机器人概论第十讲
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山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
由于刚性物体之间的接触力是作用于系 统的主要力，在建立力约束模型时，我们仅 考虑由于接触引起的作用力，忽略像重力、 某些摩擦力分量这样的静态力。
根据机器人末端执行器与工作环境的接 触情况，我们可以把机器人的任务与一组约 束相关联。
第四章
机器人控制理论与技术
4.1 机器人控制问题 4.2 机器人的轨迹控制 4.3 机器人的力控制 4.4 机器人的高级智能控制简介 4.5 机器人控制系统 4.6 机器人编程
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
4.3.1 问题描述 为什么要进行力控制？
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
为了描述约束情况，我们在与任务相关的
位置定义一个约束坐标系{C}，根据任务的不
同，它可能固定在环境中，或与末端执行器
一起运动。
例：拧螺钉：约束坐标系附着在螺丝刀刀尖
上，并且随任务的进展与它一起运动，定义
约束坐标系{C}的Y轴
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
主动刚度控制 ( Active Stiffness Control ) 刚度控制是阻抗控制的一个特例，它是对机
器人操作手静态力和位置的双重控制。控制的目 的是调整机器人操作手与外部环境接触时的伺服 刚度，以满足机器人顺应外部环境的能力。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
约束描述 机器人所受的约束可分为自然（本证）
约束和人为（人工）约束两种。 自然约束是由物体的几何特性或作业结
构特性等引起的对机器人的约束。如：玻璃 的内法向。
人为约束是一种人为施加的约束，用来 确定作业结构中期望运动的力或轨迹的形式。 如：在玻璃平面上的运动轨迹。
例如：当手与静止的刚性表面接触时， 不允许通过表面，因此，一个固有的位置约 束存在；如果表面是光滑的，就不可能对手 施加与表面相切的力。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
在环境的接触模型中，用沿表面法向 的位置约束和沿表面切向的力约束定义一 个广义表面（Generalized surface）,这两 类约束将末端执行器的可能运动自由度分 解为两个正交（不相关）集合，对每一组 我们可以按不同的准则进行控制。
1、位置精度控制有限。 当机器人末端执行器与周围环境发生接触时， 再精确的位置控制也会显得不足，例如：考虑机 器人用海绵擦拭窗户玻璃，可以通过控制机器人 末端执行器相对玻璃的位置来调节作用于窗户上 的力，如果海绵是非常柔软的，或者玻璃的位置 能非常精确地定义，这是可以实现的。 但是，如果机器人末端执行器、工具 或环境 的刚性是非常高的话，完成上述任务将会变得非 常困难，如果玻璃表面的位置存在不确定性，或 者机器人的位置控制存在任何误差的话，任务将 不可能完成，甚至发生打碎玻璃的后果。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
2、实际工作对作用力的大小有要求。 机器人的力控制在工业中也得到了实
际应用，如：磨具等的打磨、去毛边。 特别是在机器人装配中，面临着工作环
境的不确定或变化，实现机器人的零件装 配对零件间的相互位置的定位精度要求非 常高，能否进行精确的位置控制成为其应 用的前提。
与螺钉的槽一致，螺
切向
丝头面为广义表面。
法向
位置 力
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
顺应控制又叫依从控制或柔顺控制，是 一种特殊的力控制；可用于自动装配中。
顺应控制它是在机器人的操作手受到外 部环境约束的情况下，对机器人末端执行器 的位置和力的双重控制。顺应控制对机器人 在复杂环境中完成任务是很重要的，例如装 配，铸件打毛刺，旋转曲柄，开关带铰链的 门或盒盖，拧螺钉等。
实现柔顺控制的方法主要有两类：一类为阻 抗控制，另一类是力和位置混合控制。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而 是通过控制力和位置之间的动态关系来实现柔顺 功能。这样的动态关系类似于电路中阻抗的概念， 因而称为阻抗控制
顺应控制可分为两种方式: •被动式 ( Passive Compliance ) •主动式 ( Active Compliance )
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
•被动柔顺 ( Passive Compliance ) 被动式顺应控制是设计一种柔性机械装置，
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
追求高精度的位置控制，无论是在技术 上还是在成本上，都是件困难的事；无论如 何，手部接触力的测量与控制提出了一种可 能的替代，结合了接触力控制后，我们就可 以放松对位置精度控制的要求。
对机器人的位置或力实施控制，相当于 对机器人施加位置或力的约束；对被施加了 约束的机器人进行控制。比对一般机来自百度文库人实 施控制要复杂的多。
并把它安装在机械手的腕部，用来提高机械手顺应 外部环境的能力，通常称之为柔顺手腕 （Compliance Wrist）。
被动式柔顺手腕，由于不需要信息处理，而只 靠自身的机构调整，所以具有快速响应的能力，而 且结构简单，价格低廉。但它只能在诸如插轴入孔 这样一些专用场合使用，无法适应不同作业任务要 求，这些都是由于其机械结构和弹性材料决定的， 因此其通用性较差。
如果只考虑静态，力和位置关系可用刚性矩 阵来描述。如果考虑力和速度之间的关系，可用 粘滞阻尼矩阵来描述。因此，所谓阻抗控制，就 是通过适当的控制方法以使机械手末端呈现需要 的刚性和阻尼。
通常对于需要进行位置控制的自由度，则要 求在该方向上有很大的刚性，即表现出很硬的特 性；对需要力控制的自由度，则要求在该方向有 较小的刚性，即表现出较软的特性。
4.3 机器人的力控制简介
由于刚性物体之间的接触力是作用于系 统的主要力，在建立力约束模型时，我们仅 考虑由于接触引起的作用力，忽略像重力、 某些摩擦力分量这样的静态力。
根据机器人末端执行器与工作环境的接 触情况，我们可以把机器人的任务与一组约 束相关联。
第四章
机器人控制理论与技术
4.1 机器人控制问题 4.2 机器人的轨迹控制 4.3 机器人的力控制 4.4 机器人的高级智能控制简介 4.5 机器人控制系统 4.6 机器人编程
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4.3 机器人的力控制简介
4.3.1 问题描述 为什么要进行力控制？
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4.3 机器人的力控制简介
为了描述约束情况，我们在与任务相关的
位置定义一个约束坐标系{C}，根据任务的不
同，它可能固定在环境中，或与末端执行器
一起运动。
例：拧螺钉：约束坐标系附着在螺丝刀刀尖
上，并且随任务的进展与它一起运动，定义
约束坐标系{C}的Y轴
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4.3 机器人的力控制简介
主动刚度控制 ( Active Stiffness Control ) 刚度控制是阻抗控制的一个特例，它是对机
器人操作手静态力和位置的双重控制。控制的目 的是调整机器人操作手与外部环境接触时的伺服 刚度，以满足机器人顺应外部环境的能力。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
约束描述 机器人所受的约束可分为自然（本证）
约束和人为（人工）约束两种。 自然约束是由物体的几何特性或作业结
构特性等引起的对机器人的约束。如：玻璃 的内法向。
人为约束是一种人为施加的约束，用来 确定作业结构中期望运动的力或轨迹的形式。 如：在玻璃平面上的运动轨迹。
例如：当手与静止的刚性表面接触时， 不允许通过表面，因此，一个固有的位置约 束存在；如果表面是光滑的，就不可能对手 施加与表面相切的力。
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4.3 机器人的力控制简介
在环境的接触模型中，用沿表面法向 的位置约束和沿表面切向的力约束定义一 个广义表面（Generalized surface）,这两 类约束将末端执行器的可能运动自由度分 解为两个正交（不相关）集合，对每一组 我们可以按不同的准则进行控制。
1、位置精度控制有限。 当机器人末端执行器与周围环境发生接触时， 再精确的位置控制也会显得不足，例如：考虑机 器人用海绵擦拭窗户玻璃，可以通过控制机器人 末端执行器相对玻璃的位置来调节作用于窗户上 的力，如果海绵是非常柔软的，或者玻璃的位置 能非常精确地定义，这是可以实现的。 但是，如果机器人末端执行器、工具 或环境 的刚性是非常高的话，完成上述任务将会变得非 常困难，如果玻璃表面的位置存在不确定性，或 者机器人的位置控制存在任何误差的话，任务将 不可能完成，甚至发生打碎玻璃的后果。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
2、实际工作对作用力的大小有要求。 机器人的力控制在工业中也得到了实
际应用，如：磨具等的打磨、去毛边。 特别是在机器人装配中，面临着工作环
境的不确定或变化，实现机器人的零件装 配对零件间的相互位置的定位精度要求非 常高，能否进行精确的位置控制成为其应 用的前提。
与螺钉的槽一致，螺
切向
丝头面为广义表面。
法向
位置 力
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4.3 机器人的力控制简介
顺应控制又叫依从控制或柔顺控制，是 一种特殊的力控制；可用于自动装配中。
顺应控制它是在机器人的操作手受到外 部环境约束的情况下，对机器人末端执行器 的位置和力的双重控制。顺应控制对机器人 在复杂环境中完成任务是很重要的，例如装 配，铸件打毛刺，旋转曲柄，开关带铰链的 门或盒盖，拧螺钉等。
实现柔顺控制的方法主要有两类：一类为阻 抗控制，另一类是力和位置混合控制。
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
阻抗控制不是直接控制期望的力和位置，而 是通过控制力和位置之间的动态关系来实现柔顺 功能。这样的动态关系类似于电路中阻抗的概念， 因而称为阻抗控制
顺应控制可分为两种方式: •被动式 ( Passive Compliance ) •主动式 ( Active Compliance )
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
•被动柔顺 ( Passive Compliance ) 被动式顺应控制是设计一种柔性机械装置，
山东大学机械工程学院机电工程研究所2010/09/02
4.3 机器人的力控制简介
追求高精度的位置控制，无论是在技术 上还是在成本上，都是件困难的事；无论如 何，手部接触力的测量与控制提出了一种可 能的替代，结合了接触力控制后，我们就可 以放松对位置精度控制的要求。
对机器人的位置或力实施控制，相当于 对机器人施加位置或力的约束；对被施加了 约束的机器人进行控制。比对一般机来自百度文库人实 施控制要复杂的多。
并把它安装在机械手的腕部，用来提高机械手顺应 外部环境的能力，通常称之为柔顺手腕 （Compliance Wrist）。
被动式柔顺手腕，由于不需要信息处理，而只 靠自身的机构调整，所以具有快速响应的能力，而 且结构简单，价格低廉。但它只能在诸如插轴入孔 这样一些专用场合使用，无法适应不同作业任务要 求，这些都是由于其机械结构和弹性材料决定的， 因此其通用性较差。
如果只考虑静态，力和位置关系可用刚性矩 阵来描述。如果考虑力和速度之间的关系，可用 粘滞阻尼矩阵来描述。因此，所谓阻抗控制，就 是通过适当的控制方法以使机械手末端呈现需要 的刚性和阻尼。
通常对于需要进行位置控制的自由度，则要 求在该方向上有很大的刚性，即表现出很硬的特 性；对需要力控制的自由度，则要求在该方向有 较小的刚性，即表现出较软的特性。