1 引言
随着新基建进程提速，5G技术、人工智能、柔性材料以及物联网等新兴技术的发展，工业互联网担负起传统制造业转型升级的重任，新一轮技术革命已全面来临，无接触工厂、智能工厂将会是大势所趋。而一个国家制造加工业升级中重要的组成部分是以工业机器人为主体的机器人产业，是先进制造业的关键支撑装备[1]。面对电气机械、3C制造、汽车加工等行业对于柔性化生产的需求，柔性机器人逐渐成为各行各业的焦点，受到越来越多领域的关注[2-3]。 对于柔性机器人而言，为了提高柔性机器人系统的灵活性，就要把机器人的柔性关节也就是柔性传感器作为连接传动装置，用于提取周围环境信息，也要从柔性末端提取传感器信息，以达到高速高精度的控制[4-5]。但是这些柔性关节就会使得整个控制系统成为双惯量系统，该系统会引起关节位置传输滞后，造成
Research and Development of the Controller of the Robot Dual Inertia Flexible Servo
System
江苏美佳马达有限公司 吴文涛(Wu Wentao)
江苏科技大学电子信息学院 魏海峰(Wei Haifeng) 董鑫(Dong Xin)
摘 要：对于柔性机器人而言，为了提高柔性机器人系统的灵活性，就要把机器人的柔性关节也就是柔性传感器作为连接传动装置。但是这些柔性关节就会使得整个控制系统成为双惯量系统，且机器人双惯量柔性伺服系统是一类非线性、高度强耦合、无穷维自由度的复杂动力学系统，针对于该系统研发与之相对应的控制器具有很高的挑战性。本文从研发机器人双惯量柔性伺服系统控制器的角度出发，分析了市场上现有的发展趋势，并对机器人双惯量柔性伺服系统控制器的研发提出了一些开发思路，以扩大国产化伺服
控制器的占有率。
关键词：柔性机器人；双惯量柔性伺服系统；控制器研发
Abstract: For the flexible robot, in order to improve the flexibility of the flexible robot system, it is necessary to use the flexible joint of the robot, that is, the flexible sensor, as the connecting transmission device. However, these flexible joints will make the whole control system become a double inertia system, and the robot double inertia flexible servo system is a kind of nonlinear, highly coupled, infinite dimensional freedom complex dynamic system. It is very challenging to develop the corresponding control instruments for this system. From the point of view of the research and development of the robot dual inertia flexible servo system controller, this paper analyzes the current d
evelopment trend in the market, and puts forward some development ideas for the research and development of the robot dual inertia flexible servo system controller, in order to expand the share of domestic servo controller.
Key words: Flexible robot; Double inertia flexible servo system; Controller development
【中图分类号】TP242【文献标识码】B 【文章编号】1561-0330(2021)02-0043-04
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速度上下波动，严重影响柔性机器人正常运行。并且，机器人双惯量柔性伺服系统是一类非线性、高度强耦合、无穷维自由度的复杂动力学系统，针对于该系统研发与之相对应的控制器具有很高的挑战性。
而作为一个制造业大国，对标其他发达国家，我国柔性机器人密度与发达国家相比还有较大的提升空间。同时未来我国柔性机器人将是一个庞大的市场，也有望带动国产核心零部件和控制器的协同发展，发展潜力巨大[6]。虽有众多企业涉足柔性机器人行业，但柔性机器人的关键部件伺服控制器研发和应用材料结构组成较为单一。首先，柔性机器人对技术与材料要求非常高，传统的刚性连接器和外壳无法继续进行使用，只能通过3D打印等方式寻新材料。另外，就针对柔性机器人进行柔性化作业而言，柔性伺服控制器研发就比工业机器人的技术与材料研发难度更大[7-8]。但随着《中国制造2025》国家战略的
稳步实施，国内制造业转型升级步伐将逐步加快，工业机器人加速向中低端领域渗透，恰好给处于中低端占有优势的国内企业带来了快速发展机会，柔性机器人密度有望大幅增加。
2 伺服控制器发展概况
如今，中国是全球机器人和自动化技术发展的重要推动力。正是由于中国机器人产业快速崛起的带动，近年来机器人用控制器的市场也在加快成长。机器人尤其是柔性机器人在现代化生产中发挥的作用越来越大，柔性机器人与智能高端装备相结合，可以为客户提供智能化、柔性化制造系统解决方案。而伺服控制器作为柔性机器人控制的心脏，其性能优劣将直接影响到柔性机器人运动控制的准确性。从成本结构来看，控制器虽仅占机器人本体的10%~15%，但其性能的好坏直接影响了机器人的正常运作。可以这么说，掌握伺服控制器的主导权，就相当于控制了柔性机器人的性能，这就是为什么国内外机器人龙头企业特别注重伺服控制器研发的重要因素之一。所以，双惯量柔性伺服系统控制器作为柔性机器人最为核心的零部件之一，对柔性机器人的性能起着决定性的影响，在一定程度上影响着柔性机器人的发展。
伺服控制器市场竞争激烈，品牌众多，性能各异。其中，比较适合国内客户需求的品牌大多数是日系，比如，安川、松下，其性能略低于欧系，但是产品的可靠性强，便于维护和组网，稳定性强的同时性价比远高于欧美产品。而价格昂贵的欧系品牌，例如西门子、伦茨等，其产品各个方面性能均衡，适用于
高端领域。在中低端领域，台系品牌占有比较大的席位，性能接近日系。汇川技术伺服控制技术在国内厂商中较为领先，其部分技术已经达到了国际水平，其产品进口替代的步伐正在逐步加快。华中数控、埃斯顿等主要研发的是车床伺服控制系统，水平达到了国际中端水平。
综上所述，国产伺服控制器已实现较大突破，尤其是在伺服控制器的硬件需求上，已基本能达到自给自足，但是只针对中低端领域的自给自足，在高端领域依然面临进口、技术受制于西方发达国家。面对柔性机器人伺服控制器市场巨大的市场潜力，也吸引了一批其它领域的企业竞相布局，价格战在各行各业的市场竞争中并不鲜见，在行业发展初期，价格战甚至成为了不少企业抢占市场份额的制胜法宝。尤其是在今年新冠肺炎疫情全球蔓延的情况下，企业存在遭遇严重积压、市场趋淡、萎靡的情况下，价格战更是严重。长期来看，价格战的盛行必将导致企业想尽办法控制成本，偷工减料，对于行业而言，是不利的，终将导致国产控制器扎堆低端市场，低端产能过剩，最后出现泡沫。
3 机器人双惯量柔性伺服系统的控制器研发难点分析
显然，机器人双惯量柔性伺服系统下的刚柔耦合系统动力学模型变量较多且相互耦合，抖振方程与运动方程互相影响，会使控制器的设计过于复杂，算法执行时间过长，实现起来较困难，在实际伺服系统中难以推广使用，对实际工程应用中处理器的速度提出更高要求。
并且，在实际工业生产中，柔性机器人加工设备并非一直满负荷运行，而是处于时而空载和时而不规律
加载的状态，也就是给伺服控制系统增加一个毫无规律的负载干扰。在这个不断变化的过程中，会产生动态的速度波动，会严重干扰设备的工作频率，严重影响生产流程。而理想的伺服系统不会受到负载的无规律干扰，或者是受到干扰后可在极短时间内恢复至原来的状态，但显然在实际生产中不存在这种理想状态。如何尽可能减小毫无规律干扰下系统的动态速降和缩短恢复时间成为柔性机器人伺服控制器研究的一
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个重点，对于提高工业生产效率和生产质量具有重大意义。
柔性机器人的关键柔性关节，通常由弹性、高柔韧性甚至有机材料组成的柔性材料构成，这为它们在传统刚性机器人无法胜任的角中部署提供了机会，但随之就会为伺服控制器的研发带来很大的难题。另外，目前机器人双惯量柔性伺服系统控制器硬件芯片依赖进口，软件算法同发达国家相比差距较大。经过多年的沉淀，虽然国内厂商的伺服控制器硬件方案已经达到国际性水准，但物料受到限制，底层芯片依赖进口，国内尚无研发基础。在软件层面上，国际柔性机器人品牌起步较早，经验与数据相对丰富一些，国产品牌在不同机器人上的通用性、精度控制等方面还有一些差距。若国产伺服控制器能够解决双惯量柔性系统复杂的控制问题，通过核心算法实现双惯量柔性伺服系统高性能控制，就能够将国产伺服控制器进一步推向高端应用领域，扩大国产伺服控制器的国内外市场份额。同时，也能降低国内基于机器人自动化生产线的制造成本，避免使用价格高昂的国外伺服控制器。
针对机器人双惯量柔性伺服系统的控制器设计而言，也应重点攻克轻量化本体设计、一体化关节设计、柔顺控制、力感知与碰撞检测等关键技术，同时还要提高生产线柔性、模块化、可重构能力，实现生产制造的“规模化”、“柔性化”和“系统化”发展。对于控制器的研发企业而言，要想在国际国内市场上站稳脚跟，特别是面对西方国家对我国伺服控制系统的技术封锁与遏制，在保持颠覆性科技创新的同时，也至少要保持三大核心发展策略。
（1）要大力培养人才。每个公司都要提高自己的核心竞争力和品牌竞争力，是什么来不断支撑这两个竞争力呢？就是人才。人才一直是社会不断发展的推动力，是科技创新的根本，拥有了精英，就占据了科技的领先位置，拥有了品牌的推广效益。在引进人才的同时也要加强培养，完善人才引进补贴指标和灵活的人才培养机制，进一步聚集具有创新意识和科技前沿的各方人才。
（2）加大研发投入占比。应该逐年加大研发的投入占比，不断优化公司现有技术，维持现有技术的领先地位，同时引进公司之外的新型技术，“吃饱饭”的同时也得过上“小康”甚至富裕的生活。这样才能用核心技术赢得话语权，同时不断攻克关键技术难题，使产品不断更新换代，抢占不同领域不同等级的市场，始终保持部分技术的持续领先。这样下去，当随着公司的业务量逐渐增加，市场占有率逐渐提升，那么也就意味着市场对公司产品的认可，反过来就会倒逼公司的产品服务和优化意识，这样就会形成良性循环，公司的发展空间就会越来越大了。
（3）搭乘5G技术快车。随着5G时代的到来，工业化和信息化的融合步伐将会进一步推动，借助诸如人工AI智能、大数据分析等可以大规模商用并完全可以在工业互联网上使用的新型技术，不断完善柔性机器人的网络化和智能化。同时还要不断推动柔性伺服机器人和5G工业互联网的应用示范项目，在第三方数据采集、设备远程维护维修、云计算处理等研发方面加快脚步，在5G的科技前沿，发展自己独有的技术。
同时，机器人双惯量柔性伺服系统控制器研发也可以在伺服驱动器中搭载融合可以直接进行复杂算法的芯片，这样，一方面能使驱动器的通讯更快、更通畅，使得驱动器也能承担部分控制器的计算功能，提高驱动器的性能；另一方面也使得伺服控制器中能留有更多的空间，使其能有更多“精力”处理其他部分的指令，并提高伺服驱动器的智能化水平。另外，伺服控制器系统也可以采用开源式、开放式软件架构，基于人工智能技术的加持，方便各类智能部件和自动化模块灵活的接入。而在成本上，如果配套销售，伺服控制器因为可以减少基础设置而成本降低，但驱动器因为供应链生产成本的优势，即便增加功能也能控制成本的增加。
柔性机器人控制器及周边配套设备作为企业伺服控制系统产品的延伸，将柔性机器人本体和零部件也就是伺服控制器绑定效应更强，一般成熟的机器人企业都能实现本体和核心零部件的自主研发和掌控，以保证稳定性和维护技术体系。在国内，外资本体市场份额优势明显多于国产本体市场份额，柔性机器人伺服控制器市场同样如此。这样既符合市场需求发展的大势，也会具有较强的技术和成本优势，或许将
成为在装备制造核心领域挑战国际巨头的主力军。
4 结论
针对机器人双惯量柔性伺服系统控制器的研发，研发具有开放式结构的模块化、通用化、标准化工业
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机器人控制器系统成为工业机器人控制器发展的主流趋势，以针对不同行业，通过持续的软件升级更新的形式，不断完善整个机器人系统。近年来，人工智能技术的发展推动了语音识别、机械控制等行业朝着精准化、智能化、高效化的方向发展，也为具有双惯量柔性伺服系统控制器研发提供了基础支撑，将引领和拓展伺服控制器在更多领域的应用。
整个世界经济在新冠肺炎疫情的影响下已经发生了巨大改变。在今年国际货币基金组织发布的《世界经济展望报告》中，预计全球经济将会萎缩4.4%，而预计2020年中国经济将会增长1.9%，是全球唯一实现正增长的主要经济体。从这个角度来看，国内市场还是充满着活力。全自动化无人工厂，是未来制造业生产的目标，可以提升制造生产的技术和效率。这样就会促进伺服机器人关联的产业，柔性伺服机器人将会获得巨大的发展机会，不断促进智能制造业的高速发展。同时，疫情也是危机，从危机中发现商机，是每一个公司必须深刻思考的问题。每个公司要做的，就是不断提高内部的技术实力，不断了解行
业前沿技术的同时，对社会新兴技术需求要有敏锐的嗅觉，挑战新的客户应用需求，积极面对这些不同以往的新变化新需求，创造更有新意的生产管理方式，扩大伺服机器人的应用领域。这样就为伺服系统控制器的研发迎来了重要的发展机会，也是国产零部件发展的重要机会。在国家政策的大力支持下，深耕于柔性机器人控制器领域的本体厂商有望突围，提高国产伺服控制器的市场占有率。在工业4.0的大背景下，国产伺服任重而道远，还需努力追赶。参考文献：
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作者简介：
吴文涛 (1980年-) 工程师 研究方向为电机与电气控制技术
基金项目：
镇江市产业前瞻与共性关键技术重点研发计划项目
（GY2019002）
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