Energy tank

• 又称: virtual energy tank, tank-based passivity
• 类别: Control › Force & interaction control
• 标签: passivity, interaction-control, safety, teleoperation, impedance-control

机器人控制器中的一个虚拟能量存储，用于跟踪耗散和注入的能量，只在罐中有能量时才允许非无源的控制动作，从而使系统保持无源。

定义

能量罐（energy tank）是加入机器人控制器中的一个虚拟储能元件，用来在允许那些本身并非无源的控制动作的同时，保持闭环系统的无源性。无源性是指一个系统释放的能量不能超过它所储存的能量加上外界给予它的能量；一个无源机器人与无源环境（例如人或刚性表面）交互时会保持稳定。刚度和阻尼恒定的阻抗控制是无源的，但许多有用的扩展并不是：时变刚度、力跟踪、任务间切换、学习得到的策略以及遥操作中带时延的通信，都可能注入能量，导致失稳或不安全的运动。

能量罐是控制器的一个状态，通常记为 x_t，其储存的能量为 T = ½ x_t²，并通过一个功率端口与控制器的其余部分耦合。控制器耗散的能量（例如通过其阻尼项）流入罐中，而控制器非无源部分所需的能量则从罐中取出。只要罐中还有能量，非无源动作就被允许；当储存的能量降到下限阈值时，该动作被关闭或按比例缩小，控制器退回到无源行为，这也使罐的状态远离零点，因为在零点处其动力学会变得奇异。储能上限则防止罐积累起足以在日后释放出危险能量冲击的储备。由于机器人、控制器和能量罐作为一个整体只通过物理交互端口与环境交换能量，扩展后的系统在构造上就是无源的。这一思想源于端口哈密顿建模和基于无源性的双边遥操作，如今广泛用于变阻抗控制和物理人机交互。

能量罐限制的是控制器随时间可以注入的能量总量，而不是注入的速度。一个装满的罐仍然可以被迅速排空，因此功率以及随之而来的峰值力或速度，只能通过罐的限值间接受到约束。选择初始能量、阈值和补充策略是设计的一部分，而预算过小会使控制器频繁退回到无源行为。基于功率的安全层，以及作用于能量或功率的控制屏障函数，是直接约束能量流动速率的相关方法；下文所列关于物理交互中空中飞行器的工作，正是出于这个原因提出了一个基于功率的安全层。

为何重要

接触人和周围环境的机器人需要能够自适应、学习或跟踪力的控制器，而许多这样的改动会破坏经典交互控制的稳定性保证。能量罐提供了一种简单、通用的方法，在允许这些行为的同时保持无源性保证，这使它成为物理交互、遥操作和变阻抗控制中的标准安全要素。

主要应用

• 变阻抗与变刚度控制
• 带通信时延的双边遥操作
• 采用自适应或学习型控制器的物理人机交互
• 操作臂和空中机器人上的力跟踪与接触任务
• 不失无源性的任务切换与优先级控制

实际应用

一台协作机械臂运行阻抗控制，在搬运零件时必须变硬，在人用手引导它时必须变软。在机械臂处于偏移状态时提高刚度，会向虚拟弹簧中加入能量，这可能破坏无源性。团队加入了一个能量罐：阻抗控制器的阻尼项为它充能，而每一次刚度增加都从中取出相应的能量。他们选定了初始预算和上限，并在测试中记录罐的能量水平。当操作员在刚度曲线上升期间反复推动机械臂时，罐被耗尽到下限阈值，刚度变化暂停，机械臂保持最后的阻抗继续运行，直到阻尼重新把罐充满。

常见误解

• 能量罐直接限制力或速度 — 它限制的是随时间累积的能量，装满的罐仍然可以快速释放能量，因此功率只受到间接约束
• 无源控制器在任何意义上都是安全的 — 无源性保证的是与无源环境的稳定交互，并不保证接触力、速度或工作空间限制都保持在安全值以内
• 能量罐是一个物理部件 — 它是控制器软件内部的一个虚拟状态，没有对应的硬件
• 罐越大越好 — 更大的储能预算允许更大的非无源动作和更大的能量释放，从而削弱了安全上的好处

谁需要了解

• 交互控制与阻抗控制工程师
• 遥操作系统开发者
• 物理人机交互研究人员
• 空中操作与接触式检测工程师

相关技术

• 基于无源性的控制（Passivity-Based Control）
• 端口哈密顿系统（Port-Hamiltonian Systems）
• 变阻抗控制（Variable Impedance Control）
• 时域无源控制（Time-Domain Passivity Control）
• 控制屏障函数（Control Barrier Functions）

相关术语

• Impedance Control
• Admittance Control
• Physical Human-Robot Interaction
• Teleoperation
• Control Barrier Function
• Safety Filter

相关项目

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