柔顺控制十年演进
摘要: 2015-2025年,柔顺控制技术推动机器人从刚性碰撞迈向生物本能交互。技术演进分三阶段: 被动柔顺(2015-2017):依赖机械缓冲(如弹簧),柔性固定且精度低; 主动柔顺(2018-2022):通过阻抗控制算法模拟可变刚度,实现协作机器人安全交互; 具身智能(2023-2025):结合视触觉预测与强化学习,实现全身动态柔顺和语义驱动响应。 2025年技术突破包括eBPF内核级安全监控
柔顺控制(Compliance Control) 的十年(2015–2025),是机器人从“刚性碰撞”向“生物本能”进化的核心篇章。
这十年的演进本质上是解决了机器人与物理世界交互时的**“对抗”**问题。如果说 2015 年的机器人是一个“不知轻重”的铁块,那么 2025 年的具身智能体则拥有了类似人类肌肉的“张力调节能力”。
一、 技术路径的三大代际演进
1. 被动柔顺与机械缓冲时代 (2015–2017) —— “物理挡箭牌”
- 核心特征: 依靠机械柔性(如弹簧、气动吸盘、柔性夹爪)。
- 技术逻辑: 在关节或末端加装弹性元件(如 RCC 顺应装置)。当发生碰撞时,依靠物理形变来吸收能量。
- 痛点: * 不可控: 柔性是固定的,无法根据任务需求调整“软硬”。
- 精度丧失: 因为系统变“软”了,末端的定位精度会大幅下降。
2. 主动柔顺与阻抗控制期 (2018–2022) —— “数学上的温柔”
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核心技术: 阻抗控制(Impedance Control)、导纳控制(Admittance Control)。
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技术突破:
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传感器集成: 关节内置力矩传感器或使用高精度电流环估算力矩。
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算法模拟弹簧: 工程师通过控制算法,让刚性的关节表现得像一个“虚拟弹簧”。你可以设定机器人摸到物体时的“刚度 (K)”和“阻尼 (D)”。
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里程碑: 协作机器人(Collaborative Robots)爆发,人类可以手动拖拽示教,机器人受到阻力会立即停机或顺势避让。
3. 具身智能与神经物理本能时代 (2023–2025) —— “全闭环顺应”
- 2025 现状:
- 全身柔顺(Whole-Body Compliance): 2025 年的人形机器人不再只是手部柔顺。当它在拥挤人群中行走时,肩膀、躯干受到侧碰会产生极其自然的重心代偿和顺势摆动。
- 视触觉预测柔顺: 结合 Vision-Tactile。机器人在手接触物体前,就已经通过视觉预判了物体的材质(如海绵还是玻璃),并提前调整了关节的物理特性。
- 端到端力控大模型: 柔顺性不再需要繁琐的增益调优,而是由 RL(强化学习) 训练出的本能。
二、 柔顺控制核心维度十年对比表
| 维度 | 2015 (被动柔顺) | 2025 (具身主动柔顺) | 核心跨越点 |
|---|---|---|---|
| 实现方式 | 物理弹簧 / 橡胶垫 | 算法控制的“虚拟肌肉” | 实现了刚度的动态可调 |
| 感知反馈 | 无或简单的限位开关 | 多维力矩 + 视触觉 + IMU | 实现了全方位的环境感知闭环 |
| 控制带宽 | 极低 | **** | 响应速度快到能抵消高频冲击 |
| 应用场景 | 简单的精密装配 | 精细手术 / 家务 / 人机共舞 | 进入了高动态、非结构化环境 |
| 安全机制 | 碰撞后停机 | 本质柔顺 / eBPF 内核级审计 | 从“事后补救”变为“物理本能安全” |
三、 2025 年的技术巅峰:eBPF 与亚毫秒级柔顺闭环
在 2025 年,柔顺控制的瓶颈不在于算法,而在于系统时延。为了实现“如丝般顺滑”的反馈,系统架构经历了革命:
- eBPF 内核级柔顺哨兵 (Compliance Guard):
由于具身智能大模型推理可能存在波动,2025 年的系统利用 eBPF 在内核层建立了“物理安全包络”。
- 瞬时响应: eBPF 监控器直接在驱动层审计末端反馈的阻力。如果探测到异常碰撞,它能在 **** 内绕过应用层逻辑,强制切换为“零力矩模式”,防止造成伤害。
- 准直接驱动 (QDD) 的普及:
2025 年的主流关节取消了高减速比。这种物理上的“透明性”让驱动器能敏锐感受到指尖掠过丝绸的阻力,为柔顺控制提供了最干净的底层数据。 - 阻抗参数的生成式演进:
机器人现在通过观察人类动作视频,利用生成式模型学习不同任务下的柔顺策略。例如:在拧螺丝时保持高刚度,而在递给小孩玩具时保持超低刚度,这一切都是语义驱动的。
四、 总结:从“防碰撞”到“触觉交互”
过去十年的演进,是将柔顺控制从一个**“保护协议”重塑为“智能体与世界交流的语言”**。
- 2015 年: 你在给机器人加装厚厚的防撞条。
- 2025 年: 机器人在为你按摩时,能根据你肌肉的紧张程度实时调整按压的柔韧性。
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