机器人的力控制
机器人与环境间力位置控制技术研究与应用
机器人与环境间力位置控制技术研究与应用一、概述随着科技的不断进步和智能化浪潮的推进，机器人技术作为现代科技的重要代表，已经深入到各个领域，并在诸多方面发挥着不可替代的作用。
机器人与环境间的力位置控制技术，作为机器人技术的核心组成部分，对于提高机器人的操作精度、增强人机交互的柔顺性、保障机器人系统的稳定性和安全性等方面都具有重要的意义。
机器人与环境间力位置控制技术主要研究如何在机器人与环境交互过程中，实现精确的位置控制和力控制。
它要求机器人在执行任务时，不仅能够按照预定的轨迹进行精确运动，还要在与环境接触时，根据环境的反馈信息进行实时的力调整，以确保任务的顺利完成。
这一技术涉及到机器人动力学、控制理论、传感器技术、人工智能等多个领域的知识，是一个综合性很强的研究领域。
在实际应用中，机器人与环境间力位置控制技术广泛应用于工业制造、医疗康复、航空航天、服务机器人等领域。
例如，在工业制造中，机器人需要精确地抓取和放置工件，这就需要对机器人进行精确的位置和力控制在医疗康复领域，机器人需要与患者进行柔性的交互，以辅助患者进行康复训练，这也需要机器人具备力位置控制的能力。
研究和发展机器人与环境间力位置控制技术，对于推动机器人技术的进一步应用和发展具有重要的意义。
本文将对机器人与环境间力位置控制技术的研究现状进行梳理，分析当前研究中存在的问题和挑战，并探讨未来的发展趋势和应用前景。
同时，本文还将介绍一些典型的力位置控制算法和实验方法，以期能够为相关领域的研究人员提供一些有益的参考和启示。
1. 机器人技术背景与发展概述随着科技的飞速进步，机器人技术已经渗透到了众多领域，从工业生产到医疗服务，从深海探索到宇宙航行，机器人的身影无处不在。
机器人技术的发展，不仅极大地提高了生产效率，降低了人力成本，还在很大程度上拓宽了人类的活动范围，增强了人类对各种复杂环境的适应能力。
机器人技术最早可以追溯到20世纪初期，当时的研究主要集中在机械臂和自动控制理论上。
机器人的控制系统详解-精
一、机器人控制系统的特点
(3)具有较高的重复定位精度，系统刚性好。除直角坐标机器 人外，机器人关节上的位置检测元件不能安装在末端执行器上，而 应安装在各自的驱动轴上，构成位置半闭环系统。但机器人的重复 定位精度较高，一般为±0.1 mm。此外，由于机器人运行时要求 运动平稳，不受外力干扰，为此系统应具有较好的刚性。
一、机器人控制系统的特点
(2)运动描述复杂，机器人的控制与机构运动学及动 力学密切相关。描述机器人状态和运动的数学模型是一个 非线性模型，随着状态的变化，其参数也在变化，各变量 之间还存在耦合。因此，仅仅考虑位置闭环是不够的，还 要考虑速度闭环，甚至加速度闭环。在控制过程中，根据 给定的任务，应当选择不同的基准坐标系，并做适当的坐 标变换，求解机器人运动学正问题和逆问题。此外，还要 考虑各关节之间惯性力、哥氏力等的耦合作用和重力负载 的影响，因此，系统中还经常采用一些控制策略，如重力 补偿、前馈、解耦或自适应控制等。
(6)工业机器人还有一种特有的控制方式—— 制方式。当要工业机器人完成某作业时，可预先移动工业机器人 的手臂来示教该作业顺序、位置及其他信息，在此过程中把相关 的作业信息存储在内存中，在执行任务时，依靠工业机器人的动 作再现功能，可重复进行该作业。此外，从操作的角度来看，要 求控制系统具有良好的人机界面，尽量降低对操作者的要求。因 此，多数情况要求控制器的设计人员不仅要完成底层伺服控制器 的设计，还要完成规划算法的编程。
机器人力控制的工作原理
机器人力控制的工作原理机器人力控制是指通过对机器人施加力或力矩，使其实现某些特定的任务。
它是现代工业生产中的关键技术，广泛应用于装配、焊接、搬运等各个领域。
本文将介绍机器人力控制的工作原理及其应用。
一、机器人的力控制是通过力传感器和控制算法实现的。
力传感器通常安装在机器人的末端执行器上，用于感知外界环境的力或力矩。
传感器将感知到的力信号转化为电信号，传递给控制系统。
控制系统根据传感器反馈的信号进行计算和判断，并输出相应的控制指令。
机器人力控制的基本原理是通过控制机器人的执行器输出的力或力矩，实现对机器人运动的精确控制。
具体而言，机器人的力控制包括以下几个方面：1. 力传感器测量：力传感器安装在机器人的末端执行器上，可以实时测量和感知外界环境的力或力矩。
常用的力传感器有压电传感器、应变片传感器等。
2. 力信号处理：传感器测量到的力信号是模拟信号，需要经过模数转换器（A/D转换）转换为数字信号，然后进行滤波和放大处理，获取可靠的力信号。
3. 力控算法：力控算法是机器人力控制的核心。
通过分析力传感器的信号，根据预设的力控制策略和算法，计算出控制指令，控制机器人的运动。
4. 控制指令输出：根据力控算法计算得到的控制指令，通过控制器输出到机器人的执行器上，调整机器人的输出力或力矩。
控制器可以是硬件控制器或软件控制器。
二、机器人力控制的应用机器人力控制技术在工业生产中有着广泛的应用，具有以下几个优势：1. 精确控制：机器人力控制可以实现对机器人的运动进行精确控制，保证操作的准确性和稳定性。
对于需要进行高精度装配、焊接等工作的场景，力控制技术可以提高生产效率和产品质量。
2. 智能适应：机器人力控制技术能够根据外界环境的变化自动调整控制策略，实现智能适应。
例如，在搬运物体时，力控制技术可以根据物体的重量和特性，自动调整机器人的力输出，避免对物体造成损伤。
3. 安全保护：机器人力控制可以实现对机器人的力输出进行实时监测和控制，保护机器人和操作环境的安全。
柔性机器人动力学建模与控制
柔性机器人动力学建模与控制引言：随着科技的不断进步和人工智能的不断发展，机器人已经在我们的生活中扮演越来越重要的角色。
传统的机器人主要由硬性材料组成，而柔性机器人则是一种新型的机器人，其主要特点是拥有柔软的身体结构和优良的运动灵活性。
柔性机器人的动力学建模和控制是该领域的研究热点之一。
本文将探讨柔性机器人动力学建模与控制的一些基本概念和方法。
一、柔性机器人的动力学建模柔性机器人由于其柔软的结构，其动力学建模相对于传统机器人要更加复杂。
动力学建模是指描述机器人运动的力学方程，包括力、力矩和质量等因素。
对于柔性机器人来说，不同部位的柔软程度和柔性材料的特性都需要考虑进去。
1. 刚体动力学模型柔性机器人在某些情况下可以近似为刚体，这时可以采用刚体动力学模型进行建模。
刚体动力学模型基于牛顿定律，将机器人的运动建模为质量、惯量和力矩之间的关系。
2. 弹性扭转动力学模型柔性机器人的主要特点之一是柔性材料的扭转弹性。
为了描述柔性机器人的扭转特性，可以采用连续杆模型来建模。
连续杆模型将柔性机器人的身体分割为多个小段，每个小段可以近似为刚体。
通过综合考虑每个小段的质量、刚度、扭转角度和扭转力矩，可以得到柔性机器人的整体动力学方程。
3. 有限元模型有限元模型是一种常用的柔性机器人动力学建模方法。
该方法将柔性机器人的结构离散化，将其划分为多个小单元，每个小单元可以看作是一个刚体。
通过求解有限元方程，可以得到柔性机器人的运动方程。
二、柔性机器人的控制方法柔性机器人的控制是指通过对机器人的运动进行控制和调节，以达到所需的运动目标。
对于柔性机器人来说，由于其柔软的结构，控制方法相对复杂。
1. 位置控制位置控制是柔性机器人最基本的控制方法之一。
通过对机器人的关节位置进行调节，可以实现机器人的运动。
对于柔性机器人来说，由于其柔软的结构，位置控制相对困难，需要考虑到机械振动和松弛现象的影响。
2. 力控制力控制是柔性机器人广泛应用的一种控制方法。
机器人的运动控制与力控制
机器人的运动控制与力控制引言机器人技术不断发展，已经逐渐渗透到了各个领域。
无论是工业生产线上的机器人，还是医疗行业中的外科手术机器人，运动控制与力控制是机器人技术中最为关键的部分。
本文将深入探讨，并介绍其在不同领域的应用和发展前景。
一、机器人运动控制的基本原理机器人的运动控制主要包括轨迹规划、运动学和动力学分析，以及运动控制算法的设计。
轨迹规划是指机器人在规定时间内完成特定任务的路径规划，一般会考虑到机器人的速度、加速度等因素，以最优的方式完成任务。
运动学和动力学分析则是研究机器人的位姿变化和运动学特性，以及机器人所受到的力和力矩等。
在运动过程中，机器人的运动控制算法根据传感器采集到的数据进行调整，以保证机器人的稳定性和准确性。
二、机器人运动控制的应用领域1. 工业自动化工业自动化是机器人运动控制的最主要应用领域之一。
在工业生产线上，机器人可以完成各类重复性、繁琐的工作任务，如焊接、装配、搬运等。
通过合理规划机器人的运动轨迹和控制算法，可以提高生产效率，降低劳动强度，实现工业自动化的目标。
2. 医疗行业医疗行业也是机器人运动控制的重要应用领域，特别是在外科手术中。
外科手术机器人可以通过高精度的运动控制，实现精确的手术操作，避免了人工手术的不稳定性和手术风险。
通过机器人辅助手术，可以实现微创手术，减少手术创伤，提高手术的安全性和效果。
3. 服务机器人随着社会的发展，服务机器人的需求越来越大。
服务机器人可以应用于家庭、办公场所等各种环境中，完成清洁、搬运、导航等任务。
运动控制是服务机器人中最为关键的技术之一，通过合理的运动规划和控制算法，可以实现机器人的高效、稳定的工作。
三、机器人力控制的基本原理机器人力控制是指机器人在与外部环境接触的过程中，通过传感器采集到的力信号，对机器人的力输出进行调整。
在力控制过程中，机器人会根据实际需要施加、感知和调整作用力的大小和方向，以实现对外部环境的精确操控。
力控制技术广泛应用于装配、搬运、抓取等需要对外部力进行精确控制的任务中。
《基于六维力传感器的机器人力控研究》范文
《基于六维力传感器的机器人力控研究》篇一一、引言随着机器人技术的快速发展，力控制成为机器人技术的重要研究方向之一。
机器人的力控制是指机器人与外部环境进行交互时，能够感知并控制其与环境之间的作用力。
六维力传感器作为一种重要的力/力矩传感器，具有高精度、高灵敏度等优点，被广泛应用于机器人技术中。
本文将针对基于六维力传感器的机器人力控进行研究，探讨其原理、应用及挑战。
二、六维力传感器的原理及应用六维力传感器是一种能够测量三个方向上的力和三个方向上力矩的传感器。
其原理基于牛顿第二定律和胡克定律，通过测量传感器内部的应变片变形情况，从而得到作用在传感器上的力和力矩。
六维力传感器具有高精度、高灵敏度、高稳定性等优点，被广泛应用于机器人、机械臂、智能夹具等领域。
在机器人技术中，六维力传感器被广泛应用于机器人的力控制。
通过安装六维力传感器在机器人末端执行器上，可以实时感知机器人与外部环境之间的作用力，从而实现对机器人力控制的精确控制。
例如，在机器人抓取物体时，六维力传感器可以感知到物体对机器人的反作用力，从而调整机器人的抓取力度，避免对物体造成损坏。
三、基于六维力传感器的机器人力控研究基于六维力传感器的机器人力控研究主要包括两个方面：一是通过六维力传感器实现机器人的精确力控制；二是利用六维力传感器的数据实现机器人的环境感知和适应。
在精确力控制方面，通过将六维力传感器的数据反馈给机器人控制系统，可以实现机器人的精确力控制。
例如，在装配工作中，机器人需要通过精确的力度将零件装配到指定位置。
通过安装六维力传感器在机器人末端执行器上，可以实时感知机器人与零件之间的作用力，从而实现对装配精度的精确控制。
在环境感知和适应方面，六维力传感器的数据可以被用于机器人对环境的感知和适应。
例如，在未知环境中进行作业时，机器人需要通过对环境的感知来适应环境的变化。
通过安装六维力传感器在机器人末端执行器上，机器人可以感知到与环境的接触力和力矩，从而实现对环境的感知和适应。
机器人的动态控制和力控制技术是如何实现的
机器人的动态控制和力控制技术是如何实现的机器人的动态控制和力控制技术是机器人控制领域的重要研究方向。
它们被广泛应用于机器人的各个领域，如工业制造、医疗机器人、服务机器人等。
动态控制技术主要用于机器人的运动控制和运动规划，力控制技术主要用于机器人的力触觉和力操作。
本文将详细介绍机器人的动态控制和力控制技术的实现方法和应用。
一、机器人的动态控制技术机器人的动态控制技术主要用于机器人的运动控制和运动规划。
它可以使机器人具备稳定、精确和灵活的运动能力，从而能够应对不同的工作任务和环境。
1. 运动学建模运动学建模是机器人动态控制的基础。
通过对机器人的机械结构进行建模，可以得到机器人的运动学特性，如位置、速度、加速度等。
常用的运动学建模方法包括正运动学和逆运动学。
正运动学是根据机器人的关节角度求解机器人的末端执行器的位置和姿态。
它是机器人运动学的正向问题，可以通过求解关节角度和关节运动学方程来得到机器人末端执行器的位置和姿态。
逆运动学是根据机器人的末端执行器的位置和姿态求解机器人的关节角度。
逆运动学是机器人运动学的逆向问题，可以通过求解逆运动学方程来得到机器人的关节角度。
2. 动力学建模动力学建模是机器人动态控制的另一个重要方向。
通过对机器人动力学特性的建模，可以得到机器人的动力学特性，如惯性矩阵、回弹力矩等。
常用的动力学建模方法包括拉格朗日方法和牛顿-欧拉方法。
拉格朗日方法是一种基于能量原理的动力学建模方法。
它通过建立机器人的拉格朗日方程，利用拉格朗日方程来描述机器人的动力学特性。
牛顿-欧拉方法是一种基于牛顿定律和欧拉方程的动力学建模方法。
它通过建立机器人的质量、惯性和力矩之间的关系，利用牛顿定律和欧拉方程来描述机器人的动力学特性。
3. 运动控制运动控制是机器人动态控制的核心技术之一。
它主要包括速度控制、位置控制和姿态控制。
速度控制是通过控制机器人的关节角速度来实现机器人的运动控制。
常用的速度控制方法包括PID控制和模型预测控制。
机器人的控制（2）力控制
第七章 机器人的控制(2)——力控制7.1 引言位姿控制方法适用于材料搬运、焊接、喷漆等机器人与工作空间中的物体（下文称作环境）没有交互作用的任务。
但对于装配、打磨、去毛刺和擦窗这些任务，机器人的末端工具需要与被操作对象（环境）保持接触，并通过相互之间的力的作用完成作业，对于这些任务，需要控制机器人与环境间的作用力。
以机器人擦窗的任务为例，仅采用位姿控制是不够的，机器人末端轨迹与规划轨迹的微小偏差会使机器人要么与作用表面脱离接触，要么对作用表面产生过大的压力。
对于机器人这种高度刚性的结构，微小的位置偏差将会产生相当大的作用力，导致严重的结果（如损坏玻璃等）。
以上这些任务的共同点是，它们不仅要求轨迹控制，还要求力控制。
以机器人用粉笔在黑板上写字为例，在垂直于黑板方向需要控制力以保持粉笔和黑板间良好的接触，在沿黑板平面内需要精确的位姿控制，以保证正确的书写；或者通过控制机械手末端的刚性，使它沿黑板平面的方向很“硬”，在垂直于黑板的方向很“软”。
能够实现以上要求的控制称为柔顺控制，柔顺控制主要关心的是机器人与周围环境接触时的控制问题。
显然，柔顺控制需要力反馈，用于力反馈的力传感器主要有三类：腕力传感器、关节力矩传感器、和触觉传感器。
关于力传感器将在后续章节中介绍。
7.1.1 外力/力矩与广义力的关系图7.1 典型的腕力传感器及其在机械手中的位置机器人与环境间的交互作用将产生作用于机器人末端手爪或工具的力和力矩。
用T z y x z y x n n n F F F ],,,,,[=F 表示机器人末端受到的外力和外力矩向量（在工具空间的表示）。
设驱动装置对各关节施加的关节力矩是τ，广义力可以通过计算这些力所做的虚功来得到。
设X δ为末端虚位移，θδ为关节虚位移，满足θθJ X δδ)(= (7.1.1)产生的虚功为θτX F δδδT T w += (7.1.2)将式(7.1.1)代入式(7.1.2)得θτJ F δδ)(T T w += (7.1.3)因此在外力F 的作用下，广义坐标θ对应的广义力可表示为F J τT + (7.1.4)7.1.2 奇异问题在奇异位形(如图7.2所示)，雅可比矩阵)(θJ T 的零空间非空，在该零空间的向量F 对关节不产生任何力的作用。
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图1. 主动刚性控制框图 图中，K
p
是末端笛卡尔坐标系的刚性对称矩阵，可以人为设定。
注：该方案通过对关节位置的控制，使机器人末端表现出一定的 刚度。
对于关节空间的位置偏差 q d q ，利用雅可比矩阵 J 将其转换为 机器人末端的位姿偏差。末端位姿偏差经过刚性对称矩阵 K
机器人在基坐标系和坐标系 C 下所做的虚功相等。由式（3）、 （4）、（5）整理可得 C T （6） F(H ) 1F 其中，矩阵 H 为不同坐标系下微分变换的等价变换矩阵，见式（5）。
2、笛卡尔空间与关节空间的静力变换
机器人在关节空间的虚功，可以表示为式（7）
Wq FqT dq
p
，
转换为末端广义力，再通过力变换转换为关节空间的力或力矩。 上述主动刚性控制的控制律为
T J KJ q q ) p ( d
（20）
注：当 qd q 0 时，关节空间的控制力或力矩为0。 当 qd q 0 时，关节空间具有一定的控制力或力矩，从而使 机器人末端表现出希望的刚度。
（8）
其中， J ( q ) 为机器人的雅可比矩阵。
考虑到机器人在笛卡尔空间与关节空间的虚功是等价的，由 式（3）、（7）和（8）可得
T F q J(q) F
（9）
注：式（9）给出了机器人末端在笛卡尔空间的广义静力与关节空 间的静力之间的等效关系，即笛卡尔空间与关节空间的静力变换。
3、主动刚性控制
C
（3）
为
（4）
其中， F 是机器人在坐标系 C 下的广义力， D 是机器人在坐标
C
C 下的虚拟位移。 系
由第二章式（2-197）可知，基坐标系下的虚拟位移 D 和坐标系 C
C 下的虚拟位移 D 之间存在如下关系。
n n n (p n )x (p n )y (p n )z d C d x y z x x C o o o ( p o ) ( p o ) ( p o ) d x y z d y x y z y C a a a (p a )x (p a )y (p a )zd C d x y z z z H D（5） D C 0 0 0 n n n x y z x x C o o o y y 0 0 0 x y z C a a a 0 0 0 x y z z z
是指通过对机器人进行专门的控制获得的柔顺能力。 通常，主动柔顺通过控制机器人各关节的刚度，使机器人末端表现出 所需要的柔顺性。
一、 刚度与柔顺
主动柔顺具有阻抗控制、力位混合控制和动态混合控制等类型。
阻抗控制
通过力与位置之间的动态关系实现柔顺控制。阻抗控制的静 态，即力和位置的关系，用刚性矩阵描述。阻抗控制的动态， 即力和速度的关系，用粘滞阻尼矩阵描述。 力位混合控制
F f x f y f z m x m y m z
F 为广义力矢量， fx 其中， 关节 控制 笛为静力矩。
T
（1）
fy
m m m fz y z 为静力， x
所谓静力变换，是指机器人在静止状态下的力或力 矩的变换。
柔顺控制
二
三
一、 刚度与柔顺
1、机器人的刚度
为了达到期望的机器人末端位置和姿态，机器人所能够表 现的力或力矩的能力。
影响机器人末端端点刚度的因素，主要有：
连杆的挠性（flexibility） 关节的机械形变
关节的刚度 为了达到期望的关节位置，该关节所能够表现的力或力矩 的能力。
机器人的力控制，着重研究如何控制机器人的各个 关节使其末端表现出一定的力和力矩特性，是利用机器 人进行自动加工（如装配等）的基础。
工业机器人的力控制分为：
关节空间的力控制
力控制
笛卡尔空间的力控制 主动阻抗控制 柔顺控制 力和位置混合控制
主要内容
一
刚度与柔顺 工业机器人的笛卡尔空间静 力与关节空间静力的转换 阻抗控制主动柔顺 力和位置混合控制
其中，W
q
（7）
是机器人在关节空间所做的虚功；
F f q 1 f 2
d q d q q 1 d 2
f 是机器人关节空间的等效静力或静力矩； n
T
d q 是关节空间的虚拟位移。 n
T
由第二章式（2-207）知，笛卡尔空间与关节空间的虚拟位移之 间存在如下关系
D J( qd )q
一、 刚度与柔顺
2、机器人的柔顺
指机器人的末端能够对外力的变化作出相应的响应，表现 为低刚度。
根据柔顺性是否通过控制方法获得，可将柔顺分为：
被动柔顺（passive compliance） 是指不需要对机器人进行专门的控制即具有的柔顺能力。
特点： 柔顺能力由机械装置提供，只能用于特定的任务；响应速度 快，成本低。 主动柔顺（active compliance）
分别组成位置控制回路和力控制回路，通过控制律的综合实 现柔顺控制。
动态混合控制
在柔顺坐标空间将任务分解为某些自由度的位置控制和另一些 自由度的力控制，然后将计算结果在关节空间合并为统一的关 节力矩。
二、工业机器人的笛卡尔空间静力与关节空间静力的转换
关节空间的力或力矩与机器人末端的力或力矩具有 直接联系。通常，静力和静力矩可以用6维矢量表示。
1、不同坐标系间的静力变换
设基坐标系下广义力 F 的虚拟位移为 D ，如式（2）所示。
D d x d y d z x y z
T
（2）
则广义力 F 所做的虚功记为 W ，见式（3）。
W FT D
C C 在坐标系 下 ，机器人所做的虚功 F
C TC W C F D