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埃斯顿机器人ER220-3200机器人的动力学算法是如何实现自学习主动振动抑制的?
发布时间:2026-11-07        浏览次数:2        返回列表

说明:埃斯顿官方未公开该算法的完整内核细节,下表按其公开技术资料 + 同级别自研控制器在工业界的通行架构梳理,属于 “架构级可复现说明”,能指导你现场调试,但具体参数名以示教器实际菜单为准。

一、一句话本质

它不是 “加个滤波器把振动滤掉”,而是:先把机器人当成一个带多个共振点的弹性体测出它的 “振动指纹”(固有频率 + 阻尼比),再据此设计一条 “提前反向补偿” 的整形轨迹,让指令自己把振动抵消掉;而 “自学习” 指的是这套指纹和补偿参数由机器人跑几趟典型轨迹自动收敛,无需人工试凑。

类比:端着一杯满水快走,人不会等水晃起来再去扶,而是起步和停步时手腕先做一个小反动作,水就不晃 —— 输入整形就是这个 “手腕反动作”,自学习就是自己摸索出该反多大、反多快。

二、整体是四层闭环

①激励采样  →  ②模态辨识  →  ③整形器/参数生成  →  ④迭代评估收敛
  (跑轨迹)      (算f、ξ)        (ZVD/EI/陷波)         (测残余振动)
     ↑                                                    │
     └──────────── ⑤工况库调度(负载/臂展/速度分档)←──────┘

三、逐层拆解

第①层:激励与数据采集

  • 激励信号:不是随便跑一条程序。通常用三类标准激励 —— 扫频 /chirp(覆盖 0.5~30Hz)、阶跃 + 急停(激发低频刚体摆动)、多轴同步 S 形加减速(激发耦合模态)。ER220-3200 长臂展重载机型,重点激励 J2/J3 大臂俯仰与 J5/J6 手腕,因为 3.2m 悬臂的一阶弯曲模态就在这里。

  • 采集量:各轴位置指令 vs 编码器实际反馈的差值(跟随误差)是最关键信号;其次是伺服电流 / 力矩指令(反映残余力矩振荡);部分方案可外挂末端加速度计做标定用一次,量产时不装(成本考虑)。

  • 采样率:需远高于目标模态,一般伺服环内 1~2kHz 采样,才能把 15~25Hz 的结构模态 FFT 出来。

第②层:模态辨识

把 “停机后末端还在抖” 抽象为二阶欠阻尼系统:

\(y(t)=A e^{-\xi \omega_n t}\sin(\omega_d t),\quad \omega_d=\omega_n\sqrt{1-\xi^2}\)

  • 对停止段反馈信号做 FFT / 功率谱,找峰值 → 得固有频率 f_n(如某姿态下 18.6Hz);

  • 用对数衰减率(相邻两个振动峰幅值比)或频域极点 - 留数拟合算出阻尼比 ξ(重载长臂展通常只有 0.05~0.15,阻尼很低,所以振得久);

  • 同一机型在不同臂展姿态、不同负载下 f 和 ξ 明显不同(伸得越远 f 越低、ξ 越小),所以要按工况分档测,不能只测一组。

  • 辨识要区分三类模态:低频刚体摆动(J2/J3 关节伺服刚度不足,1~5Hz)、结构弯曲模态(大臂 / 小臂,10~25Hz)、减速器传动柔性(更高频、幅值小)。

第③层:整形器生成

拿 f_n、ξ 直接算整形器(最常用 ZVD 零振动微分):

\(K=e^{-\frac{\xi\pi}{\sqrt{1-\xi^2}}},\quad A_1=\frac{1}{(1+K)^2},\ A_2=\frac{2K}{(1+K)^2},\ A_3=\frac{K^2}{(1+K)^2},\quad \Delta T=\frac{\pi}{\omega_d}\)

原指令被拆成 3 个错开半个振动周期的加权脉冲,第三个脉冲叠加时正好抵消第一个激起的振动。可选变体:

  • EI / UMZV:牺牲一点抑振力度换更短时延,保节拍;

  • 多模态串联(Convolved ZVD):同时压 18Hz 和 26Hz 两个峰;

  • 陷波滤波器:只针对单一高频传动模态,成本低但有相位滞后,一般与前馈配合而非单独用。

第④层:自学习迭代("学习" 到底学什么)

学习的是 f_n、ξ 的补偿偏差 + 整形强度系数,流程是:

  1. 按默认参数跑一条标准搬运轨迹(抓取→长距离平移→高位放料→急停);

  2. 测停止后残余振动:指标通常是 settling time(残余振幅衰减到 ±0.1mm 内的时间)和峰值振幅;

  3. 目标函数 J = α・settling_time + β・峰值振幅 + γ・节拍损失(加时间延迟的惩罚),做有约束的搜索:在 f_n±15% 范围内扫描整形器中心频率、微调整形强度;

  4. 一般 3~5 次迭代收敛(因为 f 的估计误差是主要矛盾,扫一遍就基本能定位);

  5. 收敛结果连同负载、姿态、速度分档一起写入工况参数表,绑定到该工具号 / 程序段。

关键设计:迭代步长受限制、只在离线 / 示教阶段做全量自学习,生产中只做慢速小幅微调 —— 否则参数自发漂移会让轨迹不可预测,这是工程红线。

第⑤层:工况自适应调度

运行时按当前 TOOL 负载(质量 + 重心 + 惯量,来自你前面做的负载辨识)+ 目标臂展 + 规划加减速,从参数表插值取出对应的整形器 / 抑振等级。所以你会看到现象:近端轻载快跑不抑振,远端满载慢走自动加抑振 —— 这是查表调度,不是两套算法。

四、和各模块的分工

表格

模块抑制对象频段手段
动力学前馈重力 / 离心 / 哥氏引起的跟踪误差、末端下沉低频刚体力矩前馈补偿
自学习输入整形加减速 / 急停激起且停机后仍持续的残余振动中频结构模态指令预整形
陷波滤波单一固定共振峰、减速器啸叫高频窄带频域滤波
刚度形变补偿静态位姿偏移、满载 TCP 飘静态位置修正

判断现场到底该开哪个:走的全过程就偏(→前馈 / 形变补偿);走的时候准、停下来抖几下才稳(→自学习整形);某个速度段才啸叫(→陷波)。

五、现场调试实操顺序

  1. 先做负载辨识,正确填 TOOL(质量 / 重心 / 惯量)——负载错,后面抑振全白调;

  2. 选实际生产中最 "恶劣" 的 3~5 条轨迹(最远、最高、最重、最快)作为学习样本;

  3. 进示教器振动抑制菜单→自学习 / 自动整定,逐条跑,记录每次的残余振动与 settling time;

  4. 判据:停止后残余振幅 ≤ 工件允许位置公差(如 ±0.5mm)且 settling time ≤ 0.3~0.5s;不达标再增减抑振强度档;

  5. 换枪、换抓具、换工件规格(负载变化 > 10%)→ 重跑一次;减速器磨损或环境温度大变(车间温差 > 15℃)→ 建议季度性复测,因为 f 会漂。

六、三个局限

  1. 抑振 = 延迟。ZVD 天然带来约一个振动周期的时间延迟(18Hz 约 55ms),高速短节拍节拍损失明显;高节拍产线应选 EI/UMZV 并用 “速度分段” 而不是全程抑振。

  2. 对 f 的估计敏感但有容差。整形器在中心频率 ±15~20% 偏差内仍能保持大部分抑振效果,超出就会反向放大振动 —— 所以别把参数在示教器里手动瞎改。

  3. 治不了非线性。减速器背隙、导轨爬行、抓具气缸软连接造成的抖动 / 顿挫,属于非线性摩擦与间隙,输入整形无效,得靠机械刚性、抓具刚性、增益调整解决。袋子软包晃动是负载自身柔性,也不能靠整形根治,只能降加速度。

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