力控在机器人运动控制中的重要性

作者：邢伯阳

机器人的运动控制是通过控制机器人的关节或轮子来实现机器人在空间中的移动。这通常涉及到对机器人的电机或液压系统进行控制，以实现所需的运动路径和速度，所以一般也是将运动控制分为位置、速度和力控制。

位置和速度控制，一直认为是“硬”控制，就是给定了位置和速度，机器人必须达到，不择手段达到目的。而力控通常会认为是“柔”控制，因为我们可以不断地调整作用力大小，可以实现一种柔顺的效果，维持力恒定，速度和位置会妥协，从而适用更多的需求。

随着机器人技术的发展，被越来越多的应用到不同的场景中，更多的场景都是人机交互的场景，则需要机器人更加的“柔顺”，而不是那么“硬”。现在更多的都是讲柔顺控制，其实本质还是力位混合控制，即如何在讲位置和力能够融合起来，实现更加“柔”的效果。

举个例子，控制机器人一般就是控制伺服电机，我们将伺服电机分为三种模式：速度模式、位置模式和力矩模式。如果只有力矩控制，就无法控制电机转速。如果只有力矩+速度控制，那么速度可以比较稳定，但位置就无法定位。因此位置+速度+力矩才是组成稳定的位置随动定位系统，当然对控制器响应要求比较高。

此外，机器人实施力控的环境更复杂。位置控制是静态的，到达这个位置就会保持。但是力控制并不是“静态”的，恒定的外力可能会导致动态的结果。在恒定外力下，机器人可能会不断加速。当外部环境变动时，机器人会表现出不同的运动。因此，力控的难度不仅仅在设计这个力控制器上，更难在对机器人运行环境的确认上，确认环境将会如何和机器人进行交互。

对于机器人的实际生产应用来说，在机器人运动控制中强调力控有几个重要的原因：

1、力控制可以在机器人与环境接触时检测并实时调整施加的力，以保证机器人与环境之间的互动更加精准和稳定。这对于需要进行精细操作或与人类共同工作的机器人来说尤为重要。

2、力控制可以确保机器人在与人类或其他物体交互时不会施加过大的力量，从而避免对人类或物体造成伤害。这对于与人类紧密交互的机器人尤其重要，因为人类对机器人的力量输出无法像机器人对自身的控制那样精确和敏感。通过力控，可以确保机器人与人类或其他物体的交互是安全的。

3、力控可以让机器人更加灵活地应对不同的任务和环境。例如，在机器人抓取物体时，力控可以让机器人根据物体的形状和重量来调整抓取的力量，从而更好地抓取物体。在机器人行走时，力控可以让机器人根据地面的情况来调整行走的速度和姿态，从而更好地保持平衡，还可以帮助机器人更好地适应不同的工作场景，并提高工作效率。

总的来说，力控制在机器人运动控制中的重要性不容忽视，可以帮助机器人更好地适应复杂环境、提高安全性和精准性，并实现各种高级功能和技能。因此，力控一直是机器人控制领域的研究重点和发展方向。

来源: 北京建筑大学邢伯阳老师