机器人阻抗控制和导纳控制对比

阻抗控制是测运动，发力矩，因此必须力矩内环（CST）；导纳控制是测力，发运动，因此只需位置内环（CSP）。阻抗控制和导纳控制是实现机器人柔顺交互的两种镜像方法，在数学上互为因果，但在物理实现和硬件要求上截然不同。清洁机器人采用“导纳 + CSP”是基于现有硬件与任务需求的最优工程方案。

一、原理：因果关系互换

两者都让机器人末端表现出一个虚拟的弹簧-质量-阻尼系统的特性：

但实现路径完全相反。

物理类比：

• 阻抗控制像是一个软弹簧：推它（给它位移），它用一个设定的力反推，机器人表现如一个机械阻抗。
• 导纳控制像是一个顺从的减震器：给它力，它按物理规律产生运动，机器人表现如一个机械导纳（阻抗的倒数）。

二、导纳用 CSP（位置），阻抗用 CST（力矩）

原因：控制输出的物理量不同，因此对底层硬件的接口要求不同。

1. 导纳控制（使用 CSP 位置模式）

• 输出：导纳控制器计算出的 Δx（位置修正量），是一个运动学量。
• 执行：该 Δx 被叠加到参考轨迹上，形成新的目标位置指令，发送给关节伺服驱动器。
• 驱动器需求：驱动器只需具备位置模式（CSP），接收目标位置指令并自行完成位置闭环即可，这是几乎所有工业伺服的标准功能。
• 为什么能柔顺：当机器人末端受到外力，力传感器测得力误差，导纳控制器产生远离力的位移，机器人主动避让，表现出柔顺性。这是一种主动软，需要位置环的高带宽来保证导纳动态。

2. 阻抗控制（使用 CST 力矩模式）

• 输出：阻抗控制器根据位置误差计算出所需的力/力矩指令 τ。
• 执行：该力矩指令直接发送给关节伺服驱动器，控制电机输出精确力矩。
• 驱动器需求：驱动器必须工作在力矩模式（CST）或电流模式，直接接收力矩指令，而不进行位置或速度闭环。这是因为阻抗控制期望机器人本身就是一个物理的弹簧-阻尼系统，力矩是输出的物理量。如果驱动器还在做位置闭环，就会和阻抗控制器“打架”——位置环试图纠正位置误差，破坏柔顺。
• 为什么需要力矩环：阻抗控制本质是通过控制力来间接控制运动。力指令必须被精确跟踪，因此内环必须是力矩环。如果使用位置模式，则无法直接施加指定的力，只能通过位置误差产生力，这与导纳控制无异。

3. 对比总结

三、清洁机械臂（导纳 + CSP）

1. 硬件现状：关节模组支持 CSP 位置模式，且末端安装了高精度六维力传感器，这符合导纳控制的要求。
2. 任务特性：清洁需要恒力贴合，且釉面为刚性环境，导纳控制在刚性环境下的稳定性可以通过调节参数（大阻尼 D）保证，且采用了双俯仰冗余（J6 小惯量高频柔顺），弥补了位置内环的潜在刚硬。
3. 工程可靠性：导纳 + 位置模式是工业应用中实现力控最成熟的方案，无需修改驱动器底层，调试简单，安全性高。

若切换到阻抗控制，需要：

• 所有关节换用力矩模式（CST），并要求关节具备高精度力矩反馈（或精确的电流-力矩模型）。
• 建立完整的机械臂动力学模型，实时补偿重力、摩擦、科氏力等，否则机器人连自重都撑不住。
• 这会大幅增加工程复杂度和成本，而清洁任务用导纳已能完美满足恒力贴合需求。