工业机器人是人机一体化智能系统的重要组成部分，其被大范围的应用于焊接、搬运、装配、喷涂、打磨等各类制造工艺中。传统的工业机器人主要是采用位置控制模式，即控制机器人末端按照预设的位置轨迹进行运动，适合用于那些对位置精度要求高、对力控制要求不高的应用场合。然而，对某些需要与工件进行物理接触并控制接触力的应用（如打磨、抛光、去毛刺、装配等），仅采用位置控制模式往往难以获得良好的工艺质量，甚至有可能导致工具或工件的损坏。力位混合控制（Hybrid Force/Position Control）通过在机器人的控制管理系统中同时引入位置控制和力控制两个控制回路，能够在保证位置精度的同时，精确地控制机器人末端与工件之间的接触力，从而满足复杂工艺的应用需求。

  力位混合控制的基础原理是根据任务空间的约束条件，将机器人的自由度分解为力控方向（Force-Controlled Directions）和位控方向（Position-Controlled Directions），并在不同的方向上分别实施力控制和位置控制。在力控方向上，机器人末端的运动由力控制器调节，以保证实际接触力与期望接触力一致；在位控方向上，机器人末端的运动由位置控制器调节，以保证实际位置与期望位置一致。力位混合控制的重点是如何正确地选择力控方向和位控方向，并建立合适的力控制算法和位置控制算法。通常，力控方向和位控方向的选择取决于具体的工艺任务，例如，在打磨工艺中，通常将垂直于工件表面的方向设为力控方向（以保证打磨压力恒定），将平行于工件表面的方向设为位控方向（以保证打磨轨迹的精度）。

  力/力矩传感器是工业机器人实现力位混合控制的关键硬件设备。力/力矩传感器通常安装在机器人末端法兰与工具之间，用于实时测量机器人末端与工具（或工件）之间的相互作用力和力矩。根据测量原理的不同，力/力矩传感器能分为应变片式、压电式、电容式和光学式等。应变片式力/力矩传感器具有成本低、量程大、精度适中等优点，适合用于大多数工业应用；压电式力/力矩传感器具有刚性高、动态响应快、分辨率高等优点，适合用于高频力控制或微力测量应用；电容式力/力矩传感器具有灵敏度较高、迟滞小、功耗低等优点，适合用于微装配或精密力测量应用；光学式力/力矩传感器具有抗干扰能力强、绝缘性能好、便于远距离传输等优点，适合用于强电磁干扰环境或需要电气隔离的应用。某品牌工业机器人采用了六维力/力矩传感器，其量程为200N（Fx, Fy, Fz）和15N·m（Mx, My, Mz），精度达到0.5%FS，能够很好的满足打磨、装配等复杂工艺的应用需求。

  力位混合控制算法是实现工业机器人力位混合控制的核心软件模块。力位混合控制算法通常包括力控制算法和位置控制算法两部分，并一定要通过任务空间分解矩阵（Selection Matrix）将机器人的关节空间控制量分解为力控方向上的控制量和位控方向上的控制量。力控制算法通常有阻抗控制（Impedance Control）、导纳控制（Admittance Control）和直接力控制（Direct Force Control）等。阻抗控制是经过控制机器人末端与环境的动态关系（即阻抗关系），来间接控制接触力，具有稳定性高、对传感器噪声不敏感等优点；导纳控制是通过将期望的力偏差转换为期望的位置修正量，来实现力控制，具有实现简单、便于与位置控制结合等优点；直接力控制是通过PID或鲁棒控制算法，直接控制机器人末端的作用力，具有力跟踪精度高、响应速度快等优点，但稳定性较差，对传感器噪声敏感。某工业机器人企业在力位混合控制中采用了阻抗控制算法，并设计了自适应阻抗参数调整策略，可以依据接触刚度的变化自动调整阻抗参数，明显提高了力控制的鲁棒性和适应性。

  打磨工艺是工业机器人力位混合控制的典型应用之一。打磨工艺是指通过磨具（如砂轮、砂带、抛光轮等）对工件表明上进行切削或抛光，以去除表面缺陷、提高表面上的质量或改变表面形状。打磨工艺对力控制的要求很高，因为打磨压力直接影响打磨质量（如表面粗糙度、材料去除率等）和磨具寿命。如果打磨压力过小，会导致材料去除率低、表面上的质量差；如果打磨压力过大，会导致磨具磨损快、工件表面烧伤甚至变形。采用力位混合控制的工业机器人打磨系统，能够在保证打磨轨迹精度的同时，精确地控制打磨压力，从而获得稳定一致的打磨质量。

  在实际的工业机器人打磨应用中，力位混合控制管理系统的实现常常要考虑以下几个核心问题：首先是打磨路径规划，即根据工件的三维模型和打磨工艺技术要求，规划出机器人末端的期望运动轨迹，并考虑打磨工具的姿态和打磨压力的方向；其次是接触刚度辨识，即估计机器人末端与工件之间的接触刚度，以便设计合适的力控制参数；第三是工具磨损补偿，即监测打磨工具的磨损状态，并根据磨损状态调整打磨压力或打磨时间，以保证打磨质量的一致性；第四是安全保护，即设置力超限保护、位置超限保护和碰撞检测等功能，避免机器人、工具或工件的损坏。某航空航天制造企业采用力位混合控制的工业机器人进行飞机叶片的打磨加工，通过精确的力控制和路径规划，将叶片型面精度从±0.2mm提高至±0.05mm，表面粗糙度从Ra3.2μm降低至Ra0.8μm，明显提升了叶片的性能和寿命。

  未来，随着力控技术、传感器技术和人工智能技术的持续不断的发展，工业机器人的力位混合控制将朝着更精确、更智能、更适应复杂环境和更易于使用的方向发展。新型力/力矩传感器（如基于MEMS技术的微型力传感器、基于光纤技术的分布式力传感器等）的应用将使得机器人能够感知更微弱的力信号和更复杂的力分布；新型力控制算法（如基于AI的自适应力控制、基于阻抗辨识的力控制等）的应用将使得机器人能适应更复杂的接触环境和更动态的工艺过程；新型编程方式（如示教编程、离线编程、自主编程等）的应用将使得非专业人员也能快速部署和调试力位混合控制机器人系统，降低使用门槛和成本。这些新技术的应用，将推动工业机器人在打磨、装配、医疗手术等复杂工艺中的更广泛应用，为人机一体化智能系统的发展提供有力支撑。

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