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依托于計算機、自動化技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)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(yè)，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(chǎn)業(yè)迎來高速發(fā)展期，產(chǎn)業(yè)規(guī)模開始不斷擴大，平均增長率高達30%。根據(jù)中國電子學會發(fā)布的《中國機器人產(chǎn)業(yè)報告（2018）》顯示，中國機器人市場規(guī)模達到84.7億美元。

在工業(yè)機器人應用中，采用傳統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)的伺服系統(tǒng)在高動態(tài)軌跡指令時會產(chǎn)生明顯的機械振動，從而導致工業(yè)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(yè)機器人減速機傳遞轉(zhuǎn)矩過大而損壞軸系系統(tǒng)并降低使用壽命，更嚴重者甚至會直接使工業(yè)機器人報廢。作為工業(yè)機器人動力輸出的伺服系統(tǒng)，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(xiàn)象是目前工業(yè)機器人關(guān)節(jié)伺服控制系統(tǒng)研究的一個重點問題。

學術(shù)界主要基于振動模型設(shè)計控制方法，通常會結(jié)合額外的狀態(tài)反饋，其中包括減速機柔性轉(zhuǎn)矩、工業(yè)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(zhuǎn)矩反饋到控制回路，等效于將系統(tǒng)的固有機械頻率提高并遠離系統(tǒng)的控制帶寬，從而避免振動?；？刂?、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(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)完全不同，且實現(xiàn)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(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。加入低通濾波器往往會大幅降低系統(tǒng)的帶寬，在一定程度上可以降低振動，但有時還會出現(xiàn)電機側(cè)無振動機械臂桿卻明顯存在振動的現(xiàn)象。

陷波濾波器可以過濾掉指定頻率的信號分量，設(shè)置準確的陷波頻率，可以將伺服控制環(huán)內(nèi)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(zhuǎn)矩無振動。然而工業(yè)機器人機械臂在空間內(nèi)運動時，其每個關(guān)節(jié)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(tǒng)不穩(wěn)定。

工業(yè)機器人應用技術(shù)入門

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為了抑制低剛度機器人伺服系統(tǒng)出現(xiàn)的振動，清華大學電機工程與應用電子技術(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)機器人單關(guān)節(jié)的彈性傳動模型，基于內(nèi)?？刂圃硖岢鲆环N工業(yè)機器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)振動抑制算法。有關(guān)研究成果已發(fā)布于2019年《電工技術(shù)學報》第3期，論文題目為“一種基于內(nèi)模控制的工業(yè)機器人關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)振動抑制算法”。

低剛度工業(yè)機器人關(guān)節(jié)等效測試平臺

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現(xiàn)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(tǒng)伺服控制器的基本控制結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)對振動的抑制。仿真與實驗結(jié)果表明：該方法簡單可行，能有效抑制低剛度機器人關(guān)節(jié)系統(tǒng)在定位時產(chǎn)生的振動，且具有較強的參數(shù)魯棒性，易于在現(xiàn)有伺服控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，具有工程可實用性。

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)計原理簡單、魯棒性好等優(yōu)點，逐漸得到了國內(nèi)外學者的關(guān)注?；趦?nèi)?？刂圃O(shè)計的控制器，往往具有傳統(tǒng)反饋PI控制的結(jié)構(gòu)，同時在此基礎(chǔ)上增加一個控制環(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)用于增強系統(tǒng)的抗擾動性，因此還具有參數(shù)整定直觀的優(yōu)點。