寧波材料所在協(xié)作機(jī)器人低阻尼阻抗控制研究中取得進(jìn)展
協(xié)作機(jī)器人的高動(dòng)態(tài)響應(yīng)與柔順交互能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的精密作業(yè)至關(guān)重要。在沖擊鉚接、電阻點(diǎn)焊或精密軸孔裝配等應(yīng)用場(chǎng)景中，機(jī)器人往往需要具備低阻尼、高剛度的阻抗特性以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的敏捷響應(yīng)。然而，受制于模型不確定性和外部擾動(dòng)，傳統(tǒng)的阻抗控制方法在面向低阻尼阻抗渲染需求時(shí)難以實(shí)現(xiàn)可靠力跟蹤，引發(fā)系統(tǒng)振蕩甚至失穩(wěn)，限制了其在實(shí)際工業(yè)中的應(yīng)用范圍。
針對(duì)這一挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所精密驅(qū)動(dòng)與智能機(jī)器人技術(shù)團(tuán)隊(duì)與英國(guó)利物浦大學(xué)楊辰光教授團(tuán)隊(duì)合作提出了一種基于偏置滑模面（Biased Sliding Surface, BSS）的協(xié)作機(jī)器人自適應(yīng)躍度控制（AJC）（圖1），有效解決了低阻尼阻抗渲染需求下的控制穩(wěn)定性難題。該方法首先通過(guò)接觸力反饋和復(fù)合運(yùn)動(dòng)誤差，實(shí)時(shí)表征力－位耦合特性的動(dòng)態(tài)變化，構(gòu)建了一種包含力沖量項(xiàng)的偏置滑模面，從而在欠阻尼的情況下也能準(zhǔn)確估計(jì)力偏差；隨后，利用魯棒誤差積分策略對(duì)系統(tǒng)躍度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了力偏差的指數(shù)衰減；在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于力偏差范數(shù)的增益自適應(yīng)律，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整滑模增益，抑制了控制信號(hào)的抖動(dòng)，并有效避免了傳統(tǒng)方法中因速度誤差與力偏差方向相反導(dǎo)致的系統(tǒng)失穩(wěn)問(wèn)題。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該方法在處理快速時(shí)變環(huán)境交互任務(wù)時(shí)，相比現(xiàn)有技術(shù)在力跟蹤精度和接觸穩(wěn)定性方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，并顯著擴(kuò)大了阻抗參數(shù)的許用范圍。
相關(guān)成果以“Low-Damping Impedance Control of Cobot With Jerk Adaptation on Biased Sliding Surface”為題，發(fā)表在 IEEE Transactions on Industrial Electronics?（《IEEE工業(yè)電子匯刊》）上（DOI:10.1109/TIE.2025.3634424）。以上工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（U20A20282, U22A20177, U23A20616）、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LD24E050010）、浙江省“領(lǐng)雁”攻關(guān)計(jì)劃（2025C01018）和寧波市重大科技攻關(guān)項(xiàng)目（2023Z135）等項(xiàng)目的資助。
圖1：提出的控制流程圖
圖2. 偏置滑模面的軌跡相圖
圖3：力偏差分布。（a）-(c) 過(guò)阻尼的阻抗控制。（d）-(f) 欠阻尼的阻抗控制
（機(jī)器人與智能制造裝備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室）