机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统吗?(一)

作者认为机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统,并举出几个应用从技术角度解释验证。
可以呀。


首先,我对控制的理解,就是通过控制算法将目标状态构造成系统稳定点。这种稳定点既可以靠控制算法实现,也可以靠机构实现。


最经典的一个例子就是瓦特改进蒸汽机时加的离心式调速器(就上图中间那带有两个小球的东西)。当转速过快的时候,离心力会把球甩出去,从而将阀门下压,让速度减下来。



目前很常见的控制液面高度的浮力开关也类似。



另外, @袁博融 所提到的蟑螂的例子(知乎用户:机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统吗?)实际上在足式机器人领域已经有应用到。




这一块我没有长期跟踪过,不太清楚这个领域的起源。但是目前在足式机器人领域有一种六足 C 型腿,可以不采用任何传感器的反馈信息,通过最简单的控制策略,在不同地形上飞奔。


工业机器人领域有一个问题是用机器人装配插孔(peg-in-hole),学术界一般的做法是需要配备高质量的力传感器,并采用复杂的力控与搜索算法来完成。

然而,我在跟日本Yaskawa交流的时候,发现他们在实际应用时,可以在机器人末端放一个特定刚度的弹簧,在很多场景下也可以解决 peg-in-hole 的问题。(当然,适用场景没有基于力控的多)
 

对于手术机器人需要保持插入人体的那个孔位置不变,这就需要用控制算法实现

然而,也可以采用平行四边形机构来保持目标点位置不变。


对于做机器人的来说,我们一般比较强调机电一体化。在我们眼中,弹簧提供的控制增益 k_s 与控制算法提供的控制增益 k_c 是完全等效的。换句话说,巧妙的控制算法与巧妙的机构没有区别。只要能以最低的成本(硬件成本、研发成本、学习成本等)实现功能,就是好方法。
 
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