自适应阻抗控制基本概念
目录
背景
自适应阻抗控制设计的核心问题
1. 变什么
2. 怎么变
自适应阻抗控制的难点
补充：阻抗控制与导纳控制
共同点
区别
参考资料
背景
自适应阻抗控制是一种使机器人在执行任务过程中，能够根据任务变化自主调整其阻抗行为的控制策略。与传统阻抗控制不同，后者的阻抗特性通常在设计阶段确定，并在任务执行过程中保持不变。例如，在搬运重物的任务中，由于物体的重量，机器人需要产生较大的力，因此可以设置较高的阻抗系数。相反，在拖动示教的情况下，可以设置较低的阻抗系数，以便操作人员轻松地将机器人移动到指定位置。
然而，由于机器人通常不会只执行单一任务，单一阻抗特性很难满足多场景、多任务的需求。因此，提出了自适应阻抗控制的概念，旨在使机器人能够在没有过多人为干预的情况下，在线的自主调整其阻抗行为，以满足多任务、多场景的需求。
自适应阻抗控制设计的核心问题
在设计自适应阻抗控制时，需要回答两个核心问题：
1. 变什么
在自适应阻抗控制过程中，需要改变哪些参数？由于机器人的动力学和运动学模型是固定的，我们能够改变的主要是机器人的阻抗系数，包括质量、弹性系数和阻尼。需要考虑的是，是改变其中一个参数，还是多个参数一起变化。这三个参数之间的相互关系直接影响机器人系统的稳定性，因此在设计时需要特别小心。阻抗控制的主要目标是调节机器人的阻抗特性，从实现手段来看，它本质上仍然属于机器人运动控制的范畴。因此，我们可以设计一个额外的轨迹规划算法，该算法将依据外部环境的反馈信息以及任务需求的变化，对机器人的运动输入进行动态调整。通过这种方式，我们能够有效地实现对机器人阻抗行为的调整，以适应不同的操作环境和任务要求。
2. 怎么变
如何改变阻抗行为？这可以进一步拆分为两个小问题：
- 基于哪些外界信息：环境感知，尤其是在物理接触的人机协作中，接触力的大小是一个重要的信息来源。此外，运动反馈、任务信息、人的指令等都可以用于调整机器人的阻抗系数。
- 基于什么样的规则：一种方法是利用最优控制思想，将阻抗系数作为优化参数，通过在线求解优化问题来调整阻抗系数。另一种方法是模仿学习，通过观察人在执行任务时的运动和力的变化，推导出人如何改变阻抗行为的准则，并将这些准则应用于机器人设计。
自适应阻抗控制的难点
设计自适应阻抗控制的难点在于如何保证机器人控制的稳定性。机器人是一个非线性系统，其稳定性分析本身具有一定难度。如果在线不断改变参数，将给稳定性分析带来新的挑战。在人机协作场景下，机器人的稳定性尤为重要，因为它直接关系到人的安全。自适应阻抗控制是一个新兴的研究课题，目前还没有形成一套非常成熟和完整的理论体系。
补充：阻抗控制与导纳控制
共同点
目的都是让机器人对外体现出由弹簧-阻尼-质量组成的二阶系统的动态特性，因此在很多文献中并没有严格地区分。
区别
1.物理意义（因果关系）
2.控制方法
首先，无论是阻抗控制还是导纳控制，其目标均为使机器人对外界呈现出由弹簧、阻尼和质量构成的二阶系统的动态特性。因此，许多文献未对阻抗控制和导纳控制作出严格区分，因为二者的根本目标相同，直到在后续文献中逐渐认识到这两种控制方法的确存在差异。
阻抗控制与导纳控制的首要区别在于物理意义。众所周知，阻抗和导纳在物理学中为对偶概念，且总是相互对应，即存在阻抗的系统必然具有导纳特性。在控制过程中，阻抗控制通常假设控制器表现为一种阻抗：首先获取位置信息，并依据预设的阻抗特性计算出力的设定值。当机器人依据该力的设定值执行运动时，控制器的输入为位置、输出为力，而机器人的输入为力、输出为位置。在此情形下，控制器可视作阻抗，而机器人则表现为导纳。
在导纳控制中，上述定义恰好相反。控制器接收外界反馈的力，并依据预设的阻抗特性计算出机器人应产生的位移。在此情况下，控制器表现为导纳，而机器人在执行位置控制过程中对外界施加力，因而机器人在此时可视作阻抗。上述即为阻抗控制与导纳控制在物理意义上的区别。
其次，二者在控制策略上也存在不同。对于阻抗控制，外环控制器通常为位置控制器，用以计算力的设定值；因此，机器人或内环控制器可视作力控制器。而在导纳控制中，外环控制器为力控制器，用以计算位置的控制输入，故机器人在内环中执行位置控制。这是二者在控制方法上的主要差异。此外，导纳控制在实现过程中通常需要外界接触力的反馈，这亦为其显著特征之一。
关于阻抗控制和导纳控制的优劣，通常没有明确的判断标准。有一种观点认为，当机器人接触的外界环境阻抗较高时，采用阻抗控制效果更佳；而当外界环境阻抗较低时，导纳控制或许更为适宜。
参考资料
[1] Ott, Christian,Mukherjee, Ranjan,Nakamura, Yoshihiko.Unified Impedance and Admittance Control[C].//IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).2010:554-561.
[2] 自适应阻抗控制的基本思想