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，对于机电系统而言，与其他物体的交互在完成各类特定任务中起着关键作用。为解决交互问题，力控制是确保可接受或期望接触的有效途径。近年来，随着机电系统任务愈发复杂，对处理与接触对象（如环境、人类）交互的需求不断增加，力控制在机电系统中的重要性日益凸显。

1.1 概述

随着机电一体化的快速发展，机电系统在医疗保健和医学应用中得到了越来越广泛的应用，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、手持式超声探头、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，需要更高的灵巧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，还要处理与环境或人类的交互。在这种情况下，力控制在机电系统中起着重要作用。

力控制本质上是一种控制机电系统与其接触对象之间动态交互的方法，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。虽然有许多关于力控制的研究，如适用于心脏跳动手术的模型参考自适应力控制、基于多项式函数细胞模型和反馈线性化技术的细胞注射系统力控制策略等，但纯力控制器通常无法约束和控制执行设备的位置，这可能带来一定危险。许多应用需要在某些方向进行位置跟踪，同时在其他方向进行力控制，因此力与位置控制成为主要方法。

调节位置和力可以通过混合力 - 位置控制或并行力 - 位置控制方法实现，这两种方法分别包含位置控制器和力控制器来跟踪位置和力。此外，Hogan提出的阻抗控制方法也是一种有效且实用的方法，通过建立包