基于关节力矩传感器的机器人阻抗控制 关节空间与笛卡尔空间的协同实现

一、引言

随着机器人技术在工业制造、医疗康复、服务协作等领域的深入应用，机器人与环境和人的物理交互愈发频繁。传统的纯位置控制难以保证交互过程的安全性与柔顺性，阻抗控制应运而生。阻抗控制通过调节机器人末端或关节的“刚度-阻尼”特性，使机器人表现出期望的柔顺行为。实现高性能阻抗控制的关键在于精确获取机器人关节力矩信息。本文围绕自主研发的机器人关节力矩传感器，探讨在关节空间和笛卡尔空间分别实施阻抗控制的原理、方法及协同策略。

二、关节力矩传感器：阻抗控制的感知基础

关节力矩传感器是安装在机器人关节处、用于测量关节输出转矩的精密装置。自主研发的力矩传感器通常采用应变式或光电式原理，具备高分辨率、低迟滞和良好的温度稳定性。其核心作用在于：

1. 直接测量关节实际力矩，为力矩闭环控制提供反馈信号，消除传动机构非线性（如摩擦、间隙）的影响；
2. 支持碰撞检测与外力估计，提升人机协作安全性；
3. 为关节空间阻抗控制和笛卡尔空间阻抗控制提供底层力矩数据，使两种控制模式共享同一感知基础。

三、关节空间阻抗控制

关节空间阻抗控制直接在关节层面建立“力矩—位置/速度”的阻抗关系。其典型实现为：对每个关节设定期望的虚拟惯量、阻尼和刚度参数，根据关节位置偏差和速度偏差计算期望关节力矩，再通过力矩传感器闭环跟踪该力矩。

该方法的优势在于：

• 控制结构简单，无需求解逆运动学，避免奇异位形问题；
• 关节力矩传感器可直接反馈，实现高带宽力矩控制；
• 适用于对关节柔顺性有明确要求的任务（如双腿机器人着地缓冲）。

局限性在于：关节空间阻抗参数与末端笛卡尔空间的柔顺行为之间缺乏直观映射，难以直接指定末端交互刚度。

四、笛卡尔空间阻抗控制

笛卡尔空间阻抗控制以机器人末端执行器为对象，建立末端位移与接触力之间的期望阻抗模型。通常采用“外环阻抗+内环力矩”架构：外环根据末端位置偏差计算期望接触力，再通过雅可比转置映射为关节期望力矩，由关节力矩传感器闭环执行。

该方法的优势在于：

• 可直接设计末端柔顺特性，符合人类对物理交互的直觉；
• 便于处理与环境约束相关的任务（如曲面跟踪、轴孔装配）；
• 结合力/位混合控制可进一步发展自适应阻抗策略。

挑战在于：雅可比矩阵在奇异位形附近病态，可能导致力矩指令突变；且笛卡尔空间阻抗参数需通过雅可比映射到关节空间，多层变换可能引入误差。

五、关节空间与笛卡尔空间的协同策略

为了兼顾关节层柔顺与末端层交互需求，可设计分层阻抗控制框架：

1. 上层（笛卡尔空间）生成期望末端阻抗行为，计算末端期望力；
2. 中层通过雅可比转置及零空间投影，将末端力需求映射到关节力矩指令，同时保留关节空间的冗余柔顺特性；
3. 底层依托关节力矩传感器实现力矩闭环，并实时监测各关节力矩饱和或突变，动态调整阻抗参数，确保安全。

可引入基于传感器的碰撞反射策略：当力矩突变超过阈值时，临时增大关节阻尼或切换至零力矩模式，实现快速柔顺响应。

六、结论与展望

自主研发的机器人关节力矩传感器为阻抗控制提供了可靠的力矩感知手段。关节空间阻抗控制与笛卡尔空间阻抗控制各有侧重，通过分层协同与力矩闭环，可在保证末端交互柔顺性的同时维持关节层面的稳定性与安全性。未来工作可进一步探索基于强化学习的阻抗参数自适应调节，以及多传感器融合下的鲁棒阻抗控制，推动机器人在复杂动态环境中的柔顺交互能力。