導(dǎo)語

南京理工大學(xué)郭毓教授團隊在 ICRA 2025 上發(fā)表了關(guān)于腱驅(qū)動連續(xù)體機械臂（TDCM）的研究論文《Command Filtered Cartesian Impedance Control for Tendon Driven Continuum Manipulators with Actuator Fault Compensation》。本文提出結(jié)合阻抗控制與容錯的創(chuàng)新方案，旨在解決 TDCM 在復(fù)雜環(huán)境中面臨的高精度軌跡跟蹤、柔順力控以及執(zhí)行器故障等挑戰(zhàn)。

在本研究中，NOKOV度量動作捕捉提供連續(xù)體機械臂的高精度實時位姿數(shù)據(jù)，為軌跡跟蹤和容錯控制實驗驗證提供可靠基礎(chǔ)，確?？蒲薪Y(jié)論可復(fù)現(xiàn)。

一、研究方法概述

1.高精度軌跡跟蹤與柔順力控

團隊提出了一種有限時間笛卡爾阻抗控制方案，通過二階低通濾波器根據(jù)末端接觸力實時調(diào)整參考軌跡，并結(jié)合有限時間命令濾波反步法設(shè)計控制器。李雅普諾夫函數(shù)證明了系統(tǒng)的有限時間收斂性，從而實現(xiàn)高精度軌跡跟蹤和柔順力控制。

在此過程中，NOKOV度量動作捕提供連續(xù)體機械臂末端的實時位姿數(shù)據(jù)，幫助驗證軌跡調(diào)節(jié)與力控效果。

2.執(zhí)行器故障補償方法

針對肌腱拮抗效應(yīng)及驅(qū)動器響應(yīng)滯后引發(fā)的執(zhí)行器部分失效問題，團隊構(gòu)建了故障模型，并基于張力傳感器信息設(shè)計了補償算法。通過動態(tài)調(diào)節(jié)肌腱張力，顯著提升系統(tǒng)的 魯棒性與可靠性。

NOKOV度量動作捕捉在實驗中實時監(jiān)測執(zhí)行器動作與末端位姿，驗證即使在部分執(zhí)行器失效的情況下，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定軌跡跟蹤和柔順力控。

二、腱驅(qū)動連續(xù)體機械臂（TDCM）實驗與結(jié)果

圖1 腱驅(qū)動連續(xù)體機械臂原型

1.實驗平臺與場景

實驗在兩段式 TDCM 原型機（圖1）上進行，模擬復(fù)雜環(huán)境交互和執(zhí)行器故障場景。實驗重點驗證以下功能：

軌跡跟蹤精度

柔順力控表現(xiàn)

執(zhí)行器部分失效時系統(tǒng)魯棒性

NOKOV度量動作捕捉在整個實驗過程中提供連續(xù)、精確的位姿采集，確保實驗數(shù)據(jù)的高可信度。

2.軌跡跟蹤精度驗證

圖3 笛卡爾軌跡跟蹤的實驗結(jié)果。x、y、z是位置的三維坐標(biāo)，ex、ey、ez是跟蹤誤差。

實驗結(jié)果顯示，軌跡跟蹤精度達到 0.005米，比基線方法提高 50%以上（圖3）。使用 NOKOV度量動作捕捉 記錄的實時位姿數(shù)據(jù)進一步驗證了控制器的高精度性能。

3.柔順力控與障礙物交互

圖4 笛卡爾跟蹤軌跡與外部末端力。F、Fy、Fz是 Fe 的三維坐標(biāo)。淺淡的淡藍色條帶表示 TDCM 與環(huán)境接觸的時刻。

圖6. 笛卡爾阻抗誤差。eimx、eimy、eimz是NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)測量的eim的三維坐標(biāo)

在接觸障礙物的實驗中，阻抗誤差穩(wěn)定在 0.09牛頓 以內(nèi)，并在脫離障礙物后快速恢復(fù)軌跡跟蹤（圖4）。NOKOV度量動作捕捉的位姿數(shù)據(jù)同步記錄了力控動態(tài)變化，證明控制策略在環(huán)境交互時具有良好柔順性。

4.執(zhí)行器故障補償效果

當(dāng)部分執(zhí)行器失效時，補償算法通過調(diào)節(jié)肌腱張力維持機械臂穩(wěn)定運行。NOKOV度量動作捕捉實時反饋末端位姿，使團隊能夠量化補償效果并驗證系統(tǒng)魯棒性。

實驗結(jié)果表明研究團隊提出的阻抗-容錯控制方案在連續(xù)體機械臂實驗中驗證了高精度軌跡跟蹤、柔順力控及執(zhí)行器故障補償?shù)挠行?。NOKOV度量動作捕捉為實驗提供高精度位姿數(shù)據(jù)，確?？蒲薪Y(jié)論可靠且可復(fù)現(xiàn)。

圖5. NOKOV度量動作捕捉為本研究提供執(zhí)行器高精度實時位姿數(shù)據(jù)

三、腱驅(qū)動連續(xù)體機械臂阻抗控制與容錯新方案研究FAQ

Q1: TDCM在復(fù)雜環(huán)境下能實現(xiàn)多少精度的軌跡跟蹤？

A: 使用阻抗-容錯控制結(jié)合 NOKOV度量動作捕捉反饋，軌跡誤差可低至0.005米，比基線方法提升50%以上。

Q2: NOKOV度量動作捕捉如何驗證該新方案系統(tǒng)魯棒性？

A: 通過實時采集機械臂末端位姿和執(zhí)行器動作，驗證在障礙物接觸和執(zhí)行器失效情況下的軌跡跟蹤和柔順力控表現(xiàn)。

Q3: 執(zhí)行器部分失效時控制系統(tǒng)表現(xiàn)如何？

A: 通過補償算法結(jié)合 NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)位姿反饋動態(tài)調(diào)整肌腱張力，保證機械臂穩(wěn)定運行和高精度軌跡跟蹤。

四、參考文獻及作者簡介

參考文獻：

南京理工大學(xué)郭毓教授團隊在ICRA 2025上發(fā)表關(guān)于腱驅(qū)動連續(xù)體機械臂（TDCM）的論文 Command Filtered Cartesian Impedance Control for Tendon Driven Continuum Manipulators with Actuator Fault Compensation

作者團隊：

鄭先杰，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院博士研究生。主要研究方向：連續(xù)型機器人建模與控制；

余朝寶，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院博士研究生。主要研究方向：柔順控制，智能機器人控制；

丁萌，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院博士。主要研究方向：連續(xù)型機器人建模與控制；

劉遼雪，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院副教授。主要研究方向：空間機器人技術(shù)，連續(xù)型機器人控制；

郭健，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向：智能控制、機器人控制；

郭毓，南京理工大學(xué)自動化學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師。主要研究方向：智能機器人控制、航天器姿態(tài)控制等。