УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ РОБОТА Российский патент 2002 года по МПК B25J9/16 B25J13/00 

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:
α_ВХ - сигнал желаемого положения;
q₁, q₂, q₃, q₄- соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;
- 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* - расстояния от осей вращения горизонтальных звеньев до их центров масс;
l₂, l₃ - длины соответствующих горизонтальных звеньев;
- скорость вращения ротора двигателя;
U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 6.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε сумматора 1 после коррекции в блоках 2, 3, 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 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 (см., например, роботы типа skilam, SR-2, SR-3, SR-4, ТУР-2.5, гранат-2,5 и т.д.).

Эта конструкция позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение груза (координата q₄), два вращательных движения в горизонтальной плоскости (координаты q₂ и q₃) и линейное горизонтальное перемещение (координата q₁). Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₃, существенно зависят от изменения координат и груза m_г. В вязи с этим для качественного управления координатой q₃ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат, а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода (координата q₃).

На основе уравнений Лагранжа II рода моментное воздействие на выходной вал привода управления координатой q₂ с грузом имеет вид

С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической

и механической

цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₃, можно описать следующим уравнением:

где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя;
J - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя;
k_м - коэффициент крутящего момента;
k_ω - коэффициент противо-ЭДС;
k_в - коэффициент вязкого трения;
i_р - передаточное отношение редуктора;
М_стр - момент сухого трения;
k_у - коэффициент усиления усилителя 5;
i - ток якоря;
- ускорение вращения вала двигателя третьей степени подвижности.

Из уравнения (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой q₃, являются существенно переменными, зависящими от величины В результате в процессе работы привода меняются (притом существенно) его динамические свойства. Для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными параметрами.

Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления k_ω/k_y.
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 k_мk_ω/R+k_в, а пятый положительный вход (со стороны блока 30 умножения) - коэффициент усиления, равный 1/l₂. Причем выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

где - величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока 3 умножения) имеет коэффициент усиления l₃ ²/(j_нi_p ²), второй положительный (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления R/k_мk_y, а третий положительный (со стороны сумматора 2) - коэффициент усиления [J + (J₃ + m₃l₃*²)/i_p ²]/J_н, где J_н - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее рассматриваемому приводу робота заданные динамические свойства и показатели качества.

Первый положительный вход сумматора 13 (со стороны датчика 15) имеет коэффициент усиления l₂l₃/i_р, а его второй положительный вход (со стороны задатчика 12) - единичный коэффициент усиления. Сигнал с выхода задатчика сигнала 16 - (l₃ + m₃l₃*²)/i_p.

Первый (со стороны блока 19 умножения) и третий (со стороны задатчика 16 сигнала) положительные входы сумматора 18 имеют единичные коэффициенты усиления, а второй положительный вход (со стороны датчика 15) - коэффициент усиления l₃ ²/i_p.

Таким образом, на выходе сумматора 13 формируется сигнал l₂(m₃l₃* + m_гl₃)/i_p. Поскольку функциональный преобразователь 24 реализует функциональную зависимость cosq₃, то на выходе блока 19 умножения формируется сигнал l₂(m₃l₃* + m_гl₃)cos q₃/i_p, а на выходе сумматора 18 - сигнал [J₃ + m₃l₃*² + m_гl₃ ² + l₂(m₃l₃* + m_гl₃)cos q₃]/i_p.

Датчик 23 ускорения измеряет ускорение вращения второй степени подвижности робота (координату ), поэтому на выходе блока 22 умножения формируется сигнал

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* + m_гl₃)sin q₃/i_p, а на выходе блока 21 умножения - сигнал

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 . Сумматор 27 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. В результате на его выходе формируется сигнал q₂+q₃. Функциональный преобразователь 28 реализует функцию sin(q₂+q₃). В результате на выходе блока 30 умножения формируется сигнал

С учетом отмеченных выше коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 11 на его выходе формируется сигнал

На выходе сумматора 2 формируется сигнал

а на выходе блока 3 умножения - сигнал

Таким образом, с учетом указанных коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 4 на его выходе окончательно будет сформирован сигнал U* вида

Несложно показать, что, поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_стр, то, подставив полученное значение в соотношение (2), получим уравнение
,
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.

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.

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.