机器人也能“刚柔并济”：深入浅出力位混合控制算法

原创已于 2025-11-06 22:00:58 修改 · 853 阅读

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#机器人 #python

于 2025-10-21 13:37:33 首次发布

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class 卑微码农:
    def __init__(self):
        self.技能 = ['能读懂十年前祖传代码', '擅长用Ctrl+C/V搭建世界', '信奉"能跑就别动"的玄学']
        self.发量 = 100  # 初始发量
        self.咖啡因耐受度 = '极限'
        
    def 修Bug(self, bug):
        try:
            # 试图用玄学解决问题
            if bug.严重程度 == '离谱':
                print("这一定是环境问题！")
            else:
                print("让我看看是谁又没写注释...哦，是我自己。")
        except Exception as e:
            # 如果try块都救不了，那就...
            print("重启一下试试？")
            self.发量 -= 1  # 每解决一个bug，头发-1
 
 
# 实例化一个我
我 = 卑微码农()

引言

在机器人技术领域，有一个让机器真正“活”起来的关键技术——力位混合控制算法。传统机器人只能沿着预设轨迹运动，一旦遇到不确定环境就容易失控。而力位混合控制让机器人能够同时管理位置和力，像人一样适应复杂交互场景。

从擦黑板说起：为什么需要力位混合控制？

想象一下机器人擦黑板的场景：如果只控制位置，机器人可能会死死压在黑板上一路推过去，不仅可能损坏黑板，擦除效果也不均匀；如果太轻柔，又可能擦不干净。

这其中的关键在于：在平行于黑板的方向上，需要精确控制运动轨迹（位置控制）；而在垂直于黑板的方向上，则需要保持适当的压力（力控制）。这正是力位混合控制要解决的核心问题——在不同方向上独立而协同地实施位置和力控制。

算法核心原理：机器人的“多线程”思维

力位混合控制的基本思想由Raibert和Craig在1981年提出。其核心是通过一种“空间分解”的方法，将机器人的任务空间划分为两个子空间：

位置控制子空间：用于确保机器人末端执行器在指定的方向上达到目标位置
力控制子空间：用于调节机器人末端执行器与环境之间的接触力

这种分解通常基于任务需求进行设计。例如，在平面接触任务中，可以将法向方向定义为力控制子空间，而切向方向定义为位置控制子空间。

关键技术：选择矩阵S

选择矩阵S是力位混合控制的“大脑”，它是一个对角矩阵，对角线上的元素为1表示力控制，为0表示位置控制

。例如，在6自由度机械臂中，如果需要仅在Z方向进行力控制，其他方向进行位置控制，则选择矩阵可设为：S = diag[0, 0, 1, 0, 0, 0]。

实际控制力矩的计算公式为：τ = Jᵀ × [S × Fₚ + (I-S) × F_f] + 前馈补偿

其中J是雅可比矩阵，Fₚ是位置控制力，F_f是力控制力。这一公式实现了在不同方向上的“各司其职”。

实现案例：机械臂打螺丝过程分析

让我们通过一个具体的例子——机械臂打螺丝，来理解力位混合控制的实际应用。这一过程可分为三个阶段，其基本运动过程如下：

初始定位阶段：机械臂末端移动到螺丝孔上方，此时全部自由度采用位置控制（S=diag[1,1,1,1,1,1]）
孔位寻找阶段：末端沿Y向移动，直到检测到Z向接触力降至阈值以下，表明已定位到螺丝孔
力控旋入阶段：末端沿Z向下移，接触后切换为混合控制（Z向平动变为力控制，其余位置保持位置控制）

在实际编程实现时，需要实时监测末端状态并进行阶段切换。以下是简化的控制逻辑：

// 阶段跳转逻辑
switch(stage) {
  case 1: // 初始定位
    if (z_position <= surface_z && z_force >= 5N) 
      stage = 2; // 切换到孔位寻找
    break;
  case 2: // 孔位寻找
    if (y_position接近目标 && z_force <= 1N) 
      stage = 3; // 切换到力控旋入
    break;
  case 3: // 力控旋入
    // 保持混合控制直至任务完成
    break;
}

在力控阶段，控制器需要同时计算位置补偿和力补偿：

// 混合控制力矩计算
if (接触标志为真) {
    S_force = diag([0,0,1,0,0,0]);  // Z方向力控制
    S_free = eye(6) - S_force;     // 其余方向位置控制
} else {
    S_free = eye(6);          // 纯位置控制
    S_force = zeros(6);       // 力控制关闭
}

// 合成末端指令
F_cart = (S_free × F_position) + (S_force × F_force);
// 映射到关节空间
tau = J' × F_cart + 前馈补偿;

值得注意的是，在实际系统中，纯力控制可能会因环境刚度大而变得不稳定，因此常采用阻抗控制方法，通过调节机器人与环境之间的动态关系来间接控制力。

技术突破：无需力传感器的力位混合控制

近期，我国科研团队在这一领域取得了重大突破，提出了全球首个“力位混合控制算法的统一理论”。这项研究的创新点在于：

无需依赖力传感器：通过强化学习与数学建模，机器人可从历史状态中估计外力
高任务成功率：实验显示，该算法使复杂接触任务的成功率较单纯位置控制提升约39.5%
增强人机协同安全性：机器人能实时感知外力并调整运动状态，避免人机碰撞事故

这一突破大幅降低了硬件成本与系统复杂度，为算法在更多场景的应用铺平了道路。

不同应用场景中的实施策略

根据系统复杂度不同，力位混合控制有多种实现方式：

1. 单电机系统

对于单自由度系统，可采用加权混合控制策略

τ_control = α × (位置控制项) + (1-α) × (力控制项)

其中α是随接触状态变化的权重因子，在未接触时α=1（纯位置控制），接触后α逐渐减小，力控制权重增加。

2. 多自由度机械臂

完整机械臂系统需要更复杂的控制结构，通常包含：

位置前馈补偿：处理系统动力学（惯性、科式力、重力）
雅可比转置映射：将末端力映射到关节力矩
干扰观测器：估计和补偿未建模动力学

3. 工业应用中的参数整定

在实际工业应用中，如机器人去毛刺系统，通过快速路径示教功能实现复杂铸件加工，系统会根据接触力动态调整进给速度，避免刀具过载断裂。数据显示采用该技术后单件加工时间可减少25%。

未来展望

力位混合控制算法的发展为机器人“走进千家万户”奠定了基础。未来，我们可以期待这一技术在以下方向的拓展：

家庭场景：通过力位混合控制，机器人可完成“照顾老人”（如递药、扶散步）、“家务劳动”（如擦桌子、叠衣服）等任务
教育场景：在儿童教育中，机器人可通过力反馈实现“互动式教学”
农业场景：在农业采摘中，机器人可通过力位混合控制“感知水果成熟度”，实现精准采摘