01

提高工業(yè)機(jī)器人軌跡精度的緣由

提高工業(yè)機(jī)器人軌跡精度很大的一部分原因就是為了滿(mǎn)足現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的發(fā)展需求。 在2018年之前，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人主要的集中于搬運(yùn)、上下料、分揀、焊接等應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人主要是點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式，對(duì)工業(yè)機(jī)器人軌跡運(yùn)動(dòng)要求不高，能夠滿(mǎn)足當(dāng)時(shí)的客戶(hù)需求。

但是到了2018年，根據(jù)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)，由于國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在搬運(yùn)、上下料等應(yīng)用領(lǐng)域的準(zhǔn)確切入，使得2013-2017年都保持著較快的增長(zhǎng)，直到2018年，國(guó)產(chǎn)機(jī)器人銷(xiāo)量增率出現(xiàn)首次下滑。

2013—2018年中國(guó)工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)銷(xiāo)量情況

雖然國(guó)產(chǎn)廠(chǎng)家也可以生產(chǎn)多關(guān)節(jié)工業(yè)機(jī)器人，特別是六軸工業(yè)機(jī)器人，但由于缺乏核心技術(shù)以及核心零部件，在穩(wěn)定性、精度、使用壽命和故障率等方面與以“四大家族”為代表的國(guó)外品牌相比還有較大差距，技術(shù)實(shí)力的不足制約了國(guó)產(chǎn)機(jī)器人在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。 為了進(jìn)一步搶占市場(chǎng)，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人諸多廠(chǎng)家意識(shí)到，除了要擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)機(jī)器人產(chǎn)量，提高企業(yè)產(chǎn)能，還要提升國(guó)產(chǎn)機(jī)器人的性能，如穩(wěn)定性、精度、可靠性等。于是，部分企業(yè)加大研發(fā)投入，探索關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)模式，通過(guò)與高校、科研院所等多種方式的合作，使產(chǎn)品逐漸向中高端應(yīng)用領(lǐng)域邁進(jìn)，如：激光切割、精密點(diǎn)膠、液晶搬運(yùn)等。

工業(yè)機(jī)器人在中高端應(yīng)用領(lǐng)域主要有以下要求：1）能夠按照復(fù)雜軌跡運(yùn)行并要求軌跡精度；2）本體剛性要強(qiáng)，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)抖動(dòng)；3）運(yùn)行節(jié)拍要快，同時(shí)加減速平穩(wěn)；4）有些場(chǎng)合還要考慮負(fù)載變化對(duì)運(yùn)行過(guò)程的影響。所以隨著社會(huì)的發(fā)展和需求的提高，提高工業(yè)機(jī)器人的軌跡精度刻不容緩！

02

影響工業(yè)機(jī)器人軌跡精度的因素

影響機(jī)器人軌跡精度的因素包括與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型相關(guān)的誤差、與機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型相關(guān)的誤差和負(fù)載導(dǎo)致的誤差三個(gè)方面。其中負(fù)載導(dǎo)致的誤差也可歸于運(yùn)動(dòng)學(xué)或者動(dòng)力學(xué)中，下面我們從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

1、常用的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型——D-H模型

Denavit-Hartenberg（D-H）模型表示了對(duì)機(jī)器人連桿和關(guān)節(jié)進(jìn)行建模的一種非常簡(jiǎn)單的方法，可用于任何機(jī)器人構(gòu)型，也可以用于表示在任何坐標(biāo)中的變換。機(jī)器人的每個(gè)連桿可以用四個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)來(lái)描述，其中兩個(gè)參數(shù)用于描述連桿本身，另外兩個(gè)參數(shù)用于描述連桿之間的連接關(guān)系。其四個(gè)參數(shù)是：

連桿長(zhǎng)度：兩個(gè)關(guān)節(jié)的軸（旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸， 平移關(guān)節(jié)的平移軸） 之間的公共法線(xiàn)長(zhǎng)度；

連桿扭轉(zhuǎn)：一個(gè)關(guān)節(jié)的軸相對(duì)于另一個(gè)關(guān)節(jié)的軸繞它們的公共法線(xiàn)旋轉(zhuǎn)的角度；

連桿偏移：一個(gè)關(guān)節(jié)與下一個(gè)關(guān)節(jié)的公共法線(xiàn)和它與上一個(gè)關(guān)節(jié)的公共法線(xiàn)沿這個(gè)關(guān)節(jié)軸的距離；

關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角：一個(gè)關(guān)節(jié)與下一個(gè)關(guān)節(jié)的公共法線(xiàn)和它與上一個(gè)關(guān)節(jié)的公共法線(xiàn)繞這個(gè)關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)角。

建模步驟是：

變換矩陣為：

按照D-H法進(jìn)行建模，影響誤差的因素有：機(jī)器人基座點(diǎn)位置、機(jī)器人Home點(diǎn)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角偏移、關(guān)節(jié)齒輪間隙、關(guān)節(jié)減速比和耦合比、關(guān)節(jié)軸平行度、連桿長(zhǎng)度、機(jī)器人TCP中心點(diǎn)精度、機(jī)器人各軸自重。

2、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)問(wèn)題分為正向和逆向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

正向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是已知機(jī)器人各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或力矩，求解機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度。

逆向動(dòng)力學(xué)問(wèn)題是已知各關(guān)節(jié)的位移、速度和加速度（即已知關(guān)節(jié)空間的軌跡或末端執(zhí)行器在笛卡爾空間的軌跡），通過(guò)慣性力、離心力、科氏力、粘摩擦力、靜摩擦力、重力或者外力，求解關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力或力矩。

動(dòng)力學(xué)方程一般是兩種形式： 歐拉-拉格朗日運(yùn)動(dòng)方程：對(duì)于任何機(jī)械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)總的動(dòng)能K與總的勢(shì)能P之差，即L=K-P。這里，L是拉格朗日算子，K是動(dòng)能，P是勢(shì)能。下式中Ek表示動(dòng)能，Ep表示勢(shì)能。

牛頓-歐拉方程：剛體的運(yùn)動(dòng)是質(zhì)心的平動(dòng)和繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)的合成，其中，質(zhì)心的平動(dòng)用牛頓方程表示，繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)用歐拉方程描述。下式中：表示加速度，表示角加速度，N是力矩，是質(zhì)心參考系，為參照的剛體慣性張量。

03

伺服系統(tǒng)產(chǎn)品如何提升軌跡精度

從伺服系統(tǒng)提升軌跡精度主要是體現(xiàn)在協(xié)助控制器提升動(dòng)力學(xué)性能。針對(duì)伺服自身的能力來(lái)說(shuō)，可以從參數(shù)辨識(shí)、參數(shù)自整定和振動(dòng)抑制三方面，進(jìn)行改善從而提升軌跡精度。還可以在與控制器配合時(shí)，從各種前饋以及力位混合控制方面進(jìn)行提升。

伺服基本的控制原理圖 1、慣量辨識(shí)及參數(shù)自整定技術(shù) 多關(guān)節(jié)機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和帶載情況下，由于臂展及負(fù)載的變化導(dǎo)致各關(guān)節(jié)臂慣量有較大變化，要保持高性能控制特性，就需要伺服系統(tǒng)對(duì)慣量進(jìn)行準(zhǔn)確辨識(shí)和參數(shù)自整定?？梢杂行嵘I(yè)機(jī)器人運(yùn)行控制性能，減少調(diào)試時(shí)間，提升技術(shù)支持效率。

機(jī)器人各關(guān)節(jié)慣量辨識(shí)技術(shù)

離線(xiàn)慣量辨識(shí)技術(shù) 誤差《3%； 簡(jiǎn)化RLS在線(xiàn)慣量辨識(shí)技術(shù) 誤差《5%； 機(jī)器人控制器配合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)慣量的精確辨識(shí)技術(shù)

參數(shù)免調(diào)試自整定技術(shù)

同時(shí)在線(xiàn)慣量辨識(shí)和參數(shù)自整定，三環(huán)響應(yīng)最優(yōu)化，無(wú)需繁瑣調(diào)試過(guò) 程； 自動(dòng)諧振抑制，負(fù)載擾動(dòng)抑制和跟蹤誤差消除 2、機(jī)器人機(jī)械振動(dòng)抑制技術(shù) 工業(yè)機(jī)器人多關(guān)節(jié)串聯(lián)型機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定其剛性低，易產(chǎn)生機(jī)械諧振和末端定位抖動(dòng)，嚴(yán)重制約運(yùn)行及加工效率，所以需要對(duì)振動(dòng)進(jìn)行抑制。使用機(jī)械振動(dòng)抑制技術(shù)，支持多種振動(dòng)抑制功能，根據(jù)機(jī)器人振動(dòng)類(lèi)型和產(chǎn)生原因選擇功能應(yīng)用，有效抑制振動(dòng)，提高效率和安全性。

機(jī)械諧振抑制技術(shù)

陷波器： 5個(gè)，50-4000Hz

電機(jī)齒槽力矩波動(dòng)抑制功能

減速機(jī)脈動(dòng)抑制功能

末端定位抖動(dòng)抑制技術(shù)

振動(dòng)抑制濾波器：4個(gè)，1-300Hz

模型制振技術(shù)：1-300Hz

3、負(fù)載擾動(dòng)抑制技術(shù) 工業(yè)機(jī)器人在帶重力負(fù)載使能時(shí)，制動(dòng)器松開(kāi)轉(zhuǎn)矩負(fù)載突變，導(dǎo)致點(diǎn)頭現(xiàn)象。摩擦阻力突變，減速機(jī)間隙導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)，出現(xiàn)軌跡跟蹤誤差大，軌跡突變等問(wèn)題。 使用負(fù)載擾動(dòng)技術(shù)能夠有效消除機(jī)器人帶重力負(fù)載啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)頭現(xiàn)象和減小由摩擦和間隙導(dǎo)致的軌跡跟蹤誤差。

機(jī)器人使能時(shí)重力負(fù)載擾動(dòng)抑制控制技術(shù)

使能時(shí)重力負(fù)載擾動(dòng)補(bǔ)償控制

重力負(fù)載扭矩停機(jī)記憶及啟動(dòng)預(yù)設(shè)功能

靜摩擦，動(dòng)摩擦，間隙補(bǔ)償控制技術(shù)

根據(jù)摩擦模型及位置速度，進(jìn)行摩擦前饋補(bǔ)償

速度方向改變時(shí)的減速機(jī)間隙力矩補(bǔ)償技術(shù)

4、模型跟蹤振動(dòng)抑制 將電機(jī)與負(fù)載作為整體進(jìn)行分析，建立模型抑振濾波器，分析模型中引起振動(dòng)的相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行調(diào)整，可設(shè)置組合參數(shù)，以應(yīng)對(duì)不同運(yùn)行速度、不同負(fù)載的振動(dòng)情況。

04

伺服系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

在國(guó)內(nèi)繁多的伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品中，清能德創(chuàng)率先推出機(jī)器人專(zhuān)用多軸一體EtherCAT網(wǎng)絡(luò)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，有適合3kg-20kg機(jī)器人系統(tǒng)使用的CoolDrive R系列和CoolDrive RC系列。 多軸一體EtherCAT網(wǎng)絡(luò)伺服驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品內(nèi)置了多種機(jī)器人專(zhuān)用控制算法，采用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)，保證多軸同步運(yùn)行更高速、精準(zhǔn)，內(nèi)含最高分辨率達(dá)24bit的高精度絕對(duì)值編碼器，采用分布式時(shí)鐘，另外控制模式實(shí)時(shí)切換，滿(mǎn)足機(jī)器人的控制精度。

作為2020年新品，清能德創(chuàng)推出了高性能大功率多軸一體化伺服驅(qū)動(dòng)器CoolDrive RA，此系列實(shí)現(xiàn)了小型化與大功率的兼顧，支持共直流母線(xiàn)輔助軸擴(kuò)展，大幅提升設(shè)備性能，降低工時(shí)成本，還具有深度定制的特點(diǎn)，滿(mǎn)足不同需求。

審核編輯：郭婷