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提高工業機器人軌跡精度的緣由

提高工業機器人軌跡精度很大的一部分原因就是為了滿足現階段國產機器人的發展需求。 在2018年之前，國產工業機器人主要的集中于搬運、上下料、分揀、焊接等應用領域，國產機器人主要是點到點的運動方式，對工業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，根據中國機器人產業聯盟發布的數據，由于國產機器人在搬運、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，國產機器人銷量增率出現首次下滑。

2013—2018年中國工業機器人市場銷量情況

雖然國產廠家也可以生產多關節工業機器人，特別是六軸工業機器人，但由于缺乏核心技術以及核心零部件，在穩定性、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機器人在高端領域的應用。 為了進一步搶占市場，提升企業的競爭力，國產工業機器人諸多廠家意識到，除了要擴大國產機器人產量，提高企業產能，還要提升國產機器人的性能，如穩定性、精度、可靠性等。于是，部分企業加大研發投入，探索關鍵技術研發模式，通過與高校、科研院所等多種方式的合作，使產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）運行節拍要快，同時加減速平穩；4）有些場合還要考慮負載變化對運行過程的影響。所以隨著社會的發展和需求的提高，提高工業機器人的軌跡精度刻不容緩！

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影響工業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來描述，其中兩個參數用于描述連桿本身，另外兩個參數用于描述連桿之間的連接關系。其四個參數是：

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

連桿扭轉：一個關節的軸相對于另一個關節的軸繞它們的公共法線旋轉的角度；

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

關節轉角：一個關節與下一個關節的公共法線和它與上一個關節的公共法線繞這個關節軸的轉角。

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、關節轉角偏移、關節齒輪間隙、關節減速比和耦合比、關節軸平行度、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的驅動力或力矩，求解機器人各關節的位移、速度、加速度。

逆向動力學問題是已知各關節的位移、速度和加速度（即已知關節空間的軌跡或末端執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，拉格朗日函數L定義為系統總的動能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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伺服系統產品如何提升軌跡精度

從伺服系統提升軌跡精度主要是體現在協助控制器提升動力學性能。針對伺服自身的能力來說，可以從參數辨識、參數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、慣量辨識及參數自整定技術 多關節機器人在不同運動姿態和帶載情況下，由于臂展及負載的變化導致各關節臂慣量有較大變化，要保持高性能控制特性，就需要伺服系統對慣量進行準確辨識和參數自整定?？梢杂行嵘I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系統慣量的精確辨識技術

參數免調試自整定技術

同時在線慣量辨識和參數自整定，三環響應最優化，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 工業機器人多關節串聯型機械結構特點，決定其剛性低，易產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，根據機器人振動類型和產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，并進行調整，可設置組合參數，以應對不同運行速度、不同負載的振動情況。

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伺服系統產品介紹

在國內繁多的伺服驅動產品中，清能德創率先推出機器人專用多軸一體EtherCAT網絡伺服驅動產品，有適合3kg-20kg機器人系統使用的CoolDrive R系列和CoolDrive RC系列。 多軸一體EtherCAT網絡伺服驅動產品內置了多種機器人專用控制算法，采用EtherCAT工業以太網，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