提高工業(yè)機器人軌跡精度的原因和方法

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提高工業(yè)機器人軌跡精度的緣由

提高工業(yè)機器人軌跡精度很大的一部分原因就是為了滿足現(xiàn)階段國產(chǎn)機器人的發(fā)展需求。 在2018年之前，國產(chǎn)工業(yè)機器人主要的集中于搬運、上下料、分揀、焊接等應用領域，國產(chǎn)機器人主要是點到點的運動方式，對工業(yè)機器人軌跡運動要求不高，能夠滿足當時的客戶需求。

但是到了2018年，根據(jù)中國機器人產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的數(shù)據(jù)，由于國產(chǎn)機器人在搬運、上下料等應用領域的準確切入，使得2013-2017年都保持著較快的增長，直到2018年，國產(chǎn)機器人銷量增率出現(xiàn)首次下滑。

2013—2018年中國工業(yè)機器人市場銷量情況

雖然國產(chǎn)廠家也可以生產(chǎn)多關節(jié)工業(yè)機器人，特別是六軸工業(yè)機器人，但由于缺乏核心技術以及核心零部件，在穩(wěn)定性、精度、使用壽命和故障率等方面與以“四大家族”為代表的國外品牌相比還有較大差距，技術實力的不足制約了國產(chǎn)機器人在高端領域的應用。 為了進一步搶占市場，提升企業(yè)的競爭力，國產(chǎn)工業(yè)機器人諸多廠家意識到，除了要擴大國產(chǎn)機器人產(chǎn)量，提高企業(yè)產(chǎn)能，還要提升國產(chǎn)機器人的性能，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，探索關鍵技術研發(fā)模式，通過與高校、科研院所等多種方式的合作，使產(chǎn)品逐漸向中高端應用領域邁進，如：激光切割、精密點膠、液晶搬運等。

工業(yè)機器人在中高端應用領域主要有以下要求：1）能夠按照復雜軌跡運行并要求軌跡精度；2）本體剛性要強，運行過程中無抖動；3）運行節(jié)拍要快，同時加減速平穩(wěn)；4）有些場合還要考慮負載變化對運行過程的影響。所以隨著社會的發(fā)展和需求的提高，提高工業(yè)機器人的軌跡精度刻不容緩！

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影響工業(yè)機器人軌跡精度的因素

影響機器人軌跡精度的因素包括與機器人運動學模型相關的誤差、與機器人動力學模型相關的誤差和負載導致的誤差三個方面。其中負載導致的誤差也可歸于運動學或者動力學中，下面我們從運動學和動力學模型兩個方面進行介紹。

1、常用的機器人運動學模型——D-H模型

Denavit-Hartenberg（D-H）模型表示了對機器人連桿和關節(jié)進行建模的一種非常簡單的方法，可用于任何機器人構型，也可以用于表示在任何坐標中的變換。機器人的每個連桿可以用四個運動學參數(shù)來描述，其中兩個參數(shù)用于描述連桿本身，另外兩個參數(shù)用于描述連桿之間的連接關系。其四個參數(shù)是：

連桿長度：兩個關節(jié)的軸（旋轉關節(jié)的旋轉軸， 平移關節(jié)的平移軸） 之間的公共法線長度；

連桿扭轉：一個關節(jié)的軸相對于另一個關節(jié)的軸繞它們的公共法線旋轉的角度；

連桿偏移：一個關節(jié)與下一個關節(jié)的公共法線和它與上一個關節(jié)的公共法線沿這個關節(jié)軸的距離；

關節(jié)轉角：一個關節(jié)與下一個關節(jié)的公共法線和它與上一個關節(jié)的公共法線繞這個關節(jié)軸的轉角。

建模步驟是：

變換矩陣為：

按照D-H法進行建模，影響誤差的因素有：機器人基座點位置、機器人Home點、關節(jié)轉角偏移、關節(jié)齒輪間隙、關節(jié)減速比和耦合比、關節(jié)軸平行度、連桿長度、機器人TCP中心點精度、機器人各軸自重。

2、機器人動力學模型

機器人動力學問題分為正向和逆向動力學問題。

正向動力學問題是已知機器人各關節(jié)的驅動力或力矩，求解機器人各關節(jié)的位移、速度、加速度。

逆向動力學問題是已知各關節(jié)的位移、速度和加速度（即已知關節(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，求解關節(jié)驅動力或力矩。

動力學方程一般是兩種形式： 歐拉-拉格朗日運動方程：對于任何機械系統(tǒng)，拉格朗日函數(shù)L定義為系統(tǒng)總的動能K與總的勢能P之差，即L=K-P。這里，L是拉格朗日算子，K是動能，P是勢能。下式中Ek表示動能，Ep表示勢能。

牛頓-歐拉方程：剛體的運動是質心的平動和繞質心的轉動的合成，其中，質心的平動用牛頓方程表示，繞質心的轉動用歐拉方程描述。下式中：表示加速度，表示角加速度，N是力矩，是質心參考系，為參照的剛體慣性張量。

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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)助控制器提升動力學性能。針對伺服自身的能力來說，可以從參數(shù)辨識、參數(shù)自整定和振動抑制三方面，進行改善從而提升軌跡精度。還可以在與控制器配合時，從各種前饋以及力位混合控制方面進行提升。

伺服基本的控制原理圖 1、慣量辨識及參數(shù)自整定技術 多關節(jié)機器人在不同運動姿態(tài)和帶載情況下，由于臂展及負載的變化導致各關節(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)對慣量進行準確辨識和參數(shù)自整定?？梢杂行嵘I(yè)機器人運行控制性能，減少調試時間，提升技術支持效率。

機器人各關節(jié)慣量辨識技術

離線慣量辨識技術 誤差《3%； 簡化RLS在線慣量辨識技術 誤差《5%； 機器人控制器配合實現(xiàn)系統(tǒng)慣量的精確辨識技術

參數(shù)免調試自整定技術

同時在線慣量辨識和參數(shù)自整定，三環(huán)響應最優(yōu)化，無需繁瑣調試過 程； 自動諧振抑制，負載擾動抑制和跟蹤誤差消除 2、機器人機械振動抑制技術 工業(yè)機器人多關節(jié)串聯(lián)型機械結構特點，決定其剛性低，易產(chǎn)生機械諧振和末端定位抖動，嚴重制約運行及加工效率，所以需要對振動進行抑制。使用機械振動抑制技術，支持多種振動抑制功能，根據(jù)機器人振動類型和產(chǎn)生原因選擇功能應用，有效抑制振動，提高效率和安全性。

機械諧振抑制技術

陷波器： 5個，50-4000Hz

電機齒槽力矩波動抑制功能

減速機脈動抑制功能

末端定位抖動抑制技術

振動抑制濾波器：4個，1-300Hz

模型制振技術：1-300Hz

3、負載擾動抑制技術 工業(yè)機器人在帶重力負載使能時，制動器松開轉矩負載突變，導致點頭現(xiàn)象。摩擦阻力突變，減速機間隙導致機器人運動方向改變時，出現(xiàn)軌跡跟蹤誤差大，軌跡突變等問題。 使用負載擾動技術能夠有效消除機器人帶重力負載啟動時點頭現(xiàn)象和減小由摩擦和間隙導致的軌跡跟蹤誤差。

機器人使能時重力負載擾動抑制控制技術

使能時重力負載擾動補償控制

重力負載扭矩停機記憶及啟動預設功能

靜摩擦，動摩擦，間隙補償控制技術

根據(jù)摩擦模型及位置速度，進行摩擦前饋補償

速度方向改變時的減速機間隙力矩補償技術

4、模型跟蹤振動抑制 將電機與負載作為整體進行分析，建立模型抑振濾波器，分析模型中引起振動的相關參數(shù)，并進行調整，可設置組合參數(shù)，以應對不同運行速度、不同負載的振動情況。

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伺服系統(tǒng)產(chǎn)品介紹

在國內繁多的伺服驅動產(chǎn)品中，清能德創(chuàng)率先推出機器人專用多軸一體EtherCAT網(wǎng)絡伺服驅動產(chǎn)品，有適合3kg-20kg機器人系統(tǒng)使用的CoolDrive R系列和CoolDrive RC系列。 多軸一體EtherCAT網(wǎng)絡伺服驅動產(chǎn)品內置了多種機器人專用控制算法，采用EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)，保證多軸同步運行更高速、精準，內含最高分辨率達24bit的高精度絕對值編碼器，采用分布式時鐘，另外控制模式實時切換，滿足機器人的控制精度。

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動器CoolDrive RA，此系列實現(xiàn)了小型化與大功率的兼顧，支持共直流母線輔助軸擴展，大幅提升設備性能，降低工時成本，還具有深度定制的特點，滿足不同需求。

審核編輯：郭婷