устройство для управления приводом робота

Формула изобретения

Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно подключенные усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика сигнала, а третьим входом - с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом - с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика сигнала, выход третьего задатчика сигнала подключен к второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения, а также пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и восьмой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, соединенного выходом с входом усилителя, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, второй вход - с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора, отличающееся тем, что оно снабжено датчиком ускорения и последовательно соединенными функциональным преобразователем, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, шестым блоком умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика ускорения и седьмым блоком умножения, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, а выход - с четвертым входом восьмого сумматора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем выход датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора, выход датчика массы соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход датчика положения соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора (см. патент РФ 2037173, БИ 16, 1995 г.).

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно подключенные усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор и второй блок умножения, а также пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и восьмой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, соединенного выходом с входом усилителя, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика сигнала, а третьим входом - с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом - с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика сигнала, выход третьего задатчика сигнала подключен к второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, второй вход с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора (см. патент РФ 1484702, БИ 21, 1989 г.).

Недостатком этих устройств (аналога и прототипа) является то, что оно эффективно только для исполнительного органа робота, имеющего три степени подвижности. Однако при трех степенях подвижности у робота значительно сокращается рабочая зона (зона обслуживания). Например, при работе на конвейере желательно, чтобы робот мог перемещаться вдоль этого конвейера, сопровождая движущееся изделие и выполняя требуемые технологические операции. Однако при введении четвертой линейной степени подвижности q₄ в рассматриваемом приводе появляются дополнительные возмущающие моментные воздействия, значительно ухудшающие его показатели качества. В результате возникает задача компенсации этих вредных моментных воздействий за счет введения дополнительных сигналов коррекции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении манипулятора по всем четырем степеням подвижности и тем самым повышение динамической точности управления.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход привода, который обеспечивает получение дополнительного моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны четвертой степени подвижности (см. координату q₄) на качественные показатели работы рассматриваемого привода.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно подключенные усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика сигнала, а третьим входом - с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом - с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика сигнала, выход третьего задатчика сигнала подключен к второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения, а также пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и восьмой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, соединенного выходом с входом усилителя, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, второй вход - с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика ускорения, и седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, а выход - с четвертым входом восьмого сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую точность и устойчивость работы привода робота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота, а на фиг.3 показан вид сверху в проекции на горизонтальную плоскость хy.

Устройство для управления приводом робота содержит первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, усилитель 3, двигатель 4, первый датчик 5 скорости, редуктор 6, первый датчик 7 положения, второй сумматор 8, второй датчик 9 положения, третий сумматор 10, первый задатчик 11 сигнала, четвертый сумматор 12, второй задатчик 13 сигнала, первый квадратор 14, второй блок умножения 15, датчик 16 массы, пятый сумматор 17, третий задатчик 18 сигнала, второй квадратор 19, третий блок 20 умножения, шестой сумматор 21, четвертый блок 22 умножения, второй датчик 23 скорости, пятый блок 24 умножения, седьмой сумматор 25, релейный блок 26, восьмой сумматор 27, функциональный преобразователь 28, шестой блок 29 умножения, датчик 30 ускорения, седьмой блок 31 умножения и объект управления 32.

На чертежах введены следующие обозначения:

_вх - сигнал желаемого положения;

q_i - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота

скорость изменения третьей обобщенной координаты;

ускорение четвертой обобщенной координаты;

- ошибка привода (величина рассогласования);

m₂, m₃, m_г - соответственно массы второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;

l₃*=const - исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс при q₃=0;

l₃= const - расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата;

скорость вращения ротора двигателя первой степени подвижности;

U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 4.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки с сумматора 8 после коррекции в блоках 1, 2 и 25, усиливаясь, поступает на электродвигатель 4 и приводит его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала , моментов трения и внешнего моментного воздействия М_в. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет перемещением вокруг вертикальной оси (обобщенная координата q₁). Конструкция робота позволяет осуществлять также вертикальное прямолинейное перемещение груза (обобщенная координата q₂) и его горизонтальные прямолинейные перемещения (обобщенные координаты q₃ и q₄).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой ₁, существенно зависят от непрерывного изменения координат q₁, q₃, В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q₁, q₃, на динамические свойства рассматриваемого привода поворота.

Моментное воздействие на выходной вал привода поворота со стороны движущихся масс исполнительного органа робота и груза, определенное с помощью уравнения Лагранжа 2 рода, имеет вид



где

H(q₃,m_г)=m₃(1*₃+q₃)²+m_г(1*₃+1₃+q₃)²+I_N+I_s,(2)





где I_S и I_N - соответственно моменты инерции вертикального звена исполнительного органа относительно продольной оси и горизонтального звена относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс.

С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений электрической и механической цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод поворота можно описать следующим дифференциальным уравнением:



где R - активное сопротивление якорной цепи;

I - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя;

К_м -коэффициент крутящего момента;

K_w- коэффициент противоЭДС;

К_в - коэффициент вязкого трения;

i_p -передаточное отношение редуктора;

М_стр -момент сухого трения;

К_у -коэффициент усиления усилителя 3;

i- ток якоря;

H*=H/i_p ²; h*=h/i_p ²; M*=M/i_p.

Очевидно, что изменение h, H и М, вызванное изменением q₁, q₃, существенно влияет на динамические свойства, а следовательно, и качественные показатели рассматриваемого привода. Причем из (3) следует, что при большом по модулю h* отрицательного знака привод даже может потерять устойчивость, так как появляются положительные корни характеристического уравнения (3).

Для реализации поставленной задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами и не зависел бы от переменных М, Н и h и сил трения.

Полагается, что второй положительный вход сумматора 25 единичный, а первый отрицательный вход имеет коэффициент усиления К_w/К_y, первый положительный вход сумматора 27 имеет единичный коэффициент усиления, его второй положительный вход - коэффициент усиления (K_мK_w/R+K_в), третий положительный единичный, а четвертый положительный имеет коэффициент усиления, равный i_р/2. Причем выходной сигнал релейного блока 26 с нулевой нейтральной точкой имеет вид



где |M_т| - величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 2 единичный, а второй положительный имеет коэффициент усиления R/(K_мK_у).

Первый и третий положительный входы сумматора 17 имеют коэффициенты усиления l/(I_нi_p ²), m₃/(I_нi_p ²) соответственно, где I_н - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее приводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели. Причем с выхода задатчика 11 на второй единичный положительный вход сумматора 17 поступает сигнал, равный (I_s+I_н+ Ii_p ²)/I_нi_p ².

Первый и второй положительные входы сумматора 21 имеют коэффициенты усиления 2m₃/i_p ² и 2/i_p ² соответственно, положительные входы третьего 10 и четвертого 12 сумматоров - единичные. Задатчик 18 вырабатывает сигнал, равный l^* ₃, а задатчик 13 - сигнал l₃.

Таким образом, на выходе сумматора 10 формируется сигнал, равный l^* ₃+q₃, а на выходе сумматора 12 - сигнал l₃+l^* ₃+q₃. На выходе блока 15 умножения формируется сигнал m_г(l₃+l^* ₃+q₃)², а на выходе квадратора 19 - сигнал (l₃+q₃)². В результате на выходе сумматора 17 появляется сигнал, пропорциональный

Таким образом, на выходе блока 1 умножения формируется сигнал на выходе блока 20 умножения сигнал m_r(l₃+l^* ₃+q₃), a на выходе сумматора 21 - сигнал

На выходе блока 22 умножения формируется сигнал, равный а на выходе блока 29 умножения - сигнал т.к. функциональный преобразователь 28 формирует сигнал cosq₁, а датчик 30 ускорения измеряет координату

На выходе сумматора 27 имеем сигнал И окончательно на выходе сумматора 2 имеем



Подставив U^* из (4) в (3), имеем

Очевидно, что уравнение (5) имеет постоянные желаемые параметры, а сам привод обладает постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.