機器人的混合位置/力控制1

http://fab.cba.mit.edu/classes/865.15/classes/measurement/hybrid-position-force.pdf

提出了一種控制機器人機械手順應運動的新概念簡單方法瀑踢。所描述的“混合”技術將力和扭矩信息與位置數(shù)據(jù)相結合萌抵，以滿足在方便的任務相關坐標系中指定的同時位置和力軌跡約束易迹。分析枪萄，模擬和實驗用于評估控制器使用來自力感應手腕和機械手關節(jié)中的位置傳感器的反饋來執(zhí)行軌跡的能力扬绪。結果表明楞艾，該方法可以在各種測試條件下實現(xiàn)穩(wěn)定辉川，準確的力和位置軌跡控制芦岂。

引言面對不確定性和環(huán)境變化李破，機械手的精確控制是機器人操縱器在工業(yè)和太空中復雜處理和裝配問題的可行應用的先決條件宠哄。實現(xiàn)這種控制的重要步驟可以通過向操縱者手提供傳感器來進行，所述傳感器提供關于與環(huán)境的相互作用的進展的信息嗤攻。盡管機器人技術的最新進展已經(jīng)導致計算機控制的操縱器應用于工業(yè)處理和簡單的裝配操作毛嫉，但是手持傳感器的使用的進步已經(jīng)非常緩慢地出現(xiàn)。因此妇菱，手動靈活性仍然很低，并繼續(xù)限制應用機會和增長闯团。進展緩慢部分原因是缺乏堅固辛臊，可靠的傳感器具有足夠的精度和多功能性?但也許更重要的是缺乏足夠的控制器架構和計算技術來利用這些感知信息。這些技術剛剛開發(fā)出來房交。將操縱器用于裝配任務要求部件相對于彼此定位的精度實際上比連接到由不完美嚙合的齒輪驅動的不完美剛性操縱器的接頭安裝位置傳感器的精度高得多彻舰。僅以尺寸，重量和成本為代價才能實現(xiàn)更高精度的操縱器候味。然而淹遵，測量和控制手上產(chǎn)生的接觸力的能力提供了用于擴展有效精度的低成本替代方案。由于使用了相對測量负溪，機械手和被操縱物體位置的絕對誤差不再存在透揣。本文介紹了加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室根據(jù)合同號NAS-7-100進行的一個研究階段的研究結果。航空航天局川抡。作者現(xiàn)在是斯坦福大學的研究生辐真。由動態(tài)系統(tǒng)和控制部門提供须尚，在動態(tài)系統(tǒng)，測量和控制雜志上發(fā)表侍咱。手稿于1981年2月25日在ASME總部收到耐床。注量控制。由于相對位置的微小變化在中等剛度的部分相互作用時產(chǎn)生大的接觸力楔脯，因此對這些力的知識和控制可導致有效位置精度的極大增加撩轰。存在許多用于獲得力信息的方法：可以測量或編程電動機電流，[6,11]昧廷，可以測量電動機輸出轉矩[7]堪嫂，并且可以使用腕式或手持式傳感器[9,12]。這兩種技術中的前兩種受到操縱器模型的準確性和可用性的限制木柬，這些模型可以補償影響力測量的復雜慣性皆串，摩擦和重力效應。當存在大的重力項時眉枕，即使對于靜態(tài)情況恶复，也可以限制在關節(jié)處獲得的力信息的動態(tài)范圍。盡管腕式力傳感器在機械設計速挑，電子設備谤牡，通信和可靠性方面存在挑戰(zhàn)性問題，但它們比關節(jié)傳感器更靈敏翅萤，更易于使用伶授。由于操縱者之間的質量'?手腕和手指很小糜烹，沒有關節(jié)疮蹦，安裝在那里的力傳感器只需要對動態(tài)效果進行微小修正，并且具有更大的潛在動態(tài)范圍阵苇。由于這些原因绅项，本文集中討論了手傳感器的使用快耿。在任何情況下，這里給出的基本控制配方可以很容易地適用于所提到的其他力測量方案撞反。這里的目標是提出一種概念上簡單的方法遏片，用于控制機械手的位置和手上產(chǎn)生的接觸力撮竿，而不會受到先前方案的近似性質的影響[6]倚聚。我們還提供了實驗結果惑折，探討了混合技術的使用以及腕上力傳感器提供的數(shù)據(jù)惨驶。請注意粗卜，我們在此提出的方法并沒有規(guī)定用于調節(jié)錯誤的特定反饋控制法則续扔。相反焕数，它建議一種控制架構堡赔，在這種架構中可以應用這些法律善已。

背景

這里采用的方法是基于順應力和位置3操縱器控制的理論换团，其根源在于惠特尼[5,12]，保羅和禧瑪諾[6,10]的工作的猛，最近由梅森正式確定[4] ]衰絮。以下簡要介紹了Mason的理論框架，該框架支持并得到當前工作的支持胡诗。每個操作任務都可以分解為由特定的一組接觸表面定義的元素組件煌恢。每個基本組件都與一組約束相關聯(lián)瑰抵，這些約束稱為自然約束二汛，由約束任務配置的特定機械和幾何特征產(chǎn)生肴颊。例如婿着，與固定剛性表面接觸的手不能自由地穿過該表面（位置約束）醋界，并且如果表面是無摩擦的形纺，它不能自由地施加與曲面相切的任意力（力約束）挡篓。圖1顯示了兩種任務配置官研，其中兼容控制與相關的自然約束一起使用戏羽。通常，對于每個任務配置妄讯，可以在具有N個自由度的約束空間中定義廣義表面亥贸，沿著該表面的法線具有位置約束并且沿著切線施加約束炕置。這兩種類型的約束，力和位置默垄，將可能的手部運動的自由度劃分為兩個必須根據(jù)不同標準控制的正交組口锭。根據(jù)這些標準引入稱為人工約束的附加約束鹃操，以指定任務配置中的期望運動或力模式组民。那是悲靴，每當用戶在任一位置或力中指定期望的軌跡時癞尚，定義人為約束浇揩。這些約束也沿著廣義曲面的切線和法線發(fā)生胳徽，但是养盗，與自然約束不同往核，沿著曲面法線指定人工力約束嚷节，沿著切線指定人工位置約束 - 保持與自然約束的一致性。（見圖1）

圖1顯示約束框架| C |的力控制任務的示例?衩婚，自然約束和人為約束非春。在這些例子中[vx税娜，Vy敬矩，vz弧岳，uxuy，uz] T是手的速度矢量涧卵，3個平移和3個角度分量柳恐，在[C \乐设。[fx近尚，fy戈锻，1Z格遭，TX> ry如庭，TZ] T是作用在手上的力矢量坪它，3個力和3個扭矩，也在[C |中給出]蒙揣。a是常數(shù)懒震，（a）以恒定速率轉動曲柄个扰，u1递宅。（b）以恒定速率旋轉螺絲办龄，?2俐填。請注意英融，螺釘是無摩擦的矢赁。參考文獻[4]給出了這種形式主義的更多細節(jié)和例子。注意给涕，指定約束和軌跡的坐標系不是操縱器的關節(jié)的坐標系够庙，也不是操縱器手或傳感器的坐標系耘眨。它是關于任務幾何定義的N自由度笛卡爾系統(tǒng)剔难。Takase [11]首先介紹了笛卡爾系統(tǒng)中約束的規(guī)范，Paul將這個系統(tǒng)稱為約束框架非迹，（C）[6]憎兽。在該幀中纯命，可以指定N個自然約束和N個正交人工約束亿汞。雖然約束框架的位置和方向的選擇是一個自由裁量的問題留夜，但是合適的選擇可以使確定自然約束的任務特別簡單碍粥。例如，對于圖1（a）所示的情況钦讳，當手柄圍繞曲柄的中心旋轉時愿卒，附接到曲柄的坐標系中的力約束不會改變琼开。選擇給定裝配操作的約束的方法有待進一步研究柜候。對于目前的工作渣刷，假設一組有效的約束與位置和力軌跡一起被指定矗烛。最終，可以通過利用關于任務幾何的知識的算法自動確定對應于特定任務的自然約束涣旨。梅森已經(jīng)開發(fā)出了這種算法所必需的概念機器的很大一部分筏餐。一旦使用自然約束將自由度劃分為位置控制子集和力控制子集魁瞪，并且通過人工約束指定期望位置和力軌跡导俘，則仍然需要控制操縱器。本控制方法旨在解決這一低級控制問題辅髓。最終洛口，可以通過利用關于任務幾何的知識的算法自動確定對應于特定任務的自然約束第焰。梅森已經(jīng)開發(fā)出了這種算法所必需的概念機器的很大一部分挺举。一旦使用自然約束將自由度劃分為位置控制子集和力控制子集湘纵，并且通過人工約束指定期望位置和力軌跡梧喷，則仍然需要控制操縱器娇钱。本控制方法旨在解決這一低級控制問題文搂。最終煤蹭，可以通過利用關于任務幾何的知識的算法自動確定對應于特定任務的自然約束硝皂。梅森已經(jīng)開發(fā)出了這種算法所必需的概念機器的很大一部分奄毡。一旦使用自然約束將自由度劃分為位置控制子集和力控制子集吼过，并且通過人工約束指定期望位置和力軌跡咪奖，則仍然需要控制操縱器羊赵。本控制方法旨在解決這一低級控制問題。梅森已經(jīng)開發(fā)出了這種算法所必需的概念機器的很大一部分闲昭。一旦使用自然約束將自由度劃分為位置控制子集和力控制子集序矩，并且通過人工約束指定期望位置和力軌跡贮泞，則仍然需要控制操縱器幔烛。本控制方法旨在解決這一低級控制問題饿悬。梅森已經(jīng)開發(fā)出了這種算法所必需的概念機器的很大一部分狡恬。一旦使用自然約束將自由度劃分為位置控制子集和力控制子集弟劲，并且通過人工約束指定期望位置和力軌跡，則仍然需要控制操縱器汇鞭。本控制方法旨在解決這一低級控制問題台囱。

混合控制器基本的混合控制理念是一種架構概念读整，它將需要力反饋的任務的約束與控制器設計聯(lián)系起來米间。轉換形式（C）到操縱器的關節(jié)是這樣的择懂，對于一般情況另玖，一個操縱器關節(jié)的控制涉及（C）中的每個維度：Qi = Qi（Xi慷丽，X2 XN）（1）其中：q要糊， =機械手fi的關節(jié)的位置锄俄，=逆運動學函數(shù)Xj = {C）中的自由度的位置因此在混合控制中奶赠，每個關節(jié)的致動器驅動信號表示特定關節(jié)對滿足每個位置的瞬時貢獻毅戈。每個力約束苇经。第'關節(jié)的執(zhí)行器控制信號有N個分量 - [C]中每個力控制自由度一個，每個位置控制自由度一個：（2）其中：Tj =由rth致動器施加的扭矩A / y = {C]中的/ DOF的力誤差＆Xj = {C）Tjj中的/ DOF的位置誤差和i / - 宦言， - 扇单，=和..位置補償函數(shù)，分別用于第'輸入和第rth輸出Sj =順應性選擇向量的分量奠旺。順應性選擇向量S是二元iV元組令花，它指定[C \中的哪??些自由度受力控制（由Sj = 1表示）阻桅，哪些在位置控制下（Sj = 0）凉倚。（在本文中兼都，假設機械手關節(jié)的數(shù)量等于N <6。）例如：如果S = [0,0,1,0稽寒，l扮碧，l] r?輸入和此輸出Sj =順應性選擇向量的分量。順應性選擇向量S是二元iV元組杏糙，它指定[C \中的哪??些自由度受力控制（由Sj = 1表示），哪些在位置控制下（Sj = 0）咱旱。（在本文中褂始，假設機械手關節(jié)的數(shù)量等于N <6胆数。）例如：如果S = [0,0,1,0，l，l] r?輸入和此輸出Sj =順應性選擇向量的分量祷杈。順應性選擇向量S是二元iV元組私蕾，它指定[C \中的哪??些自由度受力控制（由Sj = 1表示），哪些在位置控制下（Sj = 0）。（在本文中，假設機械手關節(jié)的數(shù)量等于N <6。）例如：如果S = [0,0,1,0，l，l] r

那么T，= + n（Ax阶淘，）+ fe（Ax2）+ r / 3（A / 3）+ iMA * 4）+ r ,,（A / 5）+ r / 6（A / 6）雖然總數(shù)活動控制循環(huán)的數(shù)量始終為N澈蚌，類型混合將隨著任務幾何和自然約束的變化而變化交胚。我們還定義了順應性選擇矩陣[S]：?S，0“S2 [S] = diag（S）= S3 0”“SN_圖2說明了包含這些想法的混合控制系統(tǒng)。兩組互補的反饋回路（上位摩幔，下力）封断，每個都有自己的感官系統(tǒng)和控制律柄瑰，這里顯示控制一個共同的植物授翻，操縱器堪唐。注意感覺信號必須從換能器的坐標系轉換捌臊，[q]為在發(fā)現(xiàn)錯誤并應用合規(guī)性選擇向量之前寇荧，將位置和[H]用于強制進入（C）：其中：

圖3實驗中使用的操縱器和反應表面的物理布局镀琉。Scheinman臂的接頭1和3用于提供垂直于重力矢量的平面運動。手與數(shù)控XY工作臺接觸疚颊。N [Vx]旋轉矩陣從[H]到{C）0 -V橄教，o -v [v，o V =從（C）的原點到{H}的原點的向量洞坑，用（C）表示的誤差信號一旦應用了方程式（3o）和（3b）攻泼，就得到位置和力：AX（0 = c Xd {0 -A（q（0）= c Xd?） - c X（/）（4a）AF（ f）= c Fd（f） - M r F（r）= c F rf（r） - c F（0（4b）除了這些誤差驅動的控制信號，理想的機械手軌跡控制器腊脱，無論是控制位置還是力佑女，可以包括表征機械手控制問題的非線性動力學的前饋補償[8]轿腺，這些信號考慮了依賴于配置的慣性和重力仿荆，狀態(tài)依賴的科里奧利力舔庶，依賴于速度的摩擦力以及外部產(chǎn)生的手接觸力。理想地混滔，當使用安裝在腕上的力傳感器時，還應該調節(jié)手腕傳感器和感興趣的接觸表面（包括大量手持物體或工具）之間存在的手部物質的加速度蘑拯。雖然（C）中的每個自由度僅由一個環(huán)控制悍引，但兩組環(huán)共同起作用以控制每個操縱器關節(jié)。這是混合控制的核心思想吗浩。通常情況下品嚣，當感測，控制和致動均發(fā)生在不同的坐標系中時，相同的傳感器和致動器參與每個“分離的”控制回路涨醋。在某些方面梯轻，混合控制是Paul和Shimano兼容控制的修改和擴展[6]。兩種方法都采用與任務相關的坐標系C，將[C]分區(qū)為位置控制和受力控制的子空間湘捎，并且兩者都在指定位置和力軌跡中給予自由度。然而窄刘，因為它們將各個力控制的關節(jié)與[Cj]在每個伺服循環(huán)中的單獨的力約束配對窥妇，導致位置和力誤差。通過差分調整位置設定值娩践，可以在后續(xù)循環(huán)中糾正這些錯誤活翩。（更多細節(jié)見[6]。）這種調整對于混合方法不是必需的翻伺，因為每個關節(jié)總是有助于控制力和位置材泄。將[C]分割成位置控制和受力控制的子空間，并且在指定位置和力軌跡中給予自由吨岭。然而拉宗，因為它們將各個力控制的關節(jié)與[Cj]在每個伺服循環(huán)中的單獨的力約束配對，導致位置和力誤差辣辫。通過差分調整位置設定值旦事，可以在后續(xù)循環(huán)中糾正這些錯誤。（更多細節(jié)見[6]急灭。）這種調整對于混合方法不是必需的族檬，因為每個關節(jié)總是有助于控制力和位置。將[C]分割成位置控制和受力控制的子空間化戳，并且在指定位置和力軌跡中給予自由。然而埋凯，因為它們將各個力控制的關節(jié)與[Cj]在每個伺服循環(huán)中的單獨的力約束配對点楼，導致位置和力誤差。通過差分調整位置設定值白对，可以在后續(xù)循環(huán)中糾正這些錯誤掠廓。（更多細節(jié)見[6]。）這種調整對于混合方法不是必需的甩恼，因為每個關節(jié)總是有助于控制力和位置蟀瞧。通過差分調整位置設定值沉颂，可以在后續(xù)循環(huán)中糾正這些錯誤。（更多細節(jié)見[6]悦污。）這種調整對于混合方法不是必需的铸屉，因為每個關節(jié)總是有助于控制力和位置。通過差分調整位置設定值切端，可以在后續(xù)循環(huán)中糾正這些錯誤彻坛。（更多細節(jié)見[6]。）這種調整對于混合方法不是必需的踏枣，因為每個關節(jié)總是有助于控制力和位置昌屉。

實驗為了檢驗所提出的混合控制方法的行為，我們進行了涉及模擬和物理實現(xiàn)的簡單實驗茵瀑。我們的目標是檢查混合方法在準確性间驮，力和位置控制之間的相互作用以及穩(wěn)定性方面的可行性。圖3中所示的二維布局用于測試具有模擬的混合控制器马昨，并且在圖3和圖4中報告了物理實驗竞帽。7-10。Scheinman臂的接頭1和3用于控制平面中的兩個自由度偏陪，該平面的法線與重力矢量對齊抢呆。約束坐標系（C）被選擇為位于該平面中，其中CX方向垂直于反應表面笛谦。通用自動化SPC-16/85小型機用于執(zhí)行所有控制和模擬計算抱虐。操縱器是一個改進的Scheinman Stanford手臂，配有Scheinman力感應手腕饥脑。這款手腕采用“馬耳他十字”設計恳邀，在交叉織帶的16個面上各安裝一個應變計（圖4）。測量儀作為8個分壓器對進行操作灶轰，以測量手坐標系[H]中6個自由度的扭曲谣沸，從而測量力。有關詳細信息笋颤，請參閱[10]乳附。在精確數(shù)字控制下的剛性XY工作臺用于在測試期間向操縱器手提供反作用力和擾動運動。為了與該任務配置的自然約束保持一致伴澄，在CX方向上執(zhí)行力控制赋除，在CY中執(zhí)行位置控制（S = [1,0] T）。請注意非凌，這些坐標不會與任何單個操縱器關節(jié)的動作對齊举农。建模機械手，力感應腕敞嗡，機械手和反作用面的機械系統(tǒng)如圖5所示進行建模颁糟。機械手聯(lián)動裝置有一個旋轉關節(jié)和一個滑動關節(jié)航背，分別由純扭矩和力源驅動。質量M3的手由彈性Kw的力感測腕帶的織帶支撐棱貌。作用在手上的還有通過與環(huán)境表面接觸產(chǎn)生的反作用力fx玖媚。該系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：1 Ate）[Tl + Bi（q {）+ q2Kww2 + lKww1]?質量M3的手由彈性Kw的力感測腕帶的織帶支撐。作用在手上的還有通過與環(huán)境表面接觸產(chǎn)生的反作用力fx键畴。該系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：1 Ate）[Tl + Bi（q {）+ q2Kww2 + lKww1]?質量M3的手由彈性Kw的力感測腕帶的織帶支撐最盅。作用在手上的還有通過與環(huán)境表面接觸產(chǎn)生的反作用力fx。該系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：1 Ate）[Tl + Bi（q {）+ q2Kww2 + lKww1]

圖5用于模擬混合控制任務的模型1 1 l-Kwwt -Acosfa起惕，）] w 2 = TT \ - ~K ^ w 7. + Asin（

模擬然后物理控制∥屑現(xiàn)在給出用于實驗的混合控制器實現(xiàn)。由于從執(zhí)行器到傳感器的傳遞函數(shù)對于力和位置控制是不同的惹想，因此需要單獨的控制法則问词。位置控制回路使用恒定增益，比例 - 積分 - 微分（PID）控制定律嘀粱。通過將比例積分（PI）控制與飽和型反饋限制器和簡單的前饋項相結合來實現(xiàn)力控制激挪。使用等式（3）和（4）找出位置和力誤差（CJ：AX（0 = c X rf（0-A（q（0）AX（0 = c X rf（0 - [/] q（ 0（12a）（126）AF（/）= c F rf（0- [S7，] WF（0（12c）式中：[AA（q）=

機械地提供阻尼锋叨。然而垄分，由于庫侖摩擦占主導地位，增加的機械手速度導致有效阻尼減小娃磺。為了補償這種影響薄湿，包括飽和型非線性，這減小了大的力誤差值的有效積分增益偷卧。盡管存在庫侖摩擦和積分增益之間的相互作用豺瘤，但該措施有助于使控制器穩(wěn)定。沒有這個術語听诸，系統(tǒng)只有在嚴重過阻尼時才能保持穩(wěn)定坐求。利用它，獲得了近似臨界阻尼的響應（參見圖7）晌梨。這里使用的力前饋術語非常簡單：假設準靜態(tài)操作桥嗤，它只是用人工力約束的變換版驅動機械手關節(jié)。與之前的結果[1和未發(fā)表]的比較表明仔蝌，使用力前饋可以在相對較低的力反饋增益下實現(xiàn)忠實的軌跡控制砸逊。因此，更容易實現(xiàn)穩(wěn)定性掌逛。詳細的控制系統(tǒng)如圖6所示。所有反饋增益和限制器值均根據(jù)經(jīng)驗選擇司倚，以提供穩(wěn)定豆混，響應篓像，準確的行為。沒有采用正式的最優(yōu)標準皿伺。這些增益在附錄A中給出员辩。請注意，沒有嘗試對機械手的非線性鸵鸥，時變動力學進行校正奠滑，也沒有對手部質量上的加速力進行校正。在實驗階段之前使用類似于[2]和[9,10]的自動校準程序來找到應變儀讀數(shù)和施加的力之間的關系妒穴。在實驗運動期間宋税，應變儀信號以規(guī)則的間隔進行采樣，并轉換為手坐標系中給出的力的測量值{H}讼油。除非另有說明杰赛，否則下面顯示的所有數(shù)據(jù)均以采樣率和16.7 ms（60 Hz）的伺服速率獲得。在繪圖之前矮台，使用12Hz截止值對力軌跡進行濾波乏屯。結果與討論圖7顯示了系統(tǒng)對CX中力的1,5和10 Nt階躍變化的響應，而CY被伺服以保持固定位置瘦赫。上升時間約為0.15秒辰晕，幾乎沒有過沖。在這些數(shù)據(jù)中可觀察到的小幅度極限環(huán)振蕩是由力控制器中的積分項與機械手的庫侖摩擦之間的相互作用引起的确虱。穩(wěn)態(tài)下的最大力誤差<1.0 Nt含友。5的模擬響應囱井。0 Nt步驟也顯示在圖中次屠。模擬和物理響應之間存在良好的一致性。這種穩(wěn)定霉旗，準確的行為非常好召川。圖8展示了在存在位置擾動時的力控制南缓。控制器試圖在X-Y工作臺上保持恒定的5.0Nt力荧呐，同時工作臺以0.65cm / s的恒定速率沿CX方向從操縱器傾斜汉形。圖8中的下部曲線顯示了記錄期間反應表面和手的位置。力響應顯示在中心曲線中倍阐。在前動作之前概疆，力伺服已達到穩(wěn)定狀態(tài)。隨著運動開始峰搪，力控制會稍微降低岔冀，但是與反應表面的接觸永遠不會丟失。當表面停止移動時概耻，控制返回穩(wěn)定的穩(wěn)定狀態(tài)使套。強制錯誤不超過1罐呼。75 Nt，除了在斜坡的末端有加速度侦高。上圖顯示了位置伺服CY方向的響應嫉柴。這些數(shù)據(jù)表明，使用這些方法可以相對于移動物體（例如奉呛，沿著裝配線向下移動的物體）進行相當精確的力控制计螺。圖9描繪了對正弦位置軌跡和同時有力步驟的響應：cfx（t）= 10 + 10 U（t1.O）Nt cy（t）= 30~30cos（0.75-rrt）cm其中U是單位步驟。該程序旨在檢查位置和力循環(huán)之間的耦合瞧壮。盡管沿著位置軌跡發(fā)生一些位置誤差登馒，但是力步驟不會產(chǎn)生明顯的位置干擾。此外馁痴，力的誤差與位置軌跡之間沒有明確的關系谊娇。為了評估控制器'?對伺服速率的依賴性，用12.5和8.3ms（80和120Hz）的伺服周期重復等式（17）的軌跡罗晕。這些變化導致改進的力響應 - 無過沖和更好的穩(wěn)定性 - 但不會明顯影響位置伺服济欢。8.3毫秒條件的力響應由圖9中的實線表示。雖然圖8表明可以保持對運動的反作用表面的恒定力小渊，但圖10的數(shù)據(jù)顯示了力的斜坡可以以恒定的位置生產(chǎn)法褥。該實驗是以不斷變化的方式控制力的唯一嘗試。這里顯示的力控制質量非常好 - 對于許多裝配應用來說都是令人滿意的酬屉。使用由Inoue [3]首先開發(fā)的高級策略半等，這里提出的混合控制器（增強到3個自由度）成功地用于在孔插入操作中執(zhí)行栓釘（直徑= 15.9 mm，間隙= 0.025 mm（1 mil） ）呐萨，沒有倒角）杀饵。參見圖11.為了做到這一點，操縱機械手的關節(jié)被控制為給出3度自由平面運動（X谬擦，Y切距，0）系統(tǒng)對運動環(huán)境施加恒定力的能力可能比它的能力更重要。密切關注參考輸入變化惨远∶瘴颍考慮一個機械手將手移過表面，同時在垂直于表面的方向上施加力北秽。當機械手移動時葡幸，反作用表面的不規(guī)則性和位置伺服精度的小誤差看起來像力控制器的表面運動。我們的斜坡擾動數(shù)據(jù)表明在這種情況下可以進行足夠的力控制贺氓。這些相同的數(shù)據(jù)表明了在物體向下移動裝配線時或通過其他一些處理過程操縱物體的可行性蔚叨。由于手部質量的加速力，在接觸期間由指尖施加的力與轉換力略有不同。然而蔑水，模擬顯示悄泥，由于手部質量的加速引起的力很小，因此轉換的力非常接近于接觸力肤粱。在模擬以及物理系統(tǒng)中，轉換力是受控變量厨相。對力傳感器響應的檢查表明存在小幅度领曼，286Hz振蕩疊加在力信號的其他行為上。因為操縱器手支撐在彈簧狀力傳感器和反作用表面的順應性之間蛮穿，所以腕手表面系統(tǒng)充當振蕩器庶骄。通過計算由模型預測的手振蕩的固有頻率來驗證該解釋：j，=?.JKr + Kw n 2 -rr M 3這對于先前給出的參數(shù)評估為280Hz - 非常接近觀測值践磅。由于相對于控制器帶寬的高頻率单刁，這些振蕩無法通過軟件循環(huán)進行控制。因此府适，在所有力記錄上疊加約0.5Nt的振蕩羔飞。為了使其他行為更容易觀察，本文中顯示的所有力圖都經(jīng)過12 Hz截止的低通濾波：手腕表面系統(tǒng)充當振蕩器檐春。通過計算由模型預測的手振蕩的固有頻率來驗證該解釋：j逻淌，=?.JKr + Kw n 2 -rr M 3這對于先前給出的參數(shù)評估為280Hz - 非常接近觀測值。由于相對于控制器帶寬的高頻率疟暖，這些振蕩無法通過軟件循環(huán)進行控制卡儒。因此，在所有力記錄上疊加約0.5Nt的振蕩俐巴。為了使其他行為更容易觀察骨望，本文中顯示的所有力圖都經(jīng)過12 Hz截止的低通濾波：手腕表面系統(tǒng)充當振蕩器。通過計算由模型預測的手振蕩的固有頻率來驗證該解釋：j欣舵，=?.JKr + Kw n 2 -rr M 3這對于先前給出的參數(shù)評估為280Hz - 非常接近觀測值擎鸠。由于相對于控制器帶寬的高頻率，這些振蕩無法通過軟件循環(huán)進行控制邻遏。因此糠亩，在所有力記錄上疊加約0.5Nt的振蕩。為了使其他行為更容易觀察准验，本文中顯示的所有力圖都經(jīng)過12 Hz截止的低通濾波：JKr + Kw n 2 -rr M 3對于前面給出的參數(shù)赎线，這評估為280 Hz - 非常接近觀測值。由于相對于控制器帶寬的高頻率糊饱，這些振蕩無法通過軟件循環(huán)進行控制垂寥。因此，在所有力記錄上疊加約0.5Nt的振蕩。為了使其他行為更容易觀察滞项，本文中顯示的所有力圖都經(jīng)過12 Hz截止的低通濾波：JKr + Kw n 2 -rr M 3對于前面給出的參數(shù)狭归，這評估為280 Hz - 非常接近觀測值。由于相對于控制器帶寬的高頻率文判，這些振蕩無法通過軟件循環(huán)進行控制过椎。因此，在所有力記錄上疊加約0.5Nt的振蕩戏仓。為了使其他行為更容易觀察疚宇，本文中顯示的所有力圖都經(jīng)過12 Hz截止的低通濾波：

Paul和Shimano [6]描述了一種混合控制器，它使用所謂的“自由關節(jié)”方法來提供順應控制赏殃。他們的方法是近似的敷待，因為只有一個機械手關節(jié)的子集是受力控制的，并且在隨后的伺服循環(huán)中校正了所產(chǎn)生的位置誤差仁热。然而榜揖，因為它需要更少的計算 - 更少的坐標變換 - 已經(jīng)實現(xiàn)了自由關節(jié)方法以用現(xiàn)有的小型計算機控制六個自由度。我們認為這里提出的方法對于同時控制力和位置的問題是一種更直接（也許是顯而易見的）方法抗蠢。實驗結果表明該技術是可行的举哟。雖然這種技術簡單易行，它在計算意義上并不便宜 - 這種劣勢可能阻止了以前的工人探索和擁抱它物蝙。然而炎滞，計算技術的最新進展，主要是以更快诬乞，更小册赛，更便宜的微電子學的形式，現(xiàn)在證明探索計算上昂貴但概念上優(yōu)雅的方法是合理的震嫉，例如這里給出的方法森瘪。

摘要

提出了一種混合位置/力控制器，其使用腕式力傳感器來控制面向任務的笛卡爾坐標系中的操縱器軌跡票堵。實現(xiàn)控制器以控制Scheinman操縱器的兩個軸以及雙軸模擬扼睬。提供的數(shù)據(jù)顯示了控制器對有效階梯和斜坡的穩(wěn)定，準確響應悴势，定位斜坡擾動以及同時的力和位置軌跡控制窗宇。伺服速率的操作（從60Hz到80和120Hz）僅顯示出力響應的適度改進，而位置精度沒有可檢測的變化特纤。使用雙軸模型解釋了Scheinman力感應腕的實際使用中的一些問題军俊。