机械臂关节模组的控制模式

在机器人关节模组（执行器）中，控制模式决定了“发什么指令，执行什么”。常见的底层控制模式主要分为位置、速度、力矩（电流） 三大类，以及在此基础上衍生的高级混合模式（如MIT模式），下面按底层物理量、通信同步方式、以及混合控制三个维度来系统梳理。

一、按控制的基本物理量分类（最根本）

这是所有模式的基础，决定了驱动器最终在闭环什么物理量。

三者本质区别：

• 位置模式：不管有多重，必须到达这个点，力是任意大的，直到达到位置。
• 速度模式：不管走多远，必须按这个速度转，力自适应。
• 力矩模式：用这个大小的力推，到哪里我不管，是真正的力源。

二、按工业总线同步方式分类

在工业机器人中，通过 EtherCAT 总线通信时，常以 CSP、CSV、CST 作为同步运行模式。

CSP vs PP：

• CSP：轨迹规划在控制器（如工控机），每1ms发送一次位置，运动平滑。
• PP：发一个目标位置和速度，驱动器自己算轨迹，简单但多轴同步性差。

机器人的实际情况： 如果使用 EtherCAT 伺服，CSP 就是标准的位置模式同步版。导纳控制器输出位置修正量，可叠加到 CSP 指令中，所以位置模式足以实现导纳控制，如果未来想做直接力控或阻抗控制，需要切换到 CST 模式。

三、按高级混合模式分类

这是学术界和协作机器人领域常提到的“MIT模式”，本质是关节层面的阻抗控制。

• MIT模式（因 MIT Cheetah 机器人闻名）

控制器发期望位置、期望速度、前馈力矩、位置刚度 Kp、速度阻尼 Kd，驱动器执行如下控制律，这是一个关节空间阻抗控制器

物理意义是将关节看作一个弹簧-阻尼系统，刚度 Kp可调，力前馈 τff 可用于抵消重力或动力学补偿，用于足式机器人（Cheetah）、需要柔顺交互的关节的场景，本质上是位置+力矩的混合。

• 类似模式：
  • 力位混合控制：在约束空间力控，自由空间位置控。
  • 导纳控制：外环力反馈，输出位置/速度修正给内环位置/速度模式，这是清洁模组的方案。
  • 阻抗控制：外环位置/速度反馈，输出力矩给力矩模式内环。通常用于有关节力矩传感器的机器人。

MIT模式与导纳控制的区别：

• MIT模式是关节层的阻抗控制，输入是关节期望位置、刚度、阻尼，输出关节力矩。
• 导纳控制是笛卡尔空间的，输出位置修正，再通过逆运动学转成关节位置发给位置环，实现上更简单，不需要关节力矩环。

四、各模式应用对比

五、工程建议

1. 现阶段核心模式：CSP（或基础位置模式）。 架构“导纳外环 → 位置修正 → 逆运动学 → 关节位置指令”与 CSP 天然契合。导纳本质是生成一条动态的轨迹，位置环负责执行，稳定且调试简单。
2. 力控精度保证在末端六维力传感器，不依赖关节力矩，所以无需追求 CST 或 MIT 模式。
3. 若未来想实现“零力拖动示教”，则需要动力学补偿下的 CST 模式或 MIT 模式，让关节输出恰好抵消重力和摩擦力的力矩，使人可轻松拖拽。
4. 总线选择：如果使用 EtherCAT 伺服，务必使用 CSP 模式（或 CSV），保证多轴同步和实时性。PP 模式多轴难以精确联动，不建议用于清洁轨迹。

清楚区分“关节空间的位置/速度/力矩模式”与“笛卡尔空间的导纳/阻抗控制”的层级关系，是做出合适选择的根本，目前的“位置模式+导纳外环”已是业界最成熟、最适合工业任务的力控方案。