- 頭條研究發現：加裝抑振濾波器可有效抑制機器人關節振動2019-08-13 作者：劉星 | 來源：《電氣技術》雜志社 | 點擊率：導語在工業機器人應用中，采用傳統控制結構的伺服系統在高動態軌跡指令時會產生明顯的機械振動，從而導致工業機器人定位精度與響應速度降低。長時間的振動會導致工業機器人減速機傳遞轉矩過大而損壞軸系系統并降低使用壽命，更嚴重者甚至會直接使工業機器人報廢。作為工業機器人動力輸出的伺服系統，應具有較高的瞬時過載能力、跟蹤精度、響應能力以及良好的通用性和擴展性。因此，降低振動現象是目前工業機器人關節伺服控制系統研究的一個重點問題。
依托于計算機、自動化技術的快速發展，工業機器人的性能不斷提高，從最初應用于裝配與物流搬運行業，到在機械加工、焊接、打磨拋光等高精度場合廣泛運用。2013-2017年，我國機器人產業迎來高速發展期，產業規模開始不斷擴大，平均增長率高達30%。根據中國電子學會發布的《中國機器人產業報告（2018）》顯示，中國機器人市場規模達到84.7億美元。
在工業機器人應用中，采用傳統控制結構的伺服系統在高動態軌跡指令時會產生明顯的機械振動，從而導致工業機器人定位精度與響應速度降低。長時間的振動會導致工業機器人減速機傳遞轉矩過大而損壞軸系系統并降低使用壽命，更嚴重者甚至會直接使工業機器人報廢。作為工業機器人動力輸出的伺服系統，應具有較高的瞬時過載能力、跟蹤精度、響應能力以及良好的通用性和擴展性。因此，降低振動現象是目前工業機器人關節伺服控制系統研究的一個重點問題。
學術界主要基于振動模型設計控制方法，通常會結合額外的狀態反饋，其中包括減速機柔性轉矩、工業機器人機械臂末端位置信息等。比例諧振控制就是通過將減速機的柔性轉矩反饋到控制回路，等效于將系統的固有機械頻率提高并遠離系統的控制帶寬，從而避免振動。滑模控制、模型預測控制也被研究者應用在機器人伺服控制中，但這些算法與傳統的控制結構完全不同，且實現較為復雜，又對模型的準確性依賴較高，在實際中并沒有得到推廣應用。
目前，已在工程應用的方法主要是在原有的控制結構上加入低通濾波器、陷波濾波器等，通過設置合適的頻率來抑制振動。加入低通濾波器往往會大幅降低系統的帶寬，在一定程度上可以降低振動，但有時還會出現電機側無振動機械臂桿卻明顯存在振動的現象。
陷波濾波器可以過濾掉指定頻率的信號分量，設置準確的陷波頻率，可以將伺服控制環內部由機械諧振特性造成的指令波動有效濾除，從而保證電機輸出轉矩無振動。然而工業機器人機械臂在空間內運動時，其每個關節上的等效慣量也在不停地變化，導致其諧振頻率也隨之變化，當陷波濾波器陷波頻率與諧振頻率不一致時，便無法有效抑制振動，甚至導致系統不穩定。
為了抑制低剛度機器人伺服系統出現的振動，清華大學電機工程與應用電子技術系的黃宣睿、宋宇洋、肖曦，清能德創電氣技術（北京）有限公司的李秋生等，根據工業機器人單關節的彈性傳動模型，基于內模控制原理提出一種工業機器人關節伺服系統振動抑制算法。有關研究成果已發布于2019年《電工技術學報》第3期，論文題目為“一種基于內模控制的工業機器人關節伺服系統振動抑制算法”。
低剛度工業機器人關節等效測試平臺
該算法通過在傳統伺服控制器位置環與速度環之間添加抑振濾波器實現振動抑制，無需額外的傳感器與復雜的控制算法，無需改變傳統伺服控制器的基本控制結構，即可實現對振動的抑制。仿真與實驗結果表明：該方法簡單可行，能有效抑制低剛度機器人關節系統在定位時產生的振動，且具有較強的參數魯棒性，易于在現有伺服控制系統中實現，具有工程可實用性。
據了解，內模控制是一種從化工過程控制中發展起來的控制方法，具有設計原理簡單、魯棒性好等優點，逐漸得到了國內外學者的關注。基于內模控制設計的控制器，往往具有傳統反饋PI控制的結構，同時在此基礎上增加一個控制環節，PI控制器用于調整系統的跟隨性能，額外的控制環節用于增強系統的抗擾動性，因此還具有參數整定直觀的優點。
