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
机器人关节振动抑制控制技术研究与应用
机器人关节振动抑制控制技术研究与应用随着机器人技术的不断发展，机器人的应用领域也越来越广泛。
然而，机器人在工业生产线上的应用中，常常受到振动的干扰，使得机器人的精度和效率受到影响。
因此，机器人关节振动抑制控制技术的研究与应用，成为了机器人控制领域一个重要的研究方向。
一、背景分析机器人关节振动抑制控制技术的出现，是由于机器人应用范围的扩大所带来的问题。
由于机器人在生产线上的应用领域越来越广泛，机器人需要具备更高的精度和效率。
同时，由于机器人的高速运动会产生振动，从而引入了误差，导致机器人精度下降。
因此，机器人关节振动抑制控制技术的研究与应用，成为了机器人控制领域一个重要的研究方向。
二、机器人关节振动抑制控制技术的研究机器人关节振动抑制控制技术的研究方向主要分为两类，一类是主动振动控制技术，另一类是被动振动控制技术。
（一）主动振动控制技术主动振动控制技术是指通过控制机器人臂或关节运动来减小振动幅度和频率的技术。
主动振动控制技术主要包括增益调整控制、自适应控制和预测控制等。
其中，增益调整控制是利用反馈控制理论建立振动抑制控制器，通过改变控制器的控制增益来控制机器人的振动。
其优点是简单明了，易于实现；缺点是需要对机器人模型进行准确建模，否则控制效果不佳。
自适应控制是通过自适应算法对机器人模型的特性进行识别，以此进行控制。
其优点是不需要精确的机器人模型，适用性较广；缺点是自适应过程较为复杂，处理时间较长。
预测控制是利用数学模型对机器人关节的未来运动进行预测，从而进行振动抑制控制。
其优点是可以在有限的时间内对振动进行有效的控制；缺点是建立预测模型的难度较大，建模精度对控制效果有很大影响。
（二）被动振动控制技术被动振动控制技术是指通过机械或材料的特性来吸收或隔离振动的技术。
被动振动控制技术主要包括弹性材料的应用、阻尼器的应用和主动质量调节等。
其中，弹性材料的应用是将某些材料对机器人关节的振动特性进行调整，从而实现振动控制。
一种基于抖动控制的工业机器人外力估计方法[发明专利]
![一种基于抖动控制的工业机器人外力估计方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a335363e3186bceb18e8bbdc.png)
专利名称：一种基于抖动控制的工业机器人外力估计方法专利类型：发明专利
发明人：于文进,韩峰涛,刘文礼,庹华,韩建欢
申请号：CN201710250397.3
申请日：20170417
公开号：CN107016208A
公开日：
20170804
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提出了一种基于抖动控制的工业机器人外力估计方法，包括：建立外力估计问题模型；根据建立的模型，生成关节抖动控制信号；在使用主动抖动控制提高系统在摩擦力死区内的响应特性的同时，通过关节控制将外力干扰传递为关节控制力矩；提取外力信号，包括：通过实时提取主动抖动控制信号的中值，并与电机控制力矩比对，得到机器人末端的外部作用力。
本发明解决了工业机器人无力矩传感器的外力估计问题，尤其是在静止或低速运动状态下的针对摩擦力不确定性的估计问题。
申请人：珞石(北京)科技有限公司
地址：100000 北京市海淀区清华园内的清华大学学研综合楼八层B801-004号
国籍：CN
代理机构：北京世誉鑫诚专利代理事务所(普通合伙)
代理人：孙国栋
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工业机器人关节驱动控制系统抗扰技术
工业机器人关节驱动控制系统抗扰技术工业机器人在现代制造业中起着不可或缺的作用，而关节驱动控制系统是机器人运动的核心。
然而，在实际工作环境中，机器人所面临的扰动和干扰往往不可避免，这给机器人的运动控制带来了挑战。
因此，抗扰技术的研究和应用对于提高工业机器人的运动精度和稳定性至关重要。
一、关节驱动控制系统的结构和原理工业机器人的关节驱动控制系统通常包括电机、传感器、控制器等组成部分。
电机作为机器人关节的驱动装置，通过闭环控制实现精确控制。
传感器则用于测量关节的位置、速度和力矩等参数，为控制算法提供数据基础。
控制器则根据传感器的反馈信号，通过控制算法计算出电机的控制指令，实现对关节运动的精准控制。
二、控制系统中的扰动问题在实际工作环境中，机器人关节驱动系统所面临的扰动问题主要分为外部扰动和内部扰动。
外部扰动包括来自环境的振动、气流以及负载的变化等。
内部扰动则主要来自电机的不完美性、传感器的误差以及齿轮传动的非理想性等。
这些扰动都会对机器人的运动控制产生影响，导致关节运动不稳定甚至偏离预定轨迹。
三、抗扰技术的研究方向和方法为了提高机器人关节驱动控制系统的抗扰能力，研究者们提出了多种抗扰技术。
常见的方法包括：1.模型预测控制（MPC）：该方法通过建立机器人动力学模型，基于模型预测的方式对关节运动进行控制，从而抵消外部扰动和内部扰动对系统性能的影响。
2.自适应控制：该方法通过识别扰动信号，并自动调整控制器的参数，从而实现对扰动的实时抵消。
3.鲁棒控制：该方法通过设计具有鲁棒性的控制器，使其能够在面对扰动时保持系统的稳定性和性能。
四、抗扰技术的应用和发展趋势抗扰技术在工业机器人领域已经得到了广泛的应用。
通过使用这些技术，工业机器人可以在复杂的工作环境中实现更加精准和稳定的运动控制，提高生产效率和产品质量。
此外，在视觉引导、力控制以及协作机器人等领域，抗扰技术也将发挥重要的作用。
随着机器人技术的不断进步，机器人关节驱动控制系统的抗扰技术也将不断提升。
工业机器人关节驱动控制系统抗外界扰动技术专利申请书
工业机器人关节驱动控制系统抗外界扰动技术专利申请书尊敬的专利审查员：致敬！我是某工程团队的一员，代表我们的团队向您呈交一份关于工业机器人关节驱动控制系统抗外界扰动技术的专利申请书。
一、领域背景现代工业机器人在生产领域起到了至关重要的作用。
然而，在特定工作环境中，机器人往往受到外界的扰动，如机械振动、手臂碰撞等。
这些外界扰动会对机器人的运动轨迹和精度产生负面影响，导致生产效率下降和人员安全问题。
二、发明目的为了解决上述问题，我们团队针对工业机器人关节驱动控制系统的抗外界扰动技术进行了深入研究。
我们的目标是设计一种控制系统，能够弥补工业机器人在受到外界扰动时的不稳定因素，提高机器人的运动控制精度和鲁棒性。
三、发明内容我们的专利申请包括以下技术特点：1. 传感器模块：通过安装加速度传感器和力传感器，实时检测机器人关节受到的外界振动和力的变化情况。
2. 运动控制算法：我们提出了一种自适应控制算法，能够根据传感器反馈的数据实时调整机器人的关节驱动，以抵消外界扰动。
3. 控制器设计：我们设计了一种高性能的控制器，能够实时处理传感器数据和运动控制算法，为机器人提供准确的控制指令。
四、实施效果通过对多台工业机器人的实际应用测试，我们得出了以下实施效果：1. 提高运动精度：我们的控制系统能够实时抵消外界扰动，使机器人在工作中保持稳定的运动轨迹和精度。
2. 提高生产效率：由于消除了外界扰动的影响，机器人能够更加准确地完成生产任务，提高生产效率和产品质量。
3. 提高操作安全性：减少了机器人由于外界扰动引起的意外碰撞和伤害，保障了操作人员的安全。
五、专利申请基于以上发明内容和实施效果，我们诚恳地申请相关专利保护。
具体包括关于工业机器人关节驱动控制系统抗外界扰动技术的以下权利要求：权利要求一：一种工业机器人关节驱动控制系统，包括传感器模块、运动控制算法和控制器。
权利要求二：权利要求一所述的传感器模块包括加速度传感器和力传感器。
一种机器人震动抑制的方法[发明专利]
![一种机器人震动抑制的方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/73c4b74003768e9951e79b89680203d8ce2f6aac.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011403077.5(22)申请日 2020.12.02(71)申请人 法奥意威（苏州）机器人系统有限公司地址 215011 江苏省苏州市高新区竹园路209号2号楼1810室(72)发明人 丁磊 姚庭 王超 高加超 史琦亮 赵进奇 (51)Int.Cl.B25J 9/16(2006.01)(54)发明名称一种机器人震动抑制的方法(57)摘要本发明涉及机器人技术领域，公开了一种机器人震动抑制的方法，包括以下步骤：S1：通过机械特性分析获取机器人系统振动频率和阻尼系数；S2：机器人轨迹规划器生成指令与输入整形器脉冲信号进行卷积，生成整形后指令；S3：整形后指令输入自适应陷波滤波器；S4：自适应陷波滤波器输出信号作为伺服系统指令，控制机器人运动。
该方法成本低，简单易用，自适应调整实现机器人震动抑制，避免复杂的界面参数输入，而且具有反应灵敏、误差小等优点，具备一定的市场推广前景和应用价值，而且该方法更加简单方便，使用范围更广，可以适用于不同种类的机器人进行实际抑震，可大面积推广使用。
权利要求书1页 说明书3页 附图1页CN 112589794 A 2021.04.02C N 112589794A1.一种机器人震动抑制的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：通过机械特性分析获取机器人系统振动频率ω和阻尼系数ζ；S2：机器人轨迹规划器生成指令与输入整形器脉冲信号进行卷积，生成整形后指令；S3：整形后指令输入自适应陷波滤波器；S4：自适应陷波滤波器输出信号作为伺服系统指令，控制机器人运动。
2.根据权利要求1所述的一种机器人震动抑制的方法，其特征在于，所述输入整形器包括但不局限于ZV输入整形器和ZVD输入整形器，其中，ZV输入整形器公式如下：ZVD输入整形器公式如下：3.根据权利要求1所述的一种机器人震动抑制的方法，其特征在于，所述陷波滤波器采用IIR陷波器。
工业机器人关节精确控制技术抗扰动专利
工业机器人关节精确控制技术抗扰动专利一、引言工业机器人的快速、精确、稳定的运动性能对于提高生产效率和产品质量至关重要。
然而，由于外界环境干扰或机器自身因素，关节精确控制技术仍然面临着一系列的扰动问题。
为了解决这一问题，许多专利技术应运而生。
本文将介绍几项抗扰动技术专利，并探讨其在工业机器人关节精确控制领域中的应用。
二、专利一：动态模型补偿控制技术该专利技术提供了一种动态模型补偿控制方法，旨在解决工业机器人关节控制中的扰动问题。
该方法的核心思想是通过对机器人关节的动态模型进行建模和补偿，实现对扰动的抑制。
具体而言，该方法通过分析系统的状态方程和运动模型，推导出动态模型参数的补偿算法，从而校正关节轨迹和姿态。
这项专利技术的优点在于其对机器人本体进行建模和补偿，能够在关节控制过程中实时校准机器人的运动。
通过准确建模和高效补偿，该技术能够有效地降低扰动对关节精确控制的影响，提高机器人的运动精度和稳定性。
三、专利二：自适应滑模控制技术此专利技术提供了一种自适应滑模控制算法，旨在解决工业机器人关节控制中的抗扰动问题。
该算法通过将滑模控制策略与自适应控制方法相结合，实现对外界扰动的实时抑制和补偿。
具体而言，该技术根据实际运动状态和控制误差，自适应地调整滑模控制器的参数，以提供更精确的关节控制能力。
这项专利技术的优点在于其对控制器参数的自适应性，能够根据系统状态的变化实时地调整滑模控制器的参数，从而快速抑制扰动的影响。
通过自适应滑模控制技术的应用，机器人关节能够实现更加精确和稳定的控制，提高生产效率和产品质量。
四、专利三：基于视觉反馈的关节控制技术该专利技术提供了一种基于视觉反馈的关节控制方法，旨在解决工业机器人关节控制中的扰动问题。
该方法通过引入视觉传感器和图像处理算法，实现对机器人运动过程中的姿态偏差进行实时的检测和校正。
具体而言，通过分析视觉反馈信息，该方法能够实时调整关节控制器的输出，以消除姿态扰动并保持关节运动精度。
一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法[发明专利]
![一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/89540333bfd5b9f3f90f76c66137ee06eff94ed3.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010460658.6(22)申请日 2020.05.27(71)申请人 华中科技大学地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人 彭芳瑜 闫蓉 陈晨 朱泽润 肖名君 高志涛 (74)专利代理机构 华中科技大学专利中心42201代理人 李智 孔娜(51)Int.Cl.B25J 9/16(2006.01)B25J 11/00(2006.01)B25J 19/00(2006.01)(54)发明名称一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法(57)摘要本发明属于机器人铣削系统相关技术领域，并公开了一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法。
该方法包括下列步骤：S1对于待处理铣削系统，设定机器人姿态和主轴进给方向，利用刚度椭球与法平面相交获得相交椭圆，以椭圆的长轴和短轴方向作为横纵坐标轴方向建立X 2OY 2坐标系；S2在法平面内建立进给坐标系，建立关于切削刚性的二自由度模态耦合动力学方程；S3将动力学方程转换至X 2OY 2坐标系中，获得简化后的动力学方程，设定稳定判定条件，对于不稳定的待处理铣削系统，调整机器人姿态和主轴进给方向，直至其满足判定条件，以此实现模态耦合颤振抑制。
通过本发明，有效抑制加工中的颤振，提供系统的稳定性和加工精度。
权利要求书2页 说明书8页 附图4页CN 111633650 A 2020.09.08C N 111633650A1.一种基于机器人刚度特性的模态耦合颤振抑制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1对于待处理铣削系统，设定机器人姿态和主轴进给方向，对于设定的机器人姿态，确定在该姿态下机器人末端的笛卡尔刚度椭球；对于设定的主轴进给方向，以该主轴方向为Z轴方向，刀轴方向为Y方向，建立进给坐标系OXYZ，将该进给坐标系绕其Y轴顺时针旋转θ，获得坐标系OX1YZ1，该坐标系中X1OY平面与所述笛卡尔刚度椭球相交获得相交椭圆，以该椭圆的长轴和短轴方向作为横纵坐标轴方向建立X2OY2平面坐标系，其中，θ利用待处理铣削系统中平均切削力计算获得；S2在所述进给坐标系OXYZ内建立关于切削刚性K p的二自由度模态耦合动力学方程；构建所述进给坐标系中XOY平面坐标系与X2OY2平面坐标系之间的变换矩阵；S3将所述关于切削刚性K p的二自由度模态耦合动力学方程进行坐标转换，使其转换至所述X2OY2平面坐标系中，化简后获得简化后的动力学方程，即模态耦合颤振表征关系式，根据该模态耦合颤振表征关系式，设定稳定判定条件，对于不稳定的待处理铣削系统，调整所述机器人姿态和主轴进给方向，直至其满足所述判定条件，以此实现模态耦合颤振抑制。
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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
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]。
2019 年 2 月 第 34 卷第 3 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/ki.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
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电工技术学报
2019 年 2 月
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。
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
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
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.
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。