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依托于計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)機(jī)器人的性能不斷提高，從最初應(yīng)用于裝配與物流搬運(yùn)行業(yè)，到在機(jī)械加工、焊接、打磨拋光等高精度場(chǎng)合廣泛運(yùn)用。2013-2017年，我國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迎來高速發(fā)展期，產(chǎn)業(yè)規(guī)模開始不斷擴(kuò)大，平均增長(zhǎng)率高達(dá)30%。根據(jù)中國(guó)電子學(xué)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)報(bào)告（2018）》顯示，中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到84.7億美元。

在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，采用傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的伺服系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)軌跡指令時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的機(jī)械振動(dòng)，從而導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人定位精度與響應(yīng)速度降低。長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人減速機(jī)傳遞轉(zhuǎn)矩過大而損壞軸系系統(tǒng)并降低使用壽命，更嚴(yán)重者甚至?xí)苯邮构I(yè)機(jī)器人報(bào)廢。作為工業(yè)機(jī)器人動(dòng)力輸出的伺服系統(tǒng)，應(yīng)具有較高的瞬時(shí)過載能力、跟蹤精度、響應(yīng)能力以及良好的通用性和擴(kuò)展性。因此，降低振動(dòng)現(xiàn)象是目前工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)研究的一個(gè)重點(diǎn)問題。

學(xué)術(shù)界主要基于振動(dòng)模型設(shè)計(jì)控制方法，通常會(huì)結(jié)合額外的狀態(tài)反饋，其中包括減速機(jī)柔性轉(zhuǎn)矩、工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂末端位置信息等。比例諧振控制就是通過將減速機(jī)的柔性轉(zhuǎn)矩反饋到控制回路，等效于將系統(tǒng)的固有機(jī)械頻率提高并遠(yuǎn)離系統(tǒng)的控制帶寬，從而避免振動(dòng)。滑模控制、模型預(yù)測(cè)控制也被研究者應(yīng)用在機(jī)器人伺服控制中，但這些算法與傳統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)完全不同，且實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，又對(duì)模型的準(zhǔn)確性依賴較高，在實(shí)際中并沒有得到推廣應(yīng)用。

目前，已在工程應(yīng)用的方法主要是在原有的控制結(jié)構(gòu)上加入低通濾波器、陷波濾波器等，通過設(shè)置合適的頻率來抑制振動(dòng)。加入低通濾波器往往會(huì)大幅降低系統(tǒng)的帶寬，在一定程度上可以降低振動(dòng)，但有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)電機(jī)側(cè)無(wú)振動(dòng)機(jī)械臂桿卻明顯存在振動(dòng)的現(xiàn)象。

陷波濾波器可以過濾掉指定頻率的信號(hào)分量，設(shè)置準(zhǔn)確的陷波頻率，可以將伺服控制環(huán)內(nèi)部由機(jī)械諧振特性造成的指令波動(dòng)有效濾除，從而保證電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?zé)o振動(dòng)。然而工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂在空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其每個(gè)關(guān)節(jié)上的等效慣量也在不停地變化，導(dǎo)致其諧振頻率也隨之變化，當(dāng)陷波濾波器陷波頻率與諧振頻率不一致時(shí)，便無(wú)法有效抑制振動(dòng)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)入門

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為了抑制低剛度機(jī)器人伺服系統(tǒng)出現(xiàn)的振動(dòng)，清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系的黃宣睿、宋宇洋、肖曦，清能德創(chuàng)電氣技術(shù)（北京）有限公司的李秋生等，根據(jù)工業(yè)機(jī)器人單關(guān)節(jié)的彈性傳動(dòng)模型，基于內(nèi)模控制原理提出一種工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)振動(dòng)抑制算法。有關(guān)研究成果已發(fā)布于2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》第3期，論文題目為“一種基于內(nèi)模控制的工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)振動(dòng)抑制算法”。

低剛度工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)等效測(cè)試平臺(tái)

該算法通過在傳統(tǒng)伺服控制器位置環(huán)與速度環(huán)之間添加抑振濾波器實(shí)現(xiàn)振動(dòng)抑制，無(wú)需額外的傳感器與復(fù)雜的控制算法，無(wú)需改變傳統(tǒng)伺服控制器的基本控制結(jié)構(gòu)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)的抑制。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該方法簡(jiǎn)單可行，能有效抑制低剛度機(jī)器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)在定位時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)，且具有較強(qiáng)的參數(shù)魯棒性，易于在現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，具有工程可實(shí)用性。

據(jù)了解，內(nèi)模控制是一種從化工過程控制中發(fā)展起來的控制方法，具有設(shè)計(jì)原理簡(jiǎn)單、魯棒性好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。基于內(nèi)模控制設(shè)計(jì)的控制器，往往具有傳統(tǒng)反饋PI控制的結(jié)構(gòu)，同時(shí)在此基礎(chǔ)上增加一個(gè)控制環(huán)節(jié)，PI控制器用于調(diào)整系統(tǒng)的跟隨性能，額外的控制環(huán)節(jié)用于增強(qiáng)系統(tǒng)的抗擾動(dòng)性，因此還具有參數(shù)整定直觀的優(yōu)點(diǎn)。