一种基于内模控制的工业机器人关节伺服系统振动抑制算法
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关键词：工业机器人 关节伺服系统 振动抑制 内模控制 中图分类号：TM820.3
A Vibration Suppression Algorithm for Industrial Robot Joint Servo System Based on Internal Model Control
Huang Xuanrui1 Song Yuyang1 Li Qiusheng2 Xiao Xi1 （1. Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China
2019 年 2 月 第 34 卷第 3 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80699
Vol.34 No. 3 Feb. 2019
一种基于内模控制的工业机器人关节伺服 系统振动抑制算法
国家自然科学基金项目（51577095）和清华大学自主科研计划项目 资助。 收稿日期 2018-07-10 改稿日期 2018-10-25
广泛运用，工业机器人已成为衡量一个国家制造 业 水 平 和 科 技 水 平 的 重 要 标 志 [2]。 高 精 度 机 器 人 减速机、高性能交直流伺服电机和驱动器、高性 能 机 器 人 控 制 器 是 工 业 机 器 人 的 核 心 部 分 [3]。 作 为工业机器人动力输出的伺服系统，应具有较高 的瞬时过载能力、跟踪精度、响应能力以及良好 的 通 用 性 和 扩 展 性 [4]。 传 统 的 伺 服 系 统 往 往 驱 动 刚性恒定负载进行简单的重复性运动，如车床驱 动工件在直线上来回匀速运动，而在工业机器人 中，伺服系统通过减速机驱动末端机械臂杆，减
498
电工技术学报
2019 年 2 月
wenku.baidu.com
速机复杂的机械结构导致伺服电机与机械臂杆之 间不再是完全的刚性连接，同时由于国内基础制 造业的薄弱造成国产减速机相比国外先进减速机 具有更明显的柔性，加上工业机器人机械臂杆尺 度长、惯量大，导致众多国产工业机器人关节存 在很低频率的固有机械谐振点。在航空航天等高 端领域，为了降低机械臂杆惯量，通常采用结构 轻、自重比高的结构材料，这些臂杆在运动中会 产生明显的形变，并引起应力，带有典型的柔性 负 载 特 征 [5]。因 此 在 工 业 机 器 人 应 用 中 ，采 用 传 统 控制结构的伺服系统在高动态轨迹指令时会产生 明显的机械振动，从而导致工业机器人定位精度 与响应速度降低，长时间的振动会导致工业机器 人减速机传递转矩过大而损坏轴系系统并降低使 用寿命，更 严重者甚 至 会直接使 工 业机器人 报 废。 降低振动现象是目前工业机器人关节伺服控制系 统研究的一个重点问题。
黄宣睿 1 宋宇洋 1 李秋生 2 肖 曦 1
（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084 2. 清能德创电气技术（北京）有限公司 北京 100070）
摘要 由于减速器的柔性导致工业机器人关节伺服控制系统存在谐振点，传统 PI 控制在极 端位置指令下会出现振动。该文根据工业机器人单关节的弹性传动模型，基于内模控制原理提出 一种工业机器人关节伺服系统振动抑制算法，通过在传统伺服控制器位置环与速度环之间添加抑 振滤波器实现振动抑制，无需额外的传感器与复杂的控制算法。仿真与实验证明了该方法简单可 行，能有效抑制机械振动，且具有较强的参数鲁棒性。
目前已在工程应用的方法主要是在原有的控 制 结 构 上 加 入 低 通 滤 波 器 、陷 波 滤 波 器 等 ，通 过 设 置 合 适 的 频 率 来 抑 制 振 动 [ 6]。加 入 低 通 滤 波 器 往 往 会 大 幅 降 低 系 统 的 带 宽 ，在 一 定 程 度 上 可 以 降 低 振 动[7]，但有时还会出现电机侧无振动机械臂杆却明 显存在振动的现象。陷波滤波器可以过滤掉指定频 率的信号分量，设置准确的陷波频率，可以将伺服 控制环内部由机械谐振特性造成的指令波动有效滤 除，从而保证电机输出转矩无振动[8]。然而工业机 器人机械臂在空间内运动时，其每个关节上的等效 惯量也在不停地变化，导致其谐振频率也随之变化， 当陷波滤波器陷波频率与谐振频率不一致时，便无 法有效抑制振动，甚至导致系统不稳定。针对此问 题，一些学者也提出了可以自动识别谐振频率的自 适应陷波滤波器[9-11]。
Keywords：Industrial robot, robot joint servo system, vibration suppression, internal model control
0 引言
工业机器 人 具有工作 效 率高、稳定 可靠、重复 精 度 好 、能 在 高 危 环 境 下 作 业 等 多 方 面 优 势 [1]。依 托于计算机、自动化技术的快速发展，工业机器 人的性能不断提高，从最初应用于装配与物流搬 运到在机械加工、焊接、打磨抛光等高精度场合
2. Tsino-Dynatron Electrical Technology (Beijing) Co. Ltd Beijing 100070 China）
Abstract There exists resonance point in industrial robot joint servo system due to the flexibility of the gear reducer, which may lead to mechanical vibration under extreme position reference using conventional PI controller. In this paper, a vibration suppression algorithm for industrial robot joint servo system is proposed based on the kinematics model and internal model control, the vibration can be suppressed by adding an anti-vibration filter between the position loop and the velocity loop without additional sensors and complicated control algorithm. The simulation and experiment show that the method has obvious vibration suppression effect and parameter robustness.
A Vibration Suppression Algorithm for Industrial Robot Joint Servo System Based on Internal Model Control
Huang Xuanrui1 Song Yuyang1 Li Qiusheng2 Xiao Xi1 （1. Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China
2019 年 2 月 第 34 卷第 3 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L80699
Vol.34 No. 3 Feb. 2019
一种基于内模控制的工业机器人关节伺服 系统振动抑制算法
国家自然科学基金项目（51577095）和清华大学自主科研计划项目 资助。 收稿日期 2018-07-10 改稿日期 2018-10-25
广泛运用，工业机器人已成为衡量一个国家制造 业 水 平 和 科 技 水 平 的 重 要 标 志 [2]。 高 精 度 机 器 人 减速机、高性能交直流伺服电机和驱动器、高性 能 机 器 人 控 制 器 是 工 业 机 器 人 的 核 心 部 分 [3]。 作 为工业机器人动力输出的伺服系统，应具有较高 的瞬时过载能力、跟踪精度、响应能力以及良好 的 通 用 性 和 扩 展 性 [4]。 传 统 的 伺 服 系 统 往 往 驱 动 刚性恒定负载进行简单的重复性运动，如车床驱 动工件在直线上来回匀速运动，而在工业机器人 中，伺服系统通过减速机驱动末端机械臂杆，减
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电工技术学报
2019 年 2 月
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速机复杂的机械结构导致伺服电机与机械臂杆之 间不再是完全的刚性连接，同时由于国内基础制 造业的薄弱造成国产减速机相比国外先进减速机 具有更明显的柔性，加上工业机器人机械臂杆尺 度长、惯量大，导致众多国产工业机器人关节存 在很低频率的固有机械谐振点。在航空航天等高 端领域，为了降低机械臂杆惯量，通常采用结构 轻、自重比高的结构材料，这些臂杆在运动中会 产生明显的形变，并引起应力，带有典型的柔性 负 载 特 征 [5]。因 此 在 工 业 机 器 人 应 用 中 ，采 用 传 统 控制结构的伺服系统在高动态轨迹指令时会产生 明显的机械振动，从而导致工业机器人定位精度 与响应速度降低，长时间的振动会导致工业机器 人减速机传递转矩过大而损坏轴系系统并降低使 用寿命，更 严重者甚 至 会直接使 工 业机器人 报 废。 降低振动现象是目前工业机器人关节伺服控制系 统研究的一个重点问题。
黄宣睿 1 宋宇洋 1 李秋生 2 肖 曦 1
（1. 清华大学电机工程与应用电子技术系 北京 100084 2. 清能德创电气技术（北京）有限公司 北京 100070）
摘要 由于减速器的柔性导致工业机器人关节伺服控制系统存在谐振点，传统 PI 控制在极 端位置指令下会出现振动。该文根据工业机器人单关节的弹性传动模型，基于内模控制原理提出 一种工业机器人关节伺服系统振动抑制算法，通过在传统伺服控制器位置环与速度环之间添加抑 振滤波器实现振动抑制，无需额外的传感器与复杂的控制算法。仿真与实验证明了该方法简单可 行，能有效抑制机械振动，且具有较强的参数鲁棒性。
目前已在工程应用的方法主要是在原有的控 制 结 构 上 加 入 低 通 滤 波 器 、陷 波 滤 波 器 等 ，通 过 设 置 合 适 的 频 率 来 抑 制 振 动 [ 6]。加 入 低 通 滤 波 器 往 往 会 大 幅 降 低 系 统 的 带 宽 ，在 一 定 程 度 上 可 以 降 低 振 动[7]，但有时还会出现电机侧无振动机械臂杆却明 显存在振动的现象。陷波滤波器可以过滤掉指定频 率的信号分量，设置准确的陷波频率，可以将伺服 控制环内部由机械谐振特性造成的指令波动有效滤 除，从而保证电机输出转矩无振动[8]。然而工业机 器人机械臂在空间内运动时，其每个关节上的等效 惯量也在不停地变化，导致其谐振频率也随之变化， 当陷波滤波器陷波频率与谐振频率不一致时，便无 法有效抑制振动，甚至导致系统不稳定。针对此问 题，一些学者也提出了可以自动识别谐振频率的自 适应陷波滤波器[9-11]。
Keywords：Industrial robot, robot joint servo system, vibration suppression, internal model control
0 引言
工业机器 人 具有工作 效 率高、稳定 可靠、重复 精 度 好 、能 在 高 危 环 境 下 作 业 等 多 方 面 优 势 [1]。依 托于计算机、自动化技术的快速发展，工业机器 人的性能不断提高，从最初应用于装配与物流搬 运到在机械加工、焊接、打磨抛光等高精度场合
2. Tsino-Dynatron Electrical Technology (Beijing) Co. Ltd Beijing 100070 China）
Abstract There exists resonance point in industrial robot joint servo system due to the flexibility of the gear reducer, which may lead to mechanical vibration under extreme position reference using conventional PI controller. In this paper, a vibration suppression algorithm for industrial robot joint servo system is proposed based on the kinematics model and internal model control, the vibration can be suppressed by adding an anti-vibration filter between the position loop and the velocity loop without additional sensors and complicated control algorithm. The simulation and experiment show that the method has obvious vibration suppression effect and parameter robustness.