устройство для управления приводом робота
Классы МПК: | B25J9/16 программное управление B25J13/00 Управление манипуляторами |
Автор(ы): | Филаретов В.Ф. |
Патентообладатель(и): | Дальневосточный государственный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
2002-01-25 публикация патента:
27.11.2002 |
Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов. Устройство снабжено вторым датчиком положения, седьмым сумматором, третьим функциональным преобразователем, шестым блоком умножения и седьмым блоком умножения. Изобретение позволит обеспечить полную инвариантность 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. 2 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2
Формула изобретения
Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов. Известно 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. Кроме того, устройство содержит 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 (см. а.с. СССР 1484702, МКИ В 25 J 13/00, 1989 г.). Его недостатком является то, что оно предназначено только для конкретного привода конкретного робота. Для приводов других степеней подвижности других роботов (с другой кинематикой) это устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивость работы. Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора (см. патент РФ 1782721, БИ 47, 1992 г.). Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению. Недостатком прототипа является то, что рассматриваемый в нем робот имеет только три степени подвижности. Однако при трех степенях подвижности у робота значительно сокращается рабочая зона (зона обслуживания). Например, при работе на конвейере желательно перемещение робота вдоль этого конвейера без его остановки на время выполнения рабочих операций. Но при введении линейной четвертой степени подвижности в рассматриваемом приводе появляются дополнительные возмущающие моменты, ухудшающие его показатели качества. В результате появляется задача компенсации этих вредных дополнительных моментов 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 дополнительной степени подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого привода. Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, дополнительно введены второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а его выход - к пятому входу четвертого 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 дана блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота, а фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота. Устройство для управления приводом робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, второй сумматор 2, первый блок умножения 3, третий сумматор 4, усилитель 5 и двигатель 6, связанный с первым датчиком 7 скорости непосредственно и через редуктор 8 с первым датчиком 9 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент 10 и четвертый сумматор 11, второй вход которого подключен к входу релейного элемента 10, второму входу второго сумматора 2 и выходу первого датчика 7 скорости, выход - к второму входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные первый задатчик сигнала 12 и пятый сумматор 13, а также второй датчик 14 скорости, датчик массы 15, второй задатчик 16 сигнала, квадратор 17, шестой сумматор 18 и с второго по пятый блоки 19-22 умножения, первый датчик 23 ускорения, а также первый 24 и второй 25 функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика 9 положения, выход датчика массы 15 подключен к второму входу первого блока 3 умножения, первому входу шестого сумматора 18 и второму входу пятого сумматора 13, соединенного выходом с первыми входами второго 19 и третьего 20 блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого 24 и второго 25 функционального преобразователя, а их выходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора 18 и первому входу четвертого блока 21 умножения, соединенного вторым входом через квадратор 17 с выходом второго датчика 14 скорости, а выходом с третьим входом четвертого сумматора 11, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока 22 умножения, соединенного первым входом с выходом датчика 23 ускорения, а вторым входом с выходом шестого сумматора 18, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика 16 сигнала, а выход сумматора 2 соединен с третьим входом третьего сумматора 4, второй датчик 26 положения, седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 9 положения, третий функциональный преобразователь 28, шестой блок 29 умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора 13, и седьмой блок 30 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 31 ускорения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора 11. На фигурах введены следующие обозначения:![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193022/945.gif)
q1, q2, q3, q4- соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-2t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193154/949.gif)
m1, m2, m3, mг - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;
l2*, l3* - расстояния от осей вращения горизонтальных звеньев до их центров масс;
l2, l3 - длины соответствующих горизонтальных звеньев;
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-3t.gif)
U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 6. Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193154/949.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-4t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-5t.gif)
С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-6t.gif)
и механической
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-7t.gif)
цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q3, можно описать следующим уравнением:
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-8t.gif)
где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя;
J - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя;
kм - коэффициент крутящего момента;
k
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193079/969.gif)
kв - коэффициент вязкого трения;
iр - передаточное отношение редуктора;
Мстр - момент сухого трения;
kу - коэффициент усиления усилителя 5;
i - ток якоря;
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-9t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-10t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193079/969.gif)
Первый, третий и четвертый положительные входы сумматора 11 (соответственно со стороны релейного элемента 10, блока 21 умножения и блока 22 умножения) единичные, его второй положительный вход (со стороны датчика 7 скорости) имеет коэффициент усиления kмk
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193079/969.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-11t.gif)
где
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-12t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-13t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-14t.gif)
Датчик 14 скорости измеряет скорость вращения во второй степени подвижности (координату q2), а функциональный преобразователь 25 реализует функциональную зависимость sin q3. Поэтому на выходе блока 20 умножения появляется сигнал l2(m3l3* + mгl3)sin q3/ip, а на выходе блока 21 умножения - сигнал
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-15t.gif)
Датчик 26 положения установлен во второй степени подвижности робота и измеряет координату q2. Датчик ускорения 31 установлен в первой степени подвижности робота и измеряет координату
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-16t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-17t.gif)
С учетом отмеченных выше коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 11 на его выходе формируется сигнал
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-18t.gif)
На выходе сумматора 2 формируется сигнал
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-19t.gif)
а на выходе блока 3 умножения - сигнал
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-20t.gif)
Таким образом, с учетом указанных коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 4 на его выходе окончательно будет сформирован сигнал U* вида
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-21t.gif)
Несложно показать, что, поскольку при движении привода
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-22t.gif)
![устройство для управления приводом робота, патент № 2193480](/images/patents/277/2193480/2193480-23t.gif)
которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть, сам привод, управляющий координатой q3, будет обладать постоянными желаемыми динамическим свойствами и качественными показателями. Таким образом, за счет введения дополнительных элементов и связей удалось обеспечить полную инвариантность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы привода. Практическая реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений, так как в нем использованы только типовые электронные элементы.
Класс B25J9/16 программное управление
Класс B25J13/00 Управление манипуляторами
устройство для управления подводным роботом - патент 2524034 (27.07.2014) | ![]() |
устройство для управления подводным роботом - патент 2523160 (20.07.2014) | ![]() |
роботизированная хирургическая система минимального инвазивного вмешательства и способ ее управления - патент 2518806 (10.06.2014) | ![]() |
устройство ручного управления манипулятором-триподом - патент 2501648 (20.12.2013) | ![]() |
электропривод манипулятора - патент 2489251 (10.08.2013) | ![]() |
электропривод робота - патент 2489250 (10.08.2013) | ![]() |
электропривод робота - патент 2488480 (27.07.2013) | ![]() |
электропривод робота - патент 2488479 (27.07.2013) | ![]() |
электропривод манипулятора - патент 2487008 (10.07.2013) | ![]() |
электропривод манипулятора - патент 2478465 (10.04.2013) | ![]() |