2、机电系统力与位置控制：原理、传感器及应用

机电系统力与位置控制：原理、传感器及应用

1. 引言

力源于物体间的相互作用，在机电系统完成各类特定任务中，与其他物体的相互作用起着关键作用。为处理这些相互作用问题，力控制是确保可接受或期望接触的有效途径。近年来，随着机电系统任务日益复杂，对处理与接触物体（如环境、人类）相互作用的需求不断增加，力控制在机电系统中的重要性愈发凸显。

1.1 概述

随着机电一体化的快速发展，机电系统凭借其精确快速的自动化运动能力，在医疗保健和医疗应用中得到了越来越广泛的应用，例如耳部手术设备、腹腔镜手术机器人、机器人辅助心脏跳动手术、机器人辅助玻璃体视网膜手术、微创手术触诊探头、手持超声探头、细胞注射系统、动力外骨骼等。这些医疗设备的进步使外科医生和医生能够更高效地进行手术治疗。

然而，医疗设备的任务变得更加复杂，需要更高的灵活性和对不同环境的适应性。因此，它们不仅要产生精确的运动来完成任务，还需处理与环境或人类的相互作用（如机器人 - 环境相互作用和人机相互作用）。在这种情况下，力控制在机电系统中发挥着重要作用。

力控制本质上是一种控制机电系统与接触物体之间动态相互作用的方法，其主要目标是将接触力保持在可接受范围内，或控制施加的力以跟踪期望的参考值。目前有大量关于力控制的研究工作，但纯力控制器通常无法约束和控制执行装置的位置，这在一定程度上可能带来危险，但也是执行装置到达期望位置完成整体任务的一种权衡。许多应用需要在某些方向进行位置跟踪，而在其他方向进行力控制，因此力和位置控制成为主要方法，该方法在控制系统中同时考虑了力和位置。

超越纯力控制，可通过混合力 - 位置（力/位置）控制方法或并行力 - 位置（力/位置）控制方法来实现位置和