СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯЦИОННЫМ РОБОТОМ Российский патент 1995 года по МПК B25J9/00 

Изобретение относится к области управления многосвязными механическими и электромеханическими объектами и может быть использовано при создании систем управления движением многозвенного механического манипулятора (в копирующем режиме, при позиционировании, при движении по заданной траектории, с надлежащим режимом скорости).

Известна система управления электроприводом манипулятора, содержащая датчики тока (в якорных цепях электроприводов), датчики положения и скорости звеньев, регуляторы тока, положения и скорости и т.д. В этой системе осуществляется некоторая компенсация динамического взаимовлияния между звеньями манипулятора (которое возникает при их движении). Для этого используется сигнал величины тока в якорных цепях электродвигателей. По силе тока можно приближенно судить о величине динамического взаимовлияния и учитывать ее при выборе управляющих моментов.

Низкая точность оценок динамического взаимовлияния звеньев приводит к тому, что система не полностью обеспечивает ее компенсацию. Причем это взаимовлияние оказывается значительным для быстродействующих манипуляционных роботов и управляющее воздействие, поданное на привод одного звена, неизбежно вызывает не только изменение положения рассматриваемого звена, но также изменение положения скоростей всех остальных звеньев. Таким образом, наличие динамического взаимовлияния приводит к снижению точности выполнения рабочих операций робота, увеличению времени их реализации (при попытках уменьшить это влияние за счет понижения скорости движения).

Известны другие системы управления, позволяющие компенсировать только слабое динамическое взаимовлияние между элементами объекта управления. Системы управления манипуляцыионными роботами, обеспечивающие полное устранение динамического взаимовлияния, не известны.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для контурного управления промышленным роботом, содержащее блок памяти, элемент И и в каждом звене манипулятора блок задания скорости, блок контроля положения, датчик скорости, датчик положения, сумматор, усилитель и привод. Это устройство представляет собой программный автомат, в память которого занесены последовательные угловые положения, которые должен занимать манипулятор при движении в соответствии с целью управления. Каждое промежуточное положение (определяемое углами ,..., всех n звеньев) отрабатывается за счет линейной отрицательной обратной связи, введенной для каждого звена и содержащей сигнал отклонения по углу и сигнал угловой скорости звена. По достижении заданного положения из блока памяти на отработку поступают новые сигналы (,...,), определяющие новое положение манипулятора.

Это устройство также работает в условиях сильного динамического взаимовлияния между звеньями манипулятора, компенсацию которого не обеспечивает. Именно в сочленениях звеньев механических манипуляторов всегда имеются силы сухого трения, которые носят разрывный, срывной характер. Динамическое взаимовлияние, связанное с сухим трением, не может быть скомпенсировано за счет линейных обратных связей, на которых основано устройство. Поэтому в системе могут возникать автоколебания и даже неустойчивость процесса управления. К аналогичному результату приводит наличие погрешностей измерения датчиков положения и скорости звеньев. В целом это вызывает существенное снижение точности движения схвата по заданной траектории, приводит к нарушению заданного режима скорости. Кроме того, программирование скоростей звеньев манипулятора в устройстве методом равных интервалов приводит к снижению точности движения схвата по углам.

Целью изобретения является повышение быстродействия и точности движения манипулятора.

Цель достигается путем обеспечения движения манипулятора в режиме декомпозиции - режиме полной компенсации динамического взаимовлияния между звеньями манипулятора, которая обеспечивается за счет введения отрицательной релейной обратной связи по отклонению действительной скорости каждого звена от скорости V_i, задаваемой в соответствии с исходной задачей управления манипулятором.

Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что в системе управления манипулятором, содержащей элемент И, выход которого соединен с управляющим входом блока памяти, информационный и адресный входы которого являются соответственно информационным и адресным входами системы управления, и на каждое звено манипулятора канал управления, содержащий усилитель сигнала, привод, выход которого соединен с входом датчика положения и с входом датчика скорости, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход привода является выходом системы, каждый канал управления снабжен компаратором, пороговым элементом, вторым и третьим сумматорами, причем первый вход третьего сумматора соединен с выходом датчика положения, а выход - с входом усилителя сигнала, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом порогового элемента и входом компаратора, выход второго сумматора соединен с входом привода, выход порогового элемента каждого канала управления соединен с соответствующим входом элемента И, выходы блока памяти по скорости и по координате соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего сумматоров каждого канала управления.

Существенными отличительными признаками в указанной выше совокупности являются введенные в каждый канал управления пороговый элемент, компаратор, второй и третий сумматоры. Указанные признаки, отличающие заявляемую систему от прототипа, сами по себе известны и введенные в систему по отдельности не обеспечили бы положительный эффект. Новое свойство заявляемой системы, заключающееся в полном отсутствии динамического взаимовлияния между звеньями манипулятора (и вытекающим отсюда повышением быстродействия и точности), проявляется при наличии только всей совокупности указанных отличительных признаков.

Полное устранение динамического взаимовлияния не проявляется ни в одном из известных источников, содержащих признаки, сходные с указанными выше. Это соответствует критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена блок-схема заявляемой системы управления роботом.

Система управления роботом для каждого звена манипулятора (т.е. по каждой из n регулируемых координат) содержит канал 1 управления. Общими для всех n каналов управления являются соединенные последовательно элемент И 2 и блок 3 памяти. В блоках памяти занесены углы ϕ₁,...,ϕ_nи угловые скорости ,..., каждого из n звеньев манипулятора (для каждого его положения, соответствующего движению манипулятора согласно заданной цели управления). Блок 3 памяти соединен со всеми каналами управления, каждый из которых содержит сумматоры 4, 5, 6, усилитель 7, компаратор 8, привод 9, датчики скорости 10 и положения 11, пороговый элемент 12. Выход блока 3 памяти по углу ϕ_i соединен с входом сумматора 6 (i-го канала), а его выход по угловой скорости - с входом сумматора 5. В каждом канале управления последовательно соединены сумматор 6, усилитель 7, сумматор 5, сумматор 4, компаратор 8, привод 9, а также введены обратные связи по угловой скорости (привод 9 через датчик 10 угловой скорости соединен с сумматором 4) и по углу (привод 9 через датчик 11 угла соединен с сумматором 6). Сумматор 4 через пороговый элемент 12 каждого канала соединен с соответствующим входом элемента И 2.

Система работает следующим образом.

Блоки 5, 6, 7, 11 формируют скорости звеньев манипулятора V_i, требуемые в соответствии с целью управления. Блоки 4, 8, 9, 10 образуют отрицательную релейную обратную связь, содержащую сигнал отклонения (ϕ_i- V_i), и обеспечивают отработку требуемых скоростей Vi, т.е. обеспечивают режим вида
= V_i, i = 1 (1)
Соотношения (1) выражают эффект декомпозиции, т.е. факт полной компенсации динамического взаимовлияния между звеньями манипулятора (т.е. полное устранение перекрестных связей). Это означает, что манипулятор, охваченный описанными обратными связями, становится идеальным повторителем входных сигналов V_i.

Сигнал требуемой скорости V_i формируется на выходе сумматора 5 в соответствии с формулой
V_i = + K_i (- ϕ_i) (K_i > 0), (2) где и программные значения угла и угловой скорости i-го звена. На первый вход сумматора 5 поступает усиленная в усилителе 7 разность Δϕ_i = ϕ_i - значений требуемого и действительного углового положения звена (сигнал выходит из блока 3 памяти, сигнал ϕ_i - из датчика 11 угла). На второй вход сумматора 5 из блока памяти поступает сигнал заданной скорости.

Отработка требуемой угловой скорости V_i в режиме (1) осуществляется за счет релейной отрицательной обратной связи, включающей сумматор 4, компаратор 8, привод 9 и датчик 10 действительной угловой скорости звена. Разность V_i - поступает из сумматора 4 в компаратор 8, и на его выходе устанавливается максимальное по модулю значение, знак которого совпадает со знаком разности V_i - . В результате на выходном валу привода 9 возникает момент
M_i= - sign (-V_i), (3) приложенный к i-му звену и направленный в нужную сторону. Этот момент компенсирует силы, действующие на i-е звено манипулятора (силы динамического взаимовлияния, силы внешнего сопротивления, силы сухого трения, силу тяжести звена и т.п.), и вызывает уменьшение рассогласования
Δ_i= V_i - . (4)
В результате этого процесса за конечное время переходного процесса t_g отклонения Δ_i исчезают полностью и далее при всех t ≥ t_gустанавливается режим (1), т.е.

Δ_i= + K_iΔϕ_i= 0. (5)
При движении в режиме (5) разности и Δϕ_i уменьшаются по экспоненте и таким образом процесс достижения цели оказывается устойчивым:
≅ A_ie; ≅ A_ie.

При достаточно малых Δϕ_i, рассогласование Δ_i оказывается меньше заданного порога:
≅ Δ_i⁰, при этом срабатывают блоки контроля, элемент И и на отработку из блока 3 памяти в каналы управления звеньев поступают новые значения программных углов и скоростей .

Использование: в машиностроении, при создании систем управления движением многозвенного механического манипулятора. Сущность изобретения: система управления содержит элемент И 2, блок 3 памяти, каналы управления звеньями манипулятора. Каждый канал управления дополнительно снабжен компаратором 8, пороговым элементом 12 и двумя дополнительными сумматорами 5,6. 1 ил.

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯЦИОННЫМ РОБОТОМ, содержащая элемент И, выход которого соединен с управляющим входом блока памяти, информационный и адресный входы которого являются соответствующими входами системы управления, и на каждое звено манипулятора - канал управления, содержащий усилитель сигнала, привод звена, который соответственно соединен с входом датчика положения и с входом датчика скорости, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, отличающаяся тем, что каждый канал управления дополнительно содержит компаратор, пороговый элемент, второй и третий сумматоры, при этом первый вход третьего сумматора соединен с выходом датчика положения, а выход - с входом усилителя сигнала, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, при этом выход второго сумматора соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с входом порогового элемента и входом компаратора, а выход компаратора соединен с входом привода, кроме того, выход порогового элемента каждого канала управления соединен с соответствующим входом элемента И, а выходы блока памяти по скорости и по координате соединены соответственно с вторыми входами второго и третьего сумматоров каждого канала управления.