Impedance Control

又稱: impedance controller, mechanical impedance control, interaction control
類別: Control › Force & interaction control
標籤: control, force-control, compliance, human-robot-interaction, manipulation, cobot

一種機器人控制策略，調節接觸點上運動與力之間的動態關係，讓機器人表現得像一個可程式設定的彈簧-阻尼系統。

定義

阻抗控制是一種機器人控制方法，它控制的是機器人的機械阻抗，也就是機器人末端執行器或關節上力與運動之間的動態關係。阻抗控制不是命令機器人精確追蹤一條位置軌跡（位置控制），也不是命令它施加特定的力（力控制），而是指定機器人對偏離期望位置的情況應如何反應。機器人的行為就像一個虛擬的質量-彈簧-阻尼系統，其剛性、阻尼與慣量參數都可以程式設定，決定它在互動時感覺有多柔順或多剛硬。

這個概念由 MIT 的 Neville Hogan 在 1985 年正式提出，源自一項觀察：人類成功的操作靠的是調節肢體阻抗，而不是單獨精確控制位置或力。接球時，你的手臂在接觸瞬間是柔順的；推一扇沉重的門時，你的手臂是剛硬的。阻抗控制讓機器人也具備這種依任務調節自身機械行為的能力。

在阻抗控制框架中，環境被建模為導納（接受力並產生運動），而機器人則被控制為阻抗（接受運動偏差並產生力）。控制器根據末端執行器實際位置與期望位置之間的差，乘以期望的剛性與阻尼參數，計算關節扭矩。高剛性讓機器人抵抗擾動並緊密追蹤期望位置；低剛性則讓它在接觸時柔順而輕柔。

這種方法與混合力/位置控制有根本上的不同，後者沿不同軸向在力控制與位置控制之間切換。阻抗控制提供一個統一的框架，能自然地處理自由空間運動（無接觸）與受限運動（有接觸）之間的轉換，不需要明確的切換邏輯或接觸偵測。這讓它在接觸條件不確定或變化迅速的任務中特別具有強健性。

可變阻抗控制擴充了基本框架，允許剛性與阻尼參數在任務執行期間改變。機器人可能在精確定位時使用高剛性，在把插銷插進孔中時切換到低剛性，依操作任務的不同階段調整行為。學習演算法可以從人類示範或強化學習中自動調整這些參數。

為何重要

阻抗控制是讓人機安全互動成為可能的關鍵。沒有它，工業機器人就是危險的剛性機器，無法適應意外的接觸。有了它，協作機器人就能與人類並肩工作、協助手術並執行精細的組裝任務，這一切都靠控制它們對力的反應方式，而不是盲目地追蹤軌跡。

主要應用

協作機器人：機器人與人類作業員之間安全的實體互動
插銷入孔組裝：能容許對位誤差的柔順插入
手術機器人：以可程式設定的順應性輕柔地與組織互動
拋光與研磨：在曲面上維持一致的接觸力
具力回饋的遠端操作：把阻抗行為傳遞給遠端的機器手臂
足式行走運動：觸地時柔順的腿部行為

實際應用

在典型的協作機器人應用中，阻抗控制讓操作員在教導時能用手實際引導機器人。機器人的阻抗設定為低剛性與適中的阻尼，感覺就像在空間中推動一個沉重但順滑的物體。操作員把機器人移動到想要的位姿來記錄路徑點。在自主執行期間，阻抗參數會調高以精確追蹤軌跡，但仍維持在夠低的程度，讓機器人與人意外接觸時會退讓而不會造成傷害。

Universal Robots、Franka Emika 與 KUKA 的現代協作機器人，利用每個關節中的扭矩感測器在關節層級實作阻抗控制。Franka Emika Panda 尤其以 7 軸扭矩控制設計聞名，開箱即可進行研究等級的阻抗控制，使它成為最受歡迎的操作研究平台之一。

常見誤解

阻抗控制與力控制是同一件事：阻抗控制調節的是力與運動之間的關係，而不只是力
阻抗控制需要力/力矩感測器：雖然感測器能改善效果，但只靠扭矩控制的致動器也能實現關節層級的阻抗控制
剛性越高越好：阻抗控制的訣竅在於為每個任務階段選擇合適的剛性，而且往往刻意選低
阻抗控制只適用於操作：它對足式行走運動同樣重要，在那裡腿部的順應性決定了與地面互動的品質

誰需要了解

開發協作或力敏感應用的機器人工程師
研究人機實體互動的研究人員
設定工業協作機器人的協作機器人應用工程師
需要精確力調節的手術機器人開發者
設計柔順操作策略的控制系統工程師

影片

Impedance Control: Planning or Learning? by Antonio Bicchi: Learning Impedance IROS2020 WS
SRS 3.5 Force and Impedance control of 2R Robot: Ivan Borisov

維基百科

阻抗控制

Open Source Robotics