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

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами роботов.

Известно 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 со 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 третьими входами вычислительного блока, вход датчика положения соединен через датчик скорости со скоростным входом вычислительного блока, первый идентифицирующий вход которого соединен с выходом первого источника опорного направления, 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 [1]
Недостатком этого устройства является малая точность при больших скоростях движения манипулятора, когда параметры привода нельзя считать квазистационарными.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, а третий вход с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход ко второму входу первого блока умножения, а также второй датчик положения, второй и третий задатчик сигнала, шестой и седьмой сумматоры, четвертый и пятый блоки умножения, датчик ускорения, первый функциональный преобразователь, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь и шестой блок умножения, а также седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго блока умножения, второй вход к выходу второго датчика скорости, а выход к четвертому входу четвертого сумматора, соединенного пятым входом с выходом пятого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика ускорения, а второй вход к выходу седьмого сумматора, соединенного первым входом с выходом третьего задатчика сигнала, вторым входом с выходом четвертого блока умножения и вторым входом пятого сумматора, а третьим входом с выходом датчика массы и первым входом шестого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выхода ко второму входу шестого блока умножения и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом с выходом первого функционального преобразователя, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и входу второго функционального преобразователя, а выход шестого блока умножения соединен с вторым входом второго блока умножения.

Недостаток известного решения заключается в отсутствии инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является обеспечение инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, выражается в обеспечении стабильности заданного качества системы управления.

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 электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, а третий вход с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика ускорения, а выход с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и шестой блок умножения, второй вход которого через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход к второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход с третьим входом пятого сумматора, третий вход шестого сумматора соединен с выходом датчика массы, пятый вход четвертого сумматора через седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, подключен к выходу второго датчика скорости, дополнительно вводятся последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а его выход с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход к седьмому входу четвертого сумматора.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с известными аналогами и прототипом показывает, что предлагаемое устройство соответствует критерию "новизна".

Заявляемая совокупность признаков позволяет обеспечить полную инвариантность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения, что, в свою очередь, позволяет получить высокое качество управления в любых режимах работы привода.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 кинематическая схема исполнительного органа робота.

Введены следующие обозначения:
α_вх сигнал желаемого положения;
q₁, q₂, q₃ соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;
q₂, q₃ скорости изменения соответствующих обобщенных координат;
ε ошибка привода (величина рассогласования);
m₁, m₂, m₃, m_г соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;
l₂*, l₃* расстояние от осей вращения соответствующих звеньев до их центров масс;
l₂, l₃ длины соответствующих звеньев;
α₂ скорость вращения ротора двигателя;
U*, U соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 6.

Устройство для управления приводом робота содержит первый сумматор 1, второй сумматор 2, первый блок умножения 3, третий сумматор 4, усилитель 5 и электродвигатель 6, связанный с первым датчиком скорости 7 и через редуктор 8 с первым датчиком положения 9, подключенным к первому входу первого сумматора 1, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные второй датчик 10 скорости, второй блок 11 умножения, третий блок 12 умножения и четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора 2 и выходом первого датчика 7 скорости, а третий вход с выходом релейного элемента 14, подключенного входом к второму входу третьего блока 12 умножения и выходу первого датчика 7 скорости, последовательно соединенные датчик 15 массы и пятый сумматор 16, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 17 сигнала, а выход к второму входу первого блока 3 умножения, последовательно соединенные второй датчик 18 положения, первый функциональный преобразователь 19, четвертый блок 20 умножения, шестой сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика 22 сигнала, пятый блок 23 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика ускорения 24, а выход с четвертым входом четвертого сумматора 13, последовательно соединенные третий задатчик 25 сигнала, седьмой сумматор 26, второй вход которого подключен к выходу датчика 15 массы и шестой блок 27 умножения, второй вход которого через второй функциональный преобразователь 28 подключен к выходу второго датчика 18, а выход ко второму входу второго блока 11 умножения, причем второй вход четвертого блока 20 соединен с выходом седьмого сумматора 26, его выход с третьим входом пятого сумматора 16, третий вход шестого сумматора 21 соединен с выходом датчика 15 массы, пятый вход четвертого сумматора 13 через седьмой блок 29 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 11 умножения, подключен к выходу второго датчика 10 скорости, последовательно соединенные четвертый задатчик 30 постоянного сигнала, восьмой сумматор 31, второй вход которого подключен к выходу датчика 15 массы, и восьмой блок 32 умножения, второй вход которого через третий функциональный преобразователь 33 соединен с выходом первого датчика 9 положения, а его выход с шестым входом четвертого сумматора 13, последовательно соединенный девятый сумматор 34, первый и второй вход которого подключены соответственно к выходам первого 9 и второго 18 датчиков положения, четвертый функциональный преобразователь 35 и девятый блок 36 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 26, а выход к седьмому входу четвертого сумматора 13, объект управления 37.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε на выходе сумматора 1 после коррекции в блоках 2-4, усиливаясь, поступает на электродвигатель 6, 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 приводят 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 q₂. Конструкция робота (см. фиг.2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов. Эта конструкция позволяет осуществлять горизонтальное прямолинейное перемещение груза (координата q₁) и два вращательных движения в вертикальной плоскости (координаты q₂ и q₃).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₂, существенно зависят от изменения координат q₂, q₃, , и m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₂ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координаты q₂, q₃, и а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода поворота (координата q₂).

Для определения моментных воздействий на рассматриваемый привод (обобщенных моментов неконсервативных сил) используют уравнение Лагранжа II рода. Кинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (фиг.2) представляется в виде
T + (+)²+
+ + (m₃l*3

+m_гl₃)l₂cos(q₃)(+)+
+ ,
где I₂, I₃ моменты инерции соответствующих горизонтальных звеньев относительно их центров масс.

Потенциальная энергия имеет вид
П= m₂gl₂*(1-cosq₂)+m₃g[l₂(1-cosq₂)+l₃*(1-cos(q₂++q₃))] + m_гg[l₂(1-cosq₂)+
l₃(1-cos(q₂-q₃))] где g ускорение свободного падения.

Учитывая, что
[I₂+m₂l*2

²+I₃+m₃l*3²+m_гl23+(m₃+m_г)l22+2(m₃l*3+m_гl₃)l₂cos(q₃)] + + [I₃+m₃l*3²+m_гl23+(m₃l*3+m_гl₃)l₂cos(q₃)]
= [I₂+I₃+m₂l*2²+m₃l*3²+m_гl₃+(m₃+m_г)l22+ +2(m₃l*3+m_гl₃)l₂cos(q₃)] -2(m₃l₃+m_гl₃)l₂sin(q₃)+ I₃-m₃l*3²+m_гl23+(m₃l*3+m_гl₃)l₂cos(q₃)] - -(m₃l*3+m_гl₃)l₂sin(q₃); 0; 0,
g[m₂l*2+(m₃+m_г)l₂]sinq₂+g[m₃l*3+m_гl₃]sin(q₂+q₃)
на основе уравнений Лагранжа II рода можно записать, что моментное воздействие на выходной вал привода, управляющего координатой q₂, при движении робота (фиг.2) с грузом имеет вид
M_в=H(q₃)+h(q)+M_вн (1)
где
(2)
С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений электрической U= iR+ K и механической
iK=(H^*+I)+(h^*+K_в)+M_стр+M*в_н цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₂, можно описать следующим дифференциальным уравнением
K_уK_мu^*=R(I+H^*)+[K_мK_ω+R(K_в+h^*)]+R(M_стр+M*в_н)=R{ I+[I₂+I₃+m₃l*2²+m₃l*3²+(m₃+m_г)l22+m_гl23+ +2l₂(m₃l*3+m_гl₃)cos(q₃)] /i2p}+K_мK_ω+R[K_в-2l₂(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₃)/i2p]+ R[I₃+m₃l*3²+m_гl23+l₂(m₃l*3+m_гl₃)cosq₃]/i_p- Rl₂(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₃)q23/i_p+R_g[m₂l*2+(m₃+m_г)l₂]sinq₂/i_p+
R_д(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₂+q₃)/i_p+RM_стр,
(3)
где Н^*=Н/i_р²; h^*=h/i_р²; M*в_н=М_вн/i_р,
R активное сопротивление якорной цепи двигателя;
I момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя; К_м коэффициент крутящегося момента; K_ω- коэффициент противоЭДС; К_в коэффициент вязкого трения; i_р передаточное отношение редуктора; М_стр момент сухого трения; К_у коэффициент усиления усилителя 5; i ток якоря; ускорение вращения вала двигателя второй степени подвижности.

Из (3) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой q₂, являются существенно переменными, зависящими от величин q₂, q₃, , m_г. В результате в процессе работы привода меняются (притом существенно) его динамические свойства. Для реализации поставленной задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными параметрами.

Полагается, что первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усилия K_ω/К_у. Следовательно, на выходе сумматора 2 формируется сигнал ε
Первый вход сумматора 26 единичный, а задатчик 25 сигнала подает на него сигнал l₂l*3

m₃. Второй вход этого сумматора имеет коэффициент усиления l₂l₃. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал l₂(m₃l*3 +m_гl₃).

Второй датчик 18 положения измеряет обобщенную координату q₃робота, а функциональный преобразователь 19 реализует cosq₃. В результате на выходе блока 20 умножения формируется сигнал
l₂(m₃l₃^*+m_гl₃)сosq₃.

Второй вход сумматора 16 имеет единичный коэффициент усиления, а задатчик 17 сигнала подает на этот вход сигнал
[I+(I₂+I₃+m₂l*2

²+m₃l*3²+m₃l₂²/i₂²]/I_н
На первый его вход с коэффициентом усиления (l₂²+ l₃²)/(i_р²I_н) датчик 15 массы подает сигнал m_г. Третий вход сумматора 16 имеет коэффициент усиления 2/(i_р²I_н). В результате на его выходе формируется сигнал I+[I₂+I₃+m₂l*2²+m₃l*3²+m₃l₂²+m_г(l₂²+l₃²)+ +2l₂(m₃l*3
+m_гl₃)cos(q₃)/i_р²}/I_н= А,
а на выходе блока 3 умножения сигнал А . Функциональный преобразователь 28 реализует функциональную зависимость sinq₃. В результате на выходе блока 27 умножения формируется сигнал l₂(m₃l*3 +m_гl₃)sinq₃.

Датчик 10 скорости измеряет скорость изменения обобщенной координаты q₃ и как и датчик 18 положения установлен в третьей степени подвижности робота. В результате на первый отрицательный вход сумматора 13 (со стороны блока 12 умножения) с коэффициентом усиления 2/i_р²поступает сигнал
l₂(m₃l*3

+m_гl₃)sin(q₃), а на пятый отрицательный вход этого сумматора (со стороны блока 29 умножения с коэффициентом усиления I/i_р сигнал
l₂(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₃)
Первый и второй входы сумматора 21 (соответственно со стороны блока 20 умножения и задатчика 22 сигнала) имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий вход коэффициент усиления l₃². Задатчик 22 сигнала формирует сигнал I₃+m₃l*3², а датчик 24 ускорения измеряет ускорение обобщенной координаты q₃ и установлен в третьей степени подвижности робота. В результате на выходе блока 23 умножения формируется сигнал
[I₃+m₃l+3²+m_гl23+l₂(m₃l*3+m_гl₃)cosq₃] который поступает на четвертый положительный вход сумматора 13, имеющий коэффициент усиления I/i_р. Третий и второй положительные входы сумматора 13 (соответственно со стороны релейного элемента 14 и датчика 7 скорости) соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный К_мK_ω/R+ K_в. Выходной сигнал релейного элемента 14 с нулевой нейтральной точкой имеет вид
U при
где М_т величина момента сухого трения при движении. Первый и второй входы сумматора 34 имеют единичные коэффициенты усиления, а функциональный преобразователь 35 реализует функциональную зависимость sin(q₂+q₃). В результате на выходе блока 36 умножения формируется сигнал
l₂(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₂+q₃), который поступает на седьмой положительный вход сумматора 13 с коэффициентом усиления g/(l₂i_р).

Задатчик 30 постоянного сигнала вырабатывает сигнал m₂l*2

+m₃l₂ и подает его на первый вход сумматора 31, имеющий единичный коэффициент усиления, второй вход этого сумматора имеет коэффициент усиления l₂. Функциональный преобразователь 33 реализует функциональную зависимость sinq₂. В результате на выходе блока 32 умножения формируется сигнал
[m₂l*2+(m₃+m_г)l₂] sinq₂, который поступает на шестой положительный вход сумматора 13, имеющий коэффициент усиления g/i_р.

Исходя из отмеченного, на выходе сумматора 13 формируется сигнал
+ K_в-2l₂(m₃l*3

+m_гl₃)sin(q₃)/i+M_тsign+
+I₃+m₃l*3²+m_гl23+l₂(m₃l*3+m_гl₃)cosq₃]/i_p-
-l₂(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₃)/i_p+
+g[m₂l*2+(m₃+m_г)l₂]sinq₂/i_p+g(m₃l*3+m_гl₃)sin(q₂+q₃)/i_p= B
Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока 3 умножения) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход коэффициент усиления R/(K_мК_у). В результате на выходе сумматора 4 формируется сигнал U^*, равный
u^*=A + B (4) (4)
Поскольку при движении привода М_тsign α₂ достаточно точно соответствует М_стр, то сигнал U^* (4), обеспечивает превращение уравнения (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с постоянными желаемыми параметрами, обеспечивающими приводу заданные динамические свойства и качественные по казатели RI+K_мK=K_уK_мε.

Таким образом, за счет дополнительного введения задатчика 30 сигнала, восьмого 31 и девятого 34 сумматоров, восьмого 32 и девятого 36 блоков умножения, третьего 33 и четвертого 35 функциональных преобразователей удается 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.

Устройство для управления приводом робота. Использование: в машиностроении, для систем управления приводами роботов. Сущность изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов дополнительно вводятся задатчик постоянного сигнала 30, сумматоры 31 и 34, блоки умножения 32 и 36 и функциональные преобразователи 33 и 35. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ РОБОТА, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, а третий вход с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика ускорения, а выход с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход к второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход с третьим входом пятого сумматора, третий вход шестого сумматора соединен с выходом датчика массы, пятый вход четвертого сумматора через седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, подключен к выходу второго датчика скорости, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а его выход с шестым входом четвертого сумматора, а также последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход к седьмому входу четвертого сумматора.