САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА Российский патент 1995 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее блок умножения, последовательно соединенные усилитель, электродвигатель, датчик тока, первый сумматор, второй выход электродвигателя соединен с исполнительным механизмом, датчиком положения и датчиком скорости, выходы датчиков положения и скорости соединены соответственно с вторыми входами второго сумматора и блока деления, второй вход первого сумматора соединен с выходом измерителя внешнего момента. Кроме того, оно содержит третий сумматор, интегратор, апериодическое звено и инерционное дифференцирующее звено, причем выход второго сумматора соединен с входом апериодического звена и инерционного дифференцирующего звена, выход которого соединен с первым входом блока умножения, второй вход которого соединен с выходом блока деления, первый вход которого соединен с выходом интегратора, вход которого соединен с выходом первого сумматора, выход блока умножения соединен с первым входом третьего сумматора, второй вход которого соединен с выходом апериодического звена, а выход с входом усилителя [1]
Недостатком этого устройства является неучет моментов скоростных сил, возникающих при движении манипулятора, что приводит к снижению его точности. Здесь осуществляется лишь компенсация переменного момента инерции.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее первый сумматор, выход которого через апериодическое звено соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен с первым выходом вычислительного блока, а выход с последовательно соединенными первым усилителем, электродвигателем с редуктором и датчиком положения, выход которого соединен с вторым отрицательным входом первого сумматора, выход которого через инерционное дифференцирующее звено и второй блок умножения соединен с вторым входом второго сумматора, второй вход второго блока умножения соединен с выходом первого блока деления, вход делимого и делителя которого соединены соответственно с вторым и третьим выходами вычислительного блока, вход датчика положения соединен через датчик скорости со скоростным входом вычислительного блока, первый идентифицирующий вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а входы момента и ускорения этого блока подключены соответственно к выходам датчика тока двигателя и датчика ускорения, вход которого соединен с входом датчика положения и объектом управления, причем вычислительный блок выполнен в виде третьего сумматора, выход которого через интегратор соединен с входом делимого второго блока деления, выход которого соединен с вторым выходом вычислительного блока и первым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым отрицательным входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с входом интегратора, а выход с входом делимого третьего блока деления, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с первым идентифицирующим входом вычислительного блока, а выход с третьим выходом вычислительного блока и через второй усилитель с первым выходом этого блока, вход делителя второго блока деления соединен со скоростным входом вычислительного блока, первым отрицательным входом третьего сумматора, с входом делителя третьего блока деления и через релейный элемент с вторым отрицательным входом третьего сумматора, вход ускорения и моментный вход вычислительного блока соединены соответственно с вторым входом третьего блока умножения и третьим входом третьего сумматора [2]
Недостатком этого устройства является малая точность при больших скоростях движения манипулятора, когда параметры привода нельзя считать квазистационными.

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, 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 и второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения. Кроме того оно 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 [3]
Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Недостатком данного устройства является то, что предназначено оно только для поворотного привода первой степени подвижности робота. Для привода выдвижения горизонтального звена (третья степень подвижности) это устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивость работы.

В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся коррекции, которая обеспечила бы высокую точность и устойчивость работы привода выдвижения горизонтального звена робота.

Целью изобретения является устранение указанного выше недостатка, то есть обеспечение высокой точности и устойчивости привода третьей степени подвижности робота.

Поставленная цель достигается тем, что в электропривод робота, содержащий 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 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 отрицательному 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 отрицательным входом седьмого сумматора, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а выходом к первому положительному входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, дополнительно вводятся 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.

В настоящий момент автору неизвестны действующие или описанные в литературе адаптивные электроприводы роботов, которые обеспечивали бы высокую точность и устойчивость привода роботов в условиях существенного изменения параметров нагрузки. В связи с этим предлагаемый в заявке самонастраивающийся электропривод робота удовлетворяет требованиям "Существенные отличия" и "Новизна" по сравнению с известными устройствами.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота.

Самонастраивающийся электропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с шестерней 8, приводящей в движение рейку (на фиг. не показана), закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота (фиг.2), и движок датчика 9 положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и второму отрицательному входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала, четвертый сумматор 13, пятый сумматор 14, к второму входу которого подключен второй задатчик 15 сигнала, второй блок 16 умножения, шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, а также датчик 19 массы, причем выход датчика 9 положения соединен с первым отрицательным входом седьмого сумматора 20, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а выходом к первому положительному входу первого сумматора 1, выход третьего сумматора 11 соединен с вторым входом второго сумматора 3. Кроме того он содержит последовательно соединенные второй датчик 21 скорости и квадратор 22, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 18 умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора 11, выход датчика 19 массы соединен с вторыми входами первого 2 и второго 16 блоков умножения, выход датчика 9 положения соединен со вторым входом четвертого 13 сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора 17, а выход первого сумматора 2 соединен с третьим входом второго сумматора 3.

На фиг. 2 представлена кинематическая схема исполнительного органа робота.

На фиг. введены следующие обозначения:
α_вх сигнал желаемого положения;
q₁, q₂, q₃ соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;
, , скорости изменения соответствующих обобщенных координат;
ε ошибка привода (величина рассогласования);
m₂, m₃, m_r соответственно массы второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;
l₃^* const расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс при q₃ 0;
l₃ cosnt расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата;
скорость вращения ротора двигателя;
U^*, U соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε сумматора 20 после коррекции, в блоках 1, 2, 3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U, 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 обобщенной координатой q₃. Конструкция робота (фиг.2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов.

Эта конструкция позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение груза (координата q₂), вращение в горизонтальной плоскости (координата q₁) и горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q₃).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₃, существенно зависят от изменения координат а₃, и m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₃ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q₃, , а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода (координата q₃).

Предположим, что горизонтальное звено перемещается с помощью электропривода посредством передачи шестерня-рейка. Причем рейка установлена вдоль горизонтального звена, а шестерня 8 на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус r.

Несложно показать, что в процессе движения робота на его горизонтальное звено со стороны привода действует сила
F (m_г+m₃)-[m₃(l*3

+q₃)+m_г(l*3+l₃+q₃)]
Сила F в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 момент, равный
M_В F ˙r (1)
С учетом соотношения (1), а также уравнения электрической
U iR+K и механической
K+q₃)+ цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения, рассматриваемый привод, управляющий координатой q₃, можно описать следующим дифференциальным уравнением
где R активное сопротивление якорной цепи двигателя; I момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя; К_м коэффициент крутящего момента; К_w коэффициент противоЭДС; К_в коэффициент вязкого трения; i_р передаточное отношение редуктора; М_стр момент сухого трения; К_у коэффициент усиления усилителя 4; i ток якоря двигателя 5; ускорение вращения вала двигателя третьей степени подвижности.

Из [2] видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой q₃, являются существенно переменными, зависящими от , q₃ и m_r. В результате для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое стабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Предположим, что первый положительный вход сумматора 1 единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления K_w/K_у.

Следовательно, на выходе сумматора 1 формируется сигнал
ε
Первый и второй положительные входы сумматоров 13 и 14 имеют единичные коэффициенты усиления. На выходах первого 12 и второго 15 задатчиков сигнала соответственно формируются сигналы l₃^* const и l₃ const. В результате на выходе сумматора 13 формируется сигнал l₃^* + q₃, а на выходе сумматора 14 сигнал l₃^* + l₃ + q₃, так как датчик 9 измеряет положение точки горизонтального звена, отстоящей от центра масс этого звена на расстояние l₃^*.

Первый положительный вход сумматора 17 имеет коэффициент усиления r/i_p, а его второй положительный вход коэффициент усиления rm₃/i_p. В результате на выходе сумматора 17 формируется сигнал
r[m₃(l*3

+q₃)+m_г(l*3+q₃+l₃)]/i_p, а на выходе блока умножения 18 сигнал
r[m₃(l*3+q₃)+m_г(l*3+q₃+l₃)] /i_p, так как датчик 21 установлен в первой степени подвижности робота (фиг.2) и измеряет координату .

Первый положительный и третий отрицательный входы третьего сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления, а второй положительный вход коэффициент усиления + К_В. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал
+ K+M_тsign-r[m₃(l*3

+q₃)+m_г(l*3+q₃+l₃)]/i_p
Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид
U_вых10= - при гдеМ_т| величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 3 имеет коэффициент усиления r²/(i_p²I_н), его второй положительный вход коэффициент усиления , а третий положительный вход коэффициент усиления (I + m₃r²/i_p²)/I_н.

В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Несложно показать, что поскольку М_тsing αDot₃ при движении привода достаточно точно соответствует М_стр, то, подставив полученное значение U* в соотношение (2), получим уравнение
RI+K_мK= K_мK_yε, которое имеет постоянный желаемые параметры. То есть предложенный самонастраивающийся привод, управляющий координатой q₃ будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Таким образом, за счет дополнительного введения датчика 21 скорости, квадратора 22 и новых связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы, рассматриваемого привода.

Изобретение позволяет повысить точность и устойчивость привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работы манипулятора. Эти изменения обусловлены существенным взаимовлиянием между степенями подвижности многозвенника при работе на больших скоростях и вязким трением. Для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается дополнительно ввести датчик скорости и квадратор. После коррекции привод становится инвариантным к изменениям параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения. При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы. 2 ил.

САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА, содержащий 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 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 отрицательному 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 отрицательным входом седьмого сумматора, подключенного вторым положительным входом к входу электропривода, а выходом к первому положительному входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены 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.