：

   • 刚度（Stiffness）： 刚度参数决定了机器人对外部力的响应速度。更高的刚度会导致机器人更快地响应外部力的变化，而更低的刚度使得响应速度变慢。刚度通常以力/位移的比率表示。

   • 阻尼（Damping）： 阻尼参数决定了响应的平滑性。更高的阻尼会减缓机器人的响应速度，减小振荡，而更低的阻尼可能导致更不稳定的响应。阻尼通常以力/速度的比率表示。

1. 力传感器： 为了实时监测外部环境施加在机器人上的力和力矩，通常需要在机器人的末端或与外部环境连接的部分安装力传感器或力/力矩传感器。这些传感器提供了机器人的外部力信息。

2. 力控制器： 基于导纳模型和传感器测量值，导纳控制系统中的力控制器计算机器人的关节力矩，以实现所期望的导纳模型响应。力控制器通过调整关节力矩以维持机器人与外部环境之间的力平衡。

3. 用户互动： 导纳控制通常用于人机互动或人机协同工作。用户可以通过手动操作机器人的末端或操纵杆来引导机器人的运动，机器人会根据导纳模型的响应模式跟随用户的力和运动。

4. 稳定性： 导纳控制系统应该保持稳定性，避免不稳定或振荡的情况。稳定性通常通过适当选择刚度和阻尼参数以及控制器设计来实现。

5. 适应性： 导纳控制系统具有一定的适应性，能够适应不同大小、方向和速度的外部力。这使得机器人能够在不同的任务需求和工作环境中表现出良好的适应性。

6. 任务执行： 导纳控制广泛应用于任务，如装配、力导引操作、协作机器人、协助行动和协同操控等领域。机器人通过导纳控制可以与人类或其他机器人协同工作，执行需要力互动的任务。

参考文献：

【1】https://zhuanlan.zhihu.com/p/126338809?utm_source=wechat_session&utm_id=0

【2】https://zhuanlan.zhihu.com/p/339007238

【3】Understanding the Implementation of Impedance Control in Industrial Robots

【4】导纳控制 |施普林格链接 (springer.com)

【5】What Are the Best Collaborative Robots? (robotiq.com)