導(dǎo)語(yǔ)

南京理工大學(xué)郭毓教授團(tuán)隊(duì)在 ICRA 2025 上發(fā)表了關(guān)于腱驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)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(cuò)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(dòng)作捕捉提供連續(xù)體機(jī)械臂的高精度實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)，為軌跡跟蹤和容錯(cuò)控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供可靠基礎(chǔ)，確保科研結(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(tuán)隊(duì)提出了一種有限時(shí)間笛卡爾阻抗控制方案，通過(guò)二階低通濾波器根據(jù)末端接觸力實(shí)時(shí)調(diào)整參考軌跡，并結(jié)合有限時(shí)間命令濾波反步法設(shè)計(jì)控制器。李雅普諾夫函數(shù)證明了系統(tǒng)的有限時(shí)間收斂性，從而實(shí)現(xiàn)高精度軌跡跟蹤和柔順力控制。

在此過(guò)程中，NOKOV度量動(dòng)作捕提供連續(xù)體機(jī)械臂末端的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)，幫助驗(yàn)證軌跡調(diào)節(jié)與力控效果。

2.執(zhí)行器故障補(bǔ)償方法

針對(duì)肌腱拮抗效應(yīng)及驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)滯后引發(fā)的執(zhí)行器部分失效問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了故障模型，并基于張力傳感器信息設(shè)計(jì)了補(bǔ)償算法。通過(guò)動(dòng)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(dòng)作捕捉在實(shí)驗(yàn)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)執(zhí)行器動(dòng)作與末端位姿，驗(yàn)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(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂（TDCM）實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

圖1 腱驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂原型

1.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與場(chǎng)景

實(shí)驗(yàn)在兩段式 TDCM 原型機(jī)（圖1）上進(jìn)行，模擬復(fù)雜環(huán)境交互和執(zhí)行器故障場(chǎng)景。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)驗(yàn)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(shí)系統(tǒng)魯棒性

NOKOV度量動(dòng)作捕捉在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中提供連續(xù)、精確的位姿采集，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高可信度。

2.軌跡跟蹤精度驗(yàn)證

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

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，軌跡跟蹤精度達(dá)到 0.005米，比基線(xiàn)方法提高 50%以上（圖3）。使用 NOKOV度量動(dòng)作捕捉 記錄的實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)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(lán)色條帶表示 TDCM 與環(huán)境接觸的時(shí)刻。

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

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

4.執(zhí)行器故障補(bǔ)償效果

當(dāng)部分執(zhí)行器失效時(shí)，補(bǔ)償算法通過(guò)調(diào)節(jié)肌腱張力維持機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行。NOKOV度量動(dòng)作捕捉實(shí)時(shí)反饋末端位姿，使團(tuán)隊(duì)能夠量化補(bǔ)償效果并驗(yàn)證系統(tǒng)魯棒性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明研究團(tuán)隊(duì)提出的阻抗-容錯(cuò)控制方案在連續(xù)體機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了高精度軌跡跟蹤、柔順力控及執(zhí)行器故障補(bǔ)償?shù)挠行?。NOKOV度量動(dòng)作捕捉為實(shí)驗(yàn)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(dòng)作捕捉為本研究提供執(zhí)行器高精度實(shí)時(shí)位姿數(shù)據(jù)

三、腱驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂阻抗控制與容錯(cuò)新方案研究FAQ

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

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

Q2: NOKOV度量動(dòng)作捕捉如何驗(yàn)證該新方案系統(tǒng)魯棒性？

A: 通過(guò)實(shí)時(shí)采集機(jī)械臂末端位姿和執(zhí)行器動(dòng)作，驗(yàn)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(shí)控制系統(tǒng)表現(xiàn)如何？

A: 通過(guò)補(bǔ)償算法結(jié)合 NOKOV度量動(dòng)作捕捉系統(tǒng)位姿反饋動(dòng)態(tài)調(diào)整肌腱張力，保證機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行和高精度軌跡跟蹤。

四、參考文獻(xiàn)及作者簡(jiǎn)介

參考文獻(xiàn)：

南京理工大學(xué)郭毓教授團(tuán)隊(duì)在ICRA 2025上發(fā)表關(guān)于腱驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)械臂（TDCM）的論文 Command Filtered Cartesian Impedance Control for Tendon Driven Continuum Manipulators with Actuator Fault Compensation

作者團(tuán)隊(duì)：

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

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

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

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

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

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