САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА Российский патент 2006 года по МПК G05B13/02 B25J13/00 

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

Известен самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через репродуктор - с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок первого 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 входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем второй выход датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, 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 (см. патент РФ №2037173, БИ №16, 1995 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно эффективно только для конкретной степени подвижности исполнительного органа конкретного робота, имеющего три степени подвижности. Однако при трех степенях подвижности у робота значительно сокращается рабочая зона (зона обслуживания). Например, при работе на конвейере желательно, чтобы робот мог перемещаться вдоль этого конвейера, сопровождая движущееся изделие и выполняя требуемые технологические операции. Однако при введении четвертой линейной степени подвижности в рассматриваемом приводе появляются возмущающие моментные воздействия, значительно ухудшающие его показатели качества. В результате возникает задача компенсации этих вредных моментных воздействий за счет введения дополнительных сигналов коррекции.

Известен также 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, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок 0 и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, девятый сумматор, второй функциональный преобразователь и пятый блок умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, второй квадратор и шестой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора, а его второй вход через третий функциональный преобразователь - к выходу девятого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и второму входу девятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход - ко второму входу восьмого сумматора, последовательно соединенные первый датчик ускорения и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и к второму входу четвертого блока умножения, а его выход - ко второму входу пятого блока умножения, причем выход датчика массы подключен ко вторым входам четвертого и пятого сумматоров, выход второго блока умножения - к четвертому входу третьего сумматора, а выход четвертого сумматора - ко второму входу третьего блока умножения, при этом первый и второй функциональные преобразователи реализуют функцию sin, а третий и четвертый функциональные преобразователи - функцию cos (см. патент РФ №2208242, БИ №19, 2003 г.).

Недостатком прототипа является то, что описанный там электропривод обеспечивает точное управление линейным перемещением манипулятора только в горизонтальной плоскости. При перемещении же в вертикальной плоскости появляются дополнительные гравитационные силы, которые должны быть также скомпенсированы для обеспечения высокой динамической точности управления.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении манипулятора по всем его степеням подвижности и тем самым повышение динамической точности его управления.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании нового сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны движущихся степеней подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого электропривода (см. координату q₁).

Поставленная задача решается тем, что в 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, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок 0 и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, девятый сумматор, второй функциональный преобразователь и пятый блок умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, второй квадратор и шестой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора, а его второй вход через третий функциональный преобразователь - к выходу девятого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и второму входу девятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход - ко второму входу восьмого сумматора, последовательно соединенные первый датчик ускорения и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и к второму входу четвертого блока умножения, а его выход - ко второму входу пятого блока умножения, причем выход датчика массы подключен ко вторым входам четвертого и пятого сумматоров, выход второго блока умножения - к четвертому входу третьего сумматора, а выход четвертого сумматора - ко второму входу третьего блока умножения, первый и второй функциональные преобразователи реализуют функцию sin, а третий и четвертый функциональные преобразователи - функцию cos, дополнительно вводятся последовательно соединенные третий задатчик сигнала и двенадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к пятому входу третьего сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую динамическую точность и устойчивость работы рассматриваемого привода робота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота; на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота.

Самонастраивающийся электропривод робота 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, первый датчик 9 положения, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и к второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала и четвертый сумматор 13, последовательно соединенные второй задатчик 14 сигнала, пятый сумматор 15 и второй блок 16 умножения, последовательно соединенные шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик 19 скорости и первый квадратор 20, а также датчик 21 массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора 22, подключенного вторым входом к выходу первого датчика 9 положения, а выходом - к первому входу первого сумматора 1, выход третьего сумматора 11 соединен со вторым входом второго сумматора 3, выход датчика 21 массы соединен со вторым входом первого блока 2 умножения, а выход первого сумматора 1 соединен с третьим входом второго сумматора 3, последовательно соединенные второй датчик 23 положения, первый функциональный преобразователь 24, четвертый блок 25 умножения и восьмой 26 сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока 16 умножения, последовательно соединенные третий датчик 27 положения, девятый сумматор 28, второй функциональный преобразователь 29 и пятый блок 30 умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора 17, последовательно соединенные третий датчик 31 скорости, десятый сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 19 скорости, второй квадратор 33 и шестой блок 34 умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора 17, а его второй вход через третий функциональный преобразователь 35 - к выходу девятого сумматора 28, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь 36, вход которого подключен к выходу второго датчика 23 положения и второму входу девятого сумматора 28, и седьмой блок 37 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора 20, а выход - ко второму входу восьмого сумматора 26, последовательно соединенные первый датчик 38 ускорения и одиннадцатый сумматор 39, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 40 ускорения и к второму входу четвертого блока 25 умножения, а его выход - ко второму входу пятого блока 30 умножения, причем выход датчика 21 массы подключен ко вторым входам четвертого 13 и пятого 15 сумматоров, выход второго блока 16 умножения - к четвертому входу третьего сумматора 11, а выход четвертого сумматора 13 - ко второму входу третьего блока 18 умножения, при этом первый 24 и второй 29 функциональные преобразователи реализуют функцию sin, а третий 35 и четвертый 36 функциональные преобразователи - функцию cos, последовательно соединенные третий задатчик 41 сигнала и двенадцатый сумматор 42, второй вход которого подключен к выходу датчика 21 массы, а выход - к пятому входу третьего сумматора 11.

На чертежах введены следующие обозначения:

q_вх - сигнал желаемого положения;

q_i - 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;

l_i*=const (i=2,3) - расстояния от оси вращения соответствующего звена до его центра масс;

l_i=const (i=2,3) - длины соответствующих звеньев;

- соответственно скорость и ускорение вращения ротора двигателя четвертой степени подвижности;

U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε после коррекции в блоках 1, 2, 3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение, зависимое от величины поступающего сигнала U, моментов трения и внешнего моментного воздействия M_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 обеспечение инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет вертикальной обобщенной координатой q₁. Конструкция робота (см. фиг.2) позволяет осуществлять также вращения двух его звеньев в вертикальной плоскости (координаты q₂, q₃) и горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q₄), перпендикулярное плоскости вращения звеньев.

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₁, существенно зависят от изменения координат q₂, q₃, , , , , и груза m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат, а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода.

Манипулятор в горизонтальной плоскости перемещается с помощью электроприводов посредством передач шестерня - рейка (координаты q₁ и q₄). Причем рейки установлены соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях на основании робота, а шестерни - на выходных валах редукторов соответствующих приводов и имеют радиус r.

Несложно показать, что в процессе движения рассматриваемого робота на координату q₁ действует сила

где g - ускорение свободного падения.

Сила F в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 момент, равный

С учетом соотношения (1), а также уравнения электрической и механической

цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₁, можно описать следующим дифференциальным уравнением

где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя; J - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя; k_м - коэффициент крутящего момента; k_ω - коэффициент противоЭДС; к_В - коэффициент вязкого трения; i_р - передаточное отношение редуктора; M_стр - момент сухого трения; k_y - коэффициент усиления усилителя 4; i - ток якоря двигателя 5.

Из (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой q₁, являются существенно переменными, зависящими от q₂, q₃, , , , и m_г. 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.

Первый положительный вход сумматора 1 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления k_ω/k_у. Следовательно, на выходе сумматора 1 формируется сигнал

Датчики положения 23 и 27 соответственно установлены во второй и третьей степенях подвижности робота и измеряют обобщенные координаты q₂ и q₃ соответственно. Сумматор 28 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. Следовательно, на его выходе формируется сигнал, равный q₂+q₃. Датчики скорости 19 и 31 соответственно установлены во второй и третьей степенях подвижности робота и измеряют скорости и соответственно.

Первый и второй положительные входы сумматора 42 имеют единичные коэффициенты усиления. С выхода третьего задатчика 41 сигнала подается сигнал, равный m₁+m₂+m₃. В результате на выходе сумматора 42 формируется сигнал, равный m₁+m₂+m₃+m_г.

Сумматор 32 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. Следовательно, на его выходе формируется сигнал, равный +.

Датчики ускорения 38 и 40 соответственно установлены в третьей и второй степенях подвижности робота и измеряют ускорения и соответственно.

Функциональные преобразователи 24 и 29 реализуют функцию sin, a функциональные преобразователи 35 и 36 функцию cos. В результате на выходе блока 25 будет формироваться сигнал sin(q₂), на выходе блока 37 - сигнал cos(q₂), на выходе блока 30 - сигнал sin(q₂+q₃)(+), а на выходе блока 34 - сигнал cos(q₂+q₃)(+)².

Сумматоры 17 и 26 имеют положительные входы с коэффициентами усиления r/i_р. В результате на их выходах формируются сигналы соответственно. На выходе задатчиков сигналов 12 и 14 формируются сигналы l₃ ^*m₃ и l₂m₃+l₂ ^*m₂ соответственно.

Первый (со стороны задатчика 12) положительный вход сумматора 13 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный l₃. В результате на его выходе формируется сигнал m₃l₃ ^*+m_гl₃.

Первый (со стороны задатчика 14) положительный вход сумматора 15 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный l₂. В результате на его выходе формируется сигнал l₂(m₃+m_г)+l₂ ^*m₂.

Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

где - величина момента сухого трения при движении.

Первый, третий и четвертый положительные входы сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления, второй положительный вход (со стороны датчика 6) - коэффициент усиления , а пятый положительный (со стороны сумматора 42) - коэффициент усиления gr/i_p. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления , его второй положительный вход (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления , а третий положительный вход (со стороны сумматора 1) - коэффициент усиления (J+(m₁+m₂+m₃)r²/i_p ²)/J_н. В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Несложно показать, что поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_стр, то, подставив полученное значение U^* в соотношение (2), получим уравнение , которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть предложенный самонастраивающийся электропривод, управляющий координатой q₁, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Таким образом, за счет дополнительного введения третьего задатчика сигнала, двенадцатого сумматора и новых связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого электропривода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности робота и моментам трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы рассматриваемого электропривода.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами робота. Технический результат заключается в повышении динамической точности управления. За счет дополнительного введения последовательно соединенных третьего задатчика сигнала и двенадцатого сумматора, а также новых связей между элементами корректирующего устройства обеспечивается полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода робота к непрерывным и быстрым изменениям всех его моментных нагрузочных характеристик. 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, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, девятый сумматор, второй функциональный преобразователь и пятый блок умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, второй квадратор и шестой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора, а его второй вход через третий функциональный преобразователь - к выходу девятого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и второму входу девятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход - ко второму входу восьмого сумматора, последовательно соединенные первый датчик ускорения и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и к второму входу четвертого блока умножения, а его выход - ко второму входу пятого блока умножения, причем выход датчика массы подключен ко вторым входам четвертого и пятого сумматоров, выход второго блока умножения - к четвертому входу третьего сумматора, а выход четвертого сумматора - ко второму входу третьего блока умножения, при этом первый и второй функциональные преобразователи реализуют функцию sin, а третий и четвертый функциональные преобразователи - функцию cos, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные третий задатчик сигнала и двенадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к пятому входу третьего сумматора.