引言

機器人上下料作為柔性制造系統(tǒng)的關(guān)鍵接口，承擔著工件在加工設(shè)備與物流單元間的精準流轉(zhuǎn)。在這一過程中，抓取力控制直接影響工件夾持的穩(wěn)定性、定位的重復精度以及操作的安全性。與單純搬運任務不同，上下料場景常面臨工件材質(zhì)多樣、毛坯精度離散、夾具換型頻繁等復雜工況，抓取力過大可能損傷工件或誘發(fā)變形，抓取力過小則導致滑落或姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。因此，深入解析抓取力控制的力學機理，構(gòu)建適應工件特性與工藝要求的力控策略，已成為提升機器人上下料可靠性與泛化能力的核心技術(shù)課題。

一、抓取力控制的核心矛盾與挑戰(zhàn)

機器人上下料的抓取力控制本質(zhì)上是在約束不確定條件下實現(xiàn)穩(wěn)定接觸的力學調(diào)節(jié)過程。其核心矛盾在于：工件表面狀態(tài)、剛度特性與位姿散布具有先驗未知性，而抓取過程卻要求末端執(zhí)行器在毫秒級時間窗口內(nèi)輸出恰適的法向力與切向摩擦力。

• 工件多樣性帶來的力控邊界漂移。金屬切削件表面存在油膜，摩擦系數(shù)較潔凈表面下降30%以上；注塑薄壁件剛度低，夾持力稍高即引發(fā)彈性變形，影響后續(xù)裝夾定位；燒結(jié)毛坯表面存在飛邊、氣孔等隨機特征，局部接觸剛度劇烈波動。上述因素使得同一套抓取力參數(shù)無法跨工件復現(xiàn)，必須建立力控策略與工件物理屬性的動態(tài)映射。

• 動態(tài)過程引入的慣性擾動。上下料機器人通常采用高速運動以匹配機床節(jié)拍，啟停階段產(chǎn)生的慣性力會疊加至夾持界面。當機器人加減速度達到0.5g以上時，工件所受等效慣性載荷可超過自重數(shù)倍，要求抓取力具備實時補償能力。傳統(tǒng)恒力夾持在此類場景下易出現(xiàn)抓取力不足或過沖。

• 傳感與執(zhí)行的非理想特性。指尖力傳感器存在溫漂與零點偏移，低量程段信噪比不足；電動夾爪的力閉環(huán)帶寬受制于電機電氣時間常數(shù)與機械傳動間隙，對高頻力擾動的抑制能力有限。這些非理想因素使得理論力控模型向工程映射時面臨精度折損。

二、抓取力控制的力學解析

從接觸力學視角，機器人抓取可簡化為多點接觸下的力封閉問題。對于常見的平行夾持構(gòu)型，抓取力需同時滿足防滑移條件與防翻轉(zhuǎn)條件。

法向力下限由最大靜摩擦定律決定：$F_n \geq \frac{ma + mg\sin\theta}{\mu}$，其中$\mu$為摩擦系數(shù)，$\theta$為夾持面與重力夾角。然而實際工況中$\mu$并非定值，它隨表面粗糙度、污染介質(zhì)厚度、法向壓力呈非線性變化。實驗表明，油膜潤滑表面在低壓區(qū)摩擦系數(shù)隨壓力升高而增大，進入彈流潤滑區(qū)后反呈下降趨勢。若沿用恒定摩擦假設(shè)，極易低估所需法向力。

法向力上限受工件抗壓強度與許用變形約束。對于薄壁筒類工件，局部壓痕深度與夾持力呈指數(shù)關(guān)系，一旦超過彈性極限即產(chǎn)生不可逆形變。這一約束要求抓取力必須根據(jù)工件剛度實時縮放，而非單純依賴閾值保護。

動態(tài)力補償需引入慣性項修正。在機器人加速啟動瞬間，工件所受合外力方向指向運動反方向，若夾持力僅維持靜態(tài)平衡，必然發(fā)生相對滑動。理想抓取力應表達為$F(t) = F_{static} + m|\ddot{x}(t)|$，通過前饋路徑提前增加夾持力儲備。

三、抓取力控制策略的分類與演進

按照控制架構(gòu)的差異，當前抓取力控制策略可歸納為三類典型范式。

力/位混合控制將任務空間正交分解為力控子空間與位置控子空間。在機器人上下料中，常用于精定位放置階段：沿裝夾面法向執(zhí)行力控以保證接觸貼合，切向執(zhí)行位置控以滿足對位精度。該方法的局限在于需預知工件幾何模型與接觸面法向，對于表面曲率突變的毛坯件適應性不足。

阻抗控制通過調(diào)節(jié)末端剛度與阻尼，建立抓取力與位置偏差的動態(tài)關(guān)系。其優(yōu)勢在于無需頻繁切換控制模式，力與位置天然耦合。在抓取易碎件或剛性不足工件時，可設(shè)置低阻抗以緩沖接觸沖擊；抓取重載金屬件時提高阻抗以抑制振動。阻抗參數(shù)的整定通常依賴工件剛度辨識結(jié)果，盲適應仍是難點。

直接力伺服控制以內(nèi)環(huán)電流環(huán)或壓力閉環(huán)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)抓取力的高帶寬調(diào)節(jié)�，F(xiàn)代電動夾爪已可達到毫秒級階躍響應，配合滑�？刂苹蜃钥箶_算法，能夠在夾持接觸瞬間抑制力超調(diào)。針對上下料過程中的突發(fā)擾動，如機床切削振動經(jīng)夾具傳遞至工件，直接力伺服可實時補力以維持夾持穩(wěn)定性。

四、面向上下料場景的力控優(yōu)化路徑

• 接觸狀態(tài)感知的增強是力控優(yōu)化的前提。僅依靠指尖力傳感器屬于“隔靴搔癢”，難以感知夾持界面局部應力分布。在夾爪指面集成柔性觸覺陣列，可獲取接觸壓力云圖，早期識別偏載與邊緣接觸，及時調(diào)整夾持姿態(tài)或重新規(guī)劃抓取點。

• 工件剛度在線辨識是實現(xiàn)力控參數(shù)自適應的重要基礎(chǔ)。通過控制夾爪執(zhí)行小幅閉合動作，記錄力-位移曲線，在線擬合局部接觸剛度。對于剛度突變工件，如內(nèi)部有加強筋的殼體，辨識結(jié)果可指導夾持力分段設(shè)定，避免過保護或欠保護。

• 力控與軌跡規(guī)劃的協(xié)同能夠從源頭上降低抓取力需求。若機器人運動軌跡平滑、加減速曲線經(jīng)過優(yōu)化，則慣性擾動幅值顯著下降，所需抓取力安全余量亦可收窄。此外，將夾爪閉合動作與機器人入料運動融合，利用相對運動減小接觸沖擊，可實現(xiàn)“軟觸捕獲”。

結(jié)語

抓取力控制是機器人上下料由“抓得住”走向“抓得穩(wěn)、抓得準”的核心使能技術(shù)。隨著力覺傳感向陣列化、智能化演進，控制算法向自適應、學習型延展，抓取力已從單一的安全約束轉(zhuǎn)變?yōu)榭芍鲃诱{(diào)配的工藝參數(shù)。未來，面向數(shù)字孿生的力控預演、基于強化學習的抓取力策略自整定等技術(shù)將逐步成熟，推動機器人上下料在極端工況與超柔性生產(chǎn)中的深度應用。對這一基礎(chǔ)力學問題的持續(xù)解析，仍將是自動化技術(shù)創(chuàng)新的重要源泉。

機器人上下料中放料精度與柔性要求的平衡與實現(xiàn)