УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ РОБОТА Российский патент 1995 года по МПК B25J13/00 

Изобретение относится к автоматическому управлению и может быть использовано в электроприводах промышленности манипуляторов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения, первый сумматор, второй блок умножения, первый усилитель и электродвигатель, а также вычислительный блок, семь входов которого подключены к семи входам устройства, первый выход - к второму входу второго блока умножения, а второй и третий выходы - соответственно к первому и второму входам первого блока деления, соединенного выходом с вторым входом первого блока умножения. Кроме того, оно содержит последовательно соединенные датчик положения и второй сумматор, а также последовательно подключенные третий сумматор, второй блок деления и третий блок умножения, второй вход которого соединен с вторым выходом блока коррекции, а выход - с вторым входом первого сумматора, подключенного третьим входом к третьему выходу блока коррекции, вход которого соединен с выходом второго сумматора, подключенного вторым входом к восьмому входу устройства. Датчик положения кинематически связан с валом электродвигателя. Второй вход второго блока деления соединен с четвертым выходом вычислительного блока, пятый и шестой выходы которого подключены к первому и второму входам третьего сумматора соответственно (авт.св. N 1579770, кл. В 25 J 13/00, 1990).

Недостатком данного устройства является то, что оно сохраняет достаточно высокую точность работы только для конкретной степени подвижности конкретного типа робота. Для других степеней подвижности других роботов с помощью указанного устройства высокая точность работы обеспечена не будет. В частности, для роботов типа Версатран и других с однотипной кинематикой для достижения высокого качества (точности) управления следует разрабатывать иные устройства управления приводами, которые обеспечивали бы точную компенсацию переменных параметров нагрузки, характерных для манипуляторов указанного типа.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения и второй сумматор, последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, его третий вход через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и третий квадратор - к входу второго усилителя, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные пятый источник постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, его второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора, а также девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, и десятый сумматор.

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению.

Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает инвариантность качественных показателей к переменным динамическим нагрузочным характеристикам объекта управления лишь в том случае, когда эти характеристики в процессе управления меняются достаточно медленно, т.е. когда выполняется условие квазистационарности и можно применить метод замороженных коэффициентов.

Если же нагрузочные характеристики меняются быстро, то строить самонастраивающееся корректирующее устройство на основе передаточной функции нельзя. Аппарат передаточных функций в данном случае неприменим, т.е. не позволяет достичь требуемой инвариантности качества управления к существенно и быстро изменяющимся параметрам нагрузки. Кроме того, в прототипе не учитываются при синтезе адаптивной коррекции моменты сухого и вязкого трения. В результате значительно возрастает динамическая ошибка управления.

Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимодействия 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 изменению его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы (динамической точности управления).

Поставленная задача решается тем, что в предлагаемое устройство для управления приводом робота дополнительно вводится релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход второго сумматора соединен с входом первого усилителя.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота; на фиг.2 - кинематическая схема робота.

Устройство для управления приводом робота содержит первый сумматор 1, последовательно соединенные первый блок 2 умножения и второй сумматор 3, последовательно соединенные первый усилитель 4, электродвигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 - с первым датчиком 8 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик 9 положения, третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 11 постоянного сигнала, первый квадратор 12, четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика 14 постоянного сигнала, пятый сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика 16 постоянного сигнала, второй блок 17 умножения и шестой сумматор 18, последовательно соединенные третий датчик 19 положения, второй усилитель 20, первый функциональный преобразователь 21 и третий блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, а выход - к второму входу второго блока 17 умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь 24, вход которого подключен к входу второго усилителя 20, второй квадратор 25, четвертый блок умножения 26, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 13 и седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика 28 постоянного сигнала, его третий вход через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь 29 и третий квадратор 30 - к входу второго усилителя 20.

Кроме того, устройство содержит последовательно соединенный пятый источник 31 постоянного сигнала, восьмой сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 10 и первому входу девятого сумматора 33, пятый блок 34 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 35 массы, и шестой блок 36 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 32, а выход - к третьему входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные седьмой блок 37 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора 25, а его второй вход - к выходу девятого сумматора 33, вторым входом подключенного к выходу пятого блока 34 умножения, и восьмой блок 38 умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика 39 скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора 18, а также девятый блок 40 умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора 3, и десятый сумматор 41, релейный элемент 42, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 3, а вход - к выходу первого датчика 6 скорости, третьему входу второго сумматора 3 и первому входу девятого блока 40 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 18, причем первый вход десятого сумматора 41 подключен к выходу первого сумматора 1, его второй вход - к выходу первого датчика скорости 6, а выход - к первому входу первого блока 2 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 27, а выход второго сумматора 3 соединен с входом первого усилителя 4, объект управления 43.

На чертеже введены следующие обозначения:
α_вх - сигнал с выхода программного устройства;
ε - сигнал ошибки;
U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем;
q₁, q₂, q₃ - обобщенные координаты трех степеней подвижности;
m₁, m₂, m₃, m_г - массы соответствующих звеньев робота и груза;
l₃ - расстояние от центра масс третьего звена до средней точки схвата;
l₂*, l₃* - расстояния от осей вращения соответствующих звеньев до их центров масс;
, - скорости изменения соответствующих обобщенных координат,
- скорость вращения ротора электродвигателя первой степени подвижности.

Кроме того, полагается, что
J_si - моменты инерции соответствующих звеньев робота относительно продольных осей (i=);
J_Ni - моменты инерции соответствующих звеньев робота относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс (i=2,3).

Устройство работает следующим образом. На вход подается управляющее воздействие α_вх, обеспечивающее требуемый закон управления объектом. На выходе сумматора 1 вырабатывается сигнал ошибки ε, который после коррекции в блоках 2-3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5 с редуктором, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала и внешнего моментного воздействия М_в на привод.

В изобретении рассматривается устройство для управления приводом робота относительно вертикальной оси исполнительного органа робота, схема которого представлена на фиг.2. Этот привод управляет обобщенной координатой q₁.

Датчики 19 и 9 установлены соответственно во второй и третьей степенях подвижности робота (см. фиг.2).

Функциональные преобразователи 21 и 29 реализуют функцию sin, а функциональный преобразователь 24 - функцию cos.

В результате на выходе квадраторов 30 и 25 соответственно формируются сигналы sin²q₂, cos²q₂.

Датчики скорости 23 и 39 соответственно установлены во второй и третьей степенях подвижности робота (см.фиг.2) и измеряют величины , .

Усилитель 20 имеет коэффициент усиления, равный 2. Следовательно, на выходе блока 22 умножения формируется сигнал sinq₂.

Задатчики 11 и 31 постоянного сигнала соответственно формируют сигналы l₃*, l₃. Первый и второй положительные входы сумматоров 10 и 32 имеют единичные коэффициенты усиления, следовательно на их выходах соответственно формируются сигналы l₃*+q₃ и l₃*+q₃+l₃, а на выходах квадратора 12 и блока 36 умножения - соответственно (l₃*+q₃)², m_г(l₃*+q₃+l₃)², так как датчик 35 измеряет массу захваченного груза m_г. Задатчик 14 постоянного сигнала подает на второй единичный положительный вход сумматора 13 сигнал, равный J_N2+J_N3+m₂l₂^*2, третий (со стороны блока 36 умножения) и первый положительные входы сумматора 13 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный m₃. В результате на выходе блока 26 умножения формируется сигнал
cos²q₂[J_N2+J_N3+m₂l₂^*2+ m₃(l₃*q₃)²+m_г(l₃*+q₃+l₃)²].

Задатчик 28 постоянного сигнала подает на второй положительный вход сумматора 27 с единичным коэффициентом усиления сигнал J_S1+Ji_р², где J - момент инерции ротора двигателя и вращающихся элементов редуктора, приведенный к валу двигателя; i_р - передаточное отношение редуктора.

Третий (со стороны квадратора 30) и первый положительные входы этого сумматора соответственно имеют коэффициент усиления, равный J_S2+J_S3, и единичный коэффициент усиления. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал J_s1+Ji_p²+(J_s2+J_s3)sin²q₂+[J_N2+J_N3+ m₂l₂*² + m₃ (l₃* + q₃₎²+ m_г (l₃* + q₃+l₃)²] cos²q₂= Ji_р²+Р(q₂,q₃).

На выходе задатчика 16 постоянного сигнала формируется сигнал J_s2+J_s3. Первый отрицательный (со стороны сумматора 13) и второй положительный входы сумматора 15 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 17 умножения формируется сигнал
A=J_s2+J_s3-J_N2-J_N3-m₂l*2

²-m₃(l*3+q₃)²-m_г(l*3+q₃+l₃)sin(2q₂) Второй (со стороны блока умножения 34) и первый положительные входы сумматора 33 соответственно имеют коэффициент усиления 2 и коэффициент усиления, равный 2m₃. В результате на выходе блока 38 умножения формируется сигнал, равный
B=2m₃(l*3+q₃)+m_г(l*3+q₃+l₃)cos²(q₂)
Положительные входы сумматора 18 имеют единичные коэффициенты усиления, в результате на его выходе формируется сигнал А+В. Первый положительный (со стороны сумматора 1) и второй отрицательный входы сумматора 41 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный K_ω/K_у. В результате на выходе сумматора 41 формируется сигнал ε - , а на выходе блока 2 умножения - сигнал
(P+Ji2р) - , где K_ω, К_м, К_у - соответственно коэффициент противо-ЭДС, коэффициент крутящего момента электродвигателя 5 и коэффициент усиления усилителя 4.

Второй положительный вход (со стороны релейного элемента 42) сумматора 3 имеет коэффициент усиления , его третий положительный вход (со стороны датчика 6) - коэффициент усиления K_ω/К_у+К_вR/K_мК_у, где R - активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя 5; К_в - коэффициент вязкого трения, а первый (со стороны блока 2 умножения) и четвертый его положительные входы - соответственно коэффициенты усиления 1/(J_нi_р²) и i-р

² (где J_н - номинальное значение приведенного к валу двигателя момента инерции).

В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал
U^* = - +M_тsign+ + K_В + +M_тsign (1) поскольку на выходе релейного элемента 42 с нулевой нейтральной точкой формируется сигнал
U_вых42 = при где М_т=const - величина момента сухого трения при движении электродвигателя.

Поскольку кинетическая энергия движущихся масс исполнительного органа робота представляется в виде
T = J_N2+m₂l*2

²+J_N3+m₃(l*3+q₃)²+m_г(l*3+q₃+l₃)+
+ J_s1+(J_s2+J_s3)sin²q₂+
+ J_N2+J_N3+m₂l*2²+m₃(l*3+q₃)²+m_г(l*3+q₃+l₃)cos²q+
+ а потенциальная энергия имеет вид
П=g[m₂l₂* + m₃(l₃* + q₃)+m_г(l₃* + q₃+l₃)]sinq₂, где g - ускорение свободного падения, то учитывая, что
= J_s1+(J_s2+J_s3)sin²q₂+ J_N2+J_N3+m₂l*2²+
+ m₃(l*3+q₃)²+m_г(l*3+q₃+l₃)cos²q
= 0
=P+(A+B) из уравнения Лагранжа 2 рода несложно получить
M_В=P+(A+B) (2)
С учетом соотношения /1/, а также уравнений электрической
U=iR+K и механической
iK_М=J+K+M_В/i_р+ M_стр=(J+P/i2р)+[(A+B)/i2р+K_В]+M_стр цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₁ можно описать дифференциальным уравнением
K_уK_МU^*= R(J+P/i2р)+{ K_МK_ω+R[K_в+(A+B)/i2р]}+RM_стр (3) так как α₁=i_pq₁. Так как при движении привода M_тsign достаточно точно соответствует М_стр, то сформированный сигнал U* /1/ обеспечивает превращение дифференциального уравнения нагруженного электропривода /3/ с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными (желаемыми) параметрами
RJ+K_МK= K_уK_Мε обеспечивающими рассматриваемому приводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели работы.

Таким образом, с помощью сформированного корректирующего устройства удалось повысить динамическую точность работы привода в условиях значительного изменения параметров нагрузки.

Использование: машиностроение, в электроприводах промышленных манипуляторов. Сущность изобретения: для стабилизации динамических свойств привода и качественных показателей работы устройство дополнительно снабжено релейным элементом 42, выход которого подключен к второму входу сумматора 3, а вход-к выходу датчика 6 скорости, третьему входу сумматора 3 и первому входу блока 40 умножения. Второй вход блока 40 подключен к выходу сумматора 18, первый вход сумматора 41 - к выходу сумматора 1, а его второй вход - к выходу датчика 6 скорости. Выход сумматора 41 подключен к первому входу блока 2 умножения, а его второй вход к выходу сумматора 27. Выход сумматора 3 соединен входом усилителя 4. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ РОБОТА, содержащее первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения и второй сумматор, последовательно соединенные первый усилитель, электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, его третий вход через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и третий квадратор - к входу второго усилителя, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, его второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора, а также девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, и десятый сумматор, отличающееся тем, что в него дополнительно введен релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход второго сумматора соединен с входом первого усилителя.