19小时前 机器人硬件性能的不足，能不能通过软件调回来？

出品：机器人技术笔记

硬件方案确定以后，机器人的表现仍然有调整空间。通过标定、补偿和控制优化，一些不足可以得到明显改善。但判断一套方案是否可行，还要看这些改善伴随着什么代价，以及实际应用能不能接受。

同一台机器人，可以调得动作更平稳，也可以调得响应更快；可以更努力地保持位置，也可以在受到外力时更容易让开。这些目标有时能一起改善，有时却会相互牵制。

当硬件方案和成本已经确定，软件还有多少优化空间，就需要放到具体任务里讨论。装配误差、关节摩擦和机械臂刚度，是三个很典型的例子。

一、装配误差

机器人的控制程序需要知道各段连杆有多长、关节轴线在哪里，以及每个关节的零位是什么。

设计图纸给出的是名义值，装配完成后的机器却总会存在偏差。如果控制器仍然按照理想尺寸计算，就可能出现这样的情况：它认为末端已经到了目标位置，实际位置却还差一点。

对于能够测量、建模，而且相对稳定的误差，可以通过标定修正模型，让控制器按照这台机器的实际情况计算。动力学参数存在偏差时，也可以通过辨识改善重力补偿和运动控制。

这类方法很有价值。但从一台样机走向批量产品，问题就会发生变化。

如果每台机器的装配偏差都不一样，一套通用参数就不够了。每台机器都需要测量、计算、写入参数，再验证补偿效果。

这些步骤可以自动化，却仍然需要设备、工位和生产时间。原本希望在加工或装配环节省下的成本，可能有一部分转移到了出厂标定环节。

更麻烦的是，出厂时测准了，不代表使用过程中一直准确。

温度变化、磨损、连接松动，以及维修后的重新装配，都可能使机器的实际状态偏离原来的模型。变化超出补偿能力以后，就需要重新检查和标定。

这不意味着所有机器人都必须周期性返厂。有些系统可以现场标定，有些能够利用已有传感器更新部分参数。但如果目标精度依赖专用测量设备，客户现场又不具备条件，那么重新标定就可能带来停机、运输和服务成本。

因此，装配误差能不能交给软件补偿，需要连着问下去：

每台标定要花多久？参数能稳定多久？变化以后，谁来重新测量？

如果客户无法接受相应的维护频率，那么出厂时补得再准，也还没有解决整个使用周期的问题。

二、关节摩擦

关节摩擦大，机械臂在低速运动、启动和换向时，就更容易出现卡顿或跟踪误差。

一种常见办法是先辨识摩擦，再做前馈补偿：控制器根据运动状态，提前给电机增加一部分力矩，用来抵消预计的摩擦。剩下的误差，再由 PID 等反馈控制修正。

这样做通常能改善运动表现。对于轨迹固定、负载变化不大的重复任务，补偿效果也更容易验证。

但如果任务需要机械臂感受外力，并且顺着接触作出响应，就要多考虑一层。

尤其在没有独立力传感器、主要依靠电机电流和动力学模型估算外力的系统中，控制器需要分清：电机多出的这部分力矩，究竟用来克服内部摩擦，还是用来抵抗外部接触？

摩擦模型有误差，外力估计就会受到影响。低速、换向，以及摩擦随温度和使用状态变化时，这个问题会更加突出。

如果为了压住跟踪误差，进一步提高位置控制增益，机械臂受到外力时，也会更努力地回到原来的位置。

对于搬运任务，这种抵抗扰动的能力可能正是需要的。但对于需要贴着表面运动、顺应工件位置偏差的任务，过强的位置纠偏就可能带来更大的接触力。

软件补偿不能保证摩擦较大的关节在所有工况下都表现得像低摩擦关节一样。

对于固定重复任务，软件补偿可能已经足够；但如果任务同时要求低速平稳、轻微外力感知和柔顺响应，就需要评估关节本身的摩擦是否已经成为瓶颈。此时继续调参，未必能替代对传动和摩擦条件的改善。

三、机械臂刚度

机械臂受力以后，连杆会弯曲，传动系统也可能发生弹性变形。

对于串联机械臂，在单个环节的结构和刚度相近时，串联环节越多，各处弹性变形越容易累积，末端的等效刚度通常也越差。一个关节上的微小变形，经过后续连杆传递，也可能在末端形成明显偏差。

这时，电机转到了目标角度，并不意味着末端就一定到了目标位置。特别是只测量电机侧位置、没有直接测到输出侧变形的系统，控制器看到的误差，可能小于末端实际存在的误差。

动作一快，弹性还可能表现为振动。机械臂在加减速、换向或者停下时，末端会出现额外摆动。

通过调整控制参数、增加阻尼、做轨迹平滑等方法，可以改善这些现象。但不能简单理解成，调一下 PID 就把机械臂的刚度补回来了。

机械结构仍然会变形，控制器能够做的是利用已有测量和驱动能力，减小变形或振动对任务的影响。

如果采用降低控制增益、加强滤波，或者放缓加减速的办法，常常能让动作平稳下来。相应的代价，可能是响应变慢、跟踪滞后增加，或者完成同一个动作需要更长时间。

对于只要求到点抓取、允许停稳后操作的任务，这可能完全可以接受。动作慢一点，但能稳定完成任务，就是有效方案。

对于要求边运动边加工、沿规定轨迹连续作业的任务，情况就不同了。末端最终能到位，并不能说明运动过程中的轨迹符合要求；停下来以后很稳，也不能说明高速运行时足够准确。

对于刚度不足的机械臂，软件调节往往需要在运动平稳性、响应速度和轨迹精度之间取舍。

如果只有把速度降下来才能走准，那么速度降低就是方案的一部分，需要和精度改善一起评估。

四、软件优化的关键在取舍

这三个例子，对应着不同的补偿代价。

装配误差可以通过标定减小，但可能增加逐台生产和后续维护的成本。

关节摩擦可以通过辨识、前馈和反馈控制改善，但轨迹跟踪与柔顺交互需要分别验证。

刚度不足可以通过控制和轨迹优化减轻影响，但某些方案需要降低响应速度或运行节拍。

这些代价未必不能接受。

一个工作节拍宽松的搬运任务，可能并不需要很高的动态轨迹精度。一个完全固定的重复作业，也可能不需要灵敏的接触响应。只要舍掉的性能不影响任务，软件补偿就可能是经济、合理的选择。

同时，也不必把所有软件优化都理解成性能交换。模型不准确、控制设计不合适时，改进软件确实可能让多个指标一起变好。只是随着这些空间逐渐被用足，继续提升某一方面性能，通常就更容易碰到其他约束。

所以，“硬件不够，软件来补”能不能成立，最终要落到一组具体条件上：要求多快、负载多大、允许多少误差、需要怎样的接触响应，以及客户能接受多少维护。

在这些条件下仍然达标，补偿方案就有价值。

工程上真正要评估的是：改善了什么，付出了什么，以及被舍掉的部分，是否确实在应用能够接受的范围内。