САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНИПУЛЯЦИОННОГО РОБОТА Российский патент 2009 года по МПК G05B13/02 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов манипуляционных роботов.

Известно устройство для управления приводом работа, содержащее последовательно соединенные блок коррекции, первый блок умножения, первый сумматор, второй блок умножения, первый усилитель и двигатель с редуктором, с выходным валом которого кинематически связан первый датчик положения, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, первый вход которого подключен к входу устройства, а выход - к входу блока коррекции, последовательно соединенные третий сумматор, первый квадратор, третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы захваченного груза, четвертый сумматор, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу первого задатчика постоянного сигнала и второго квадратора, первый блок деления и четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к второму выходу блока коррекции, а выход - ко второму входу первого сумматора, третий вход которого соединен с третьим выходом блока коррекции, последовательно соединенные второй задатчик постоянного сигнала, пятый сумматор, пятый блок умножения, шестой сумматор и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала, седьмой сумматор и второй усилитель, выход которого соединен со вторым входом второго блока умножения, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, и второй блок деления, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора и вторым входом первого блока деления, а выход - со вторым входом первого блока умножения, а также последовательно соединенные второй датчик положения и девятый сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, первый функциональный преобразователь и третий квадратор, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения и второму входу девятого сумматора, и четвертый квадратор, последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и пятый квадратор, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь и шестой квадратор, причем выходы третьего, четвертого, пятого и шестого квадраторов подключены соответственно к четвертому, пятому, шестому и седьмому входам четвертого сумматора, входы третьего и четвертого функциональных преобразователей соединены с выходом девятого сумматора, выходы второго и четвертого функциональных преобразователей подключены соответственно к первым и вторым входам третьего и десятого сумматоров, а выход последнего подключен ко входу второго квадратора, последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы и вторым входом пятого сумматора, седьмой блок умножения, двенадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, и тринадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, а выход - ко вторым входам седьмого и восьмого сумматоров, последовательно соединенные третий усилитель, вход которого соединен с выходом девятого сумматора, четырнадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика положения, пятый функциональный преобразователь и девятый блок умножения, выход которого подключен к третьему входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного сигнала, пятнадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, десятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего функционального преобразователя, а выход - со вторым входом шестого сумматора, последовательно соединенные четвертый усилитель, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения, и шестой функциональный преобразователь, выход которого соединен со вторым входом седьмого блока умножения, причем второй вход пятого блока умножения через седьмой функциональный преобразователь подключен к выходу третьего усилителя /см. Авт.свид. СССР №1764990. Бюл. №36. 1992/.

Недостатком данного устройства является то, что оно обеспечивает инвариантность качественных показателей к переменным параметрам нагрузки лишь в том случае, когда эти параметры в процессе управления меняются достаточно медленно, т.е. когда выполняется условие квазистационарности и можно использовать аппарат передаточных функций. Если же указанные параметры меняются быстро, то аппарат передаточных функций использовать нельзя. Поэтому устройство-прототип уже не сможет обеспечить требуемое качество управления. В данном случае справедливым оказывается только аппарат дифференциальных уравнений. Кроме того, в прототипе не учитываются при синтезе адаптивной коррекции моменты сухого и вязкого трения. Однако указанные моменты значительно повышают динамическую ошибку управления.

Известно также устройство для управления приводом робота /см. Патент России №2063866. Бюл. №20. 1996/.

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

Недостатком этого устройства является то, что оно предназначено только для управления соответствующей степенью подвижности манипулятора, имеющего только три степени подвижности. При появлении движения указанного манипулятора по дополнительной четвертой степени подвижности появляются дополнительные моментные воздействия на привод рассматриваемой степени подвижности, которые приводят к ухудшение динамической точности и устойчивости его работы без введения дополнительных корректирующих сигналов, учитывающих указанное дополнительное движение манипулятора.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении манипулятора робота по всем четырем 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 рассматриваемого электропривода и компенсирующего все вредные моментные воздействия, появляющиеся при движении во всех остальных степенях подвижности манипулятора, которые ухудшают качественные показатели работы (динамическую точность и устойчивость) рассматриваемого электропривода.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод манипуляционного робота, содержащий 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 третий сумматор, первый квадратор, второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы захваченного груза, четвертый сумматор, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу первого задатчика постоянного сигнала и второго квадратора, последовательно соединенные второй задатчик постоянного сигнала, пятый сумматор, третий блок умножения, шестой сумматор и четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, последовательно соединенные второй датчик положения и седьмой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, первый функциональный преобразователь и третий квадратор, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения и второму входу седьмого сумматора, и четвертый квадратор, последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и пятый квадратор, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь и шестой квадратор, причем выходы третьего, четвертого, пятого и шестого квадраторов подключены соответственно к четвертому, пятому, шестому и седьмому входам четвертого сумматора, входы третьего и четвертого функциональных преобразователей соединены с выходом седьмого сумматора, выходы второго и четвертого функциональных преобразователей подключены соответственно к первым и вторым входам третьего и восьмого сумматоров, а выход последнего подключен ко входу второго квадратора, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы и вторым входом пятого сумматора, пятый блок умножения, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока умножения, последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, двенадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика положения, пятый функциональный преобразователь и седьмой блок умножения, выход которого подключен к третьему входу десятого сумматора, последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, тринадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя, и девятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего функционального преобразователя, а выход - со вторым входом шестого сумматора, последовательно соединенные третий усилитель, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения, и шестой функциональный преобразователь, выход которого соединен со вторым входом пятого блока умножения, причем второй вход третьего блока умножения через седьмой функциональный преобразователь подключен к выходу второго усилителя, а выход тринадцатого сумматора - к второму входу седьмого блока умножения, а также десятый и одиннадцатый блоки умножения, выходы которых подключены соответственно к второму и третьему входам второго сумматора, и релейный элемент, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, первым входам десятого и одиннадцатого блоков умножения и пятому входу второго сумматора, причем второй вход десятого блока умножения подключен к выходу одиннадцатого сумматора, первый вход первого блока умножения соединен с выходом первого сумматора, а его второй вход - с вторым входом одиннадцатого блока умножения и выходом четвертого сумматора, при этом выход второго сумматора подключен к входу первого усилителя, дополнительно введены последовательно соединенные восьмой функциональный преобразователь 55, двенадцатый блок 56 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 57 ускорения, и тринадцатый блок 58 умножения, второй вход которого через четырнадцатый сумматор 59 подключен к выходу четырнадцатого блока 60 умножения, первый и второй входы которого соответственно подключены к выходам четвертого функционального преобразователя 31 и тринадцатого сумматора 46, а выход - к шестому входу второго сумматора 3, последовательно соединенные пятый задатчик 61 сигнала, пятнадцатый сумматор 62, второй вход которого подключен к выходу датчика 12 массы, и пятнадцатый блок 63 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя 27, а выход - ко второму входу четырнадцатого сумматора 59.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с его аналогами и прототипом свидетельствует о его соответствии критерию «Новизна».

При этом заявленная совокупность признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволяет добиться повышения динамической точности и устойчивости управления электроприводом рассматриваемого движущегося манипуляционного робота в условиях существенного и быстрого изменения параметров нагрузки, обусловленного эффектом взаимовлияния между всеми его степенями подвижности.

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

Устройство для управления приводом робота содержит первый объект управления 64.

На указанных чертежах введены следующие обозначения:

α_вх - сигнал с выхода программного устройства;

ε - сигнал ошибки;

U^*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем;

q_i - обобщенные координаты соответствующих степеней подвижности манипулятора ;

m_i, m_г - массы соответствующих звеньев манипулятора и груза ;

l₂, l₃ - длины соответствующих звеньев;

- расстояния от осей вращения соответствующих звеньев до их центров масс;

- скорости изменения соответствующих обобщенных координат;

- скорость вращения ротора двигателя первой степени подвижности;

- ускорение в четвертой степени подвижности.

Кроме того, полагается, что J_si - моменты инерции соответствующих звеньев манипулятора относительно их продольных осей ;

J_Ni - моменты инерции соответствующих звеньев манипулятора относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс (i=2,3).

Рассматриваемый электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния всех степеней подвижности манипулятора обладает переменными моментными нагрузочными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели работы электропривода и даже приводит к потере его устойчивости. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств указанного электропривода к изменениям моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить высокую динамическую точность и устойчивость его работы.

Устройство работает следующим образом. На вход подается управляющее воздействие α_вх, обеспечивающее требуемый закон изменения первой степени подвижности манипулятора во времени. На выходе сумматора 1 вырабатывается сигнал ошибки ε, который после коррекции в элементах 2 и 3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5 с редуктором, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью /ускорением/, зависящим от величины поступающего сигнала U и внешнего моментного воздействия М_в на электропривод.

В изобретении рассматривается устройство для управления электроприводом первой степени подвижности манипулятора (движение относительно вертикальной оси), схема которого представлена на фиг.2. Этот электропривод управляет обобщенной координатой q₁.

Датчики 24 и 22 измеряют соответственно обобщенные координаты q₂, q₃. Сумматор 23 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усилия, поэтому на его выходе формируется сигнал q₂+q₃. Усилители 41 и 49 имеют коэффициенты усиления 2. Сумматор 42 имеет входы с единичными коэффициентами усиления, причем его второй вход /со стороны датчика 22/ отрицательный. Поэтому на выходе сумматора 42 формируется сигнал q₂+q₃. Функциональные преобразователи 25, 29, 43, 50, 51 и 55 реализуют функцию sin, a функциональные преобразователи 27 и 31 - функцию cos.

Первый /со стороны функционального преобразователя 27/ и второй положительные входы сумматора 33 соответственно имеют коэффициенты усиления l₂ и . В результате на выходе квадратора 15 формируется сигнал Первый /со стороны функционального преобразователя 27/ и второй положительные входы сумматора 9 соответственно имеют коэффициенты усиления l₂ и l₃. В результате на выходе блока 11 умножения формируется сигнал m_г[l₂cosq₂+l₃cos(q₂+q₃)]², т.к. датчик 12 измеряет массу захваченного груза m_г.

На выходе задатчика 14 постоянного сигнала формируется сигнал , где J - момент инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора /приведены к валу двигателя/, i_p - передаточное отношение редуктора. Первый /со стороны блока 11/ и второй /со стороны задатчика 14/ положительные входы сумматора 13 имеют единичные коэффициенты и усиления. Его третий /со стороны квадратора 15/, четвертый /со стороны квадратора 26/, пятый /со стороны квадратора 28/, шестой /со стороны квадратора 30/ и седьмой /со стороны квадратора 32/ положительные входы соответственно имеют коэффициенты усиления m₃, , J_s3 и J_N3. В результате на выходе сумматора формируется сигнал

.

Датчики скорости 39 и 21 устанавливаются соответственно во второй и третьей степенях подвижности робота /см. фиг.2/ и измеряют соответственно и .

На выходе задатчика 34 формируется сигнал . Первый /со стороны задатчика 34/ и второй положительные входы сумматора 35 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный . В результате на выходе блока умножения 36 формируется сигнал

Задатчик 16 формирует сигнал Первый /со стороны задатчика 16/ и второй положительные входы сумматора 17 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления . В результате на выходе блока 18 умножения формируется сигнал

Задатчик 45 формирует сигнал . Первый /со стороны задатчика 45/ и второй положительные входы сумматора 46 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления 2l₂l₃. В результате на выходе блока 44 умножения формируется сигнал

Три положительных входа сумматора 37 имеют единичные коэффициенты усиления. Поэтому на выходе блока 38 умножения формируется сигнал

На выходе блока умножения 47 формируется сигнал

поэтому с учетом того, что оба положительных входа сумматора 19 имеют единичные коэффициенты усиления, на выходе блока 20 умножения формируется сигнал

Датчик 57 установлен в четвертой степени подвижности робота и измеряет ускорение в этой степени подвижности. В результате на выходе блок 56 умножения формируется сигнал На выходе задатчика 61 формируется постоянный сигнал, равный Первый положительный /со стороны задатчика 61/ вход сумматора 62 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный l₂. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал а на выходе блока 63 умножения - сигнал

Второй /со стороны блока 63/ и первый положительные входы сумматора 59 имеют соответственно единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный

1/2l₂. В результате на выходе блока 58 умножения формируется сигнал

Оба отрицательных входа сумматора 40 имеют единичные коэффициенты усиления, поэтому на его выходе формируется сигнал - /А+В/. На первый положительный вход сумматора 3 /со стороны блока 2/ с коэффициентом усиления поступает сигнал , на его второй положительный вход /со стороны блока 52/ с коэффициентом усиления - сигнал на третий отрицательный вход /со стороны блока 53/ с коэффициентом усиления - сигнал на четвертый положительный вход с коэффициентом усиления R/(K_M,K_y) /со стороны релейного элемента 54/ - сигнал

на пятый положительный вход /со стороны датчика 6/ с коэффициентом усиления - сигнал а на его шестой отрицательный вход с коэффициентом усиления - сигнал С, где R - активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя, K_B - коэффициент вязкого трения, K_y - коэффициент усиления усилителя 4, K_M - коэффициент крутящего момента, K_ω - коэффициент противо-ЭДС, М_г=const - величина момента сухого трения при движении электродвигателя.

В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Из уравнения Лагранжа 2 несложно получить

Учитывая, что U=K_уU*, q₁i_p=α₁, а также уравнения электрической цепи и механической цепи /с учетом соотношения /2//

для электродвигателей постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения, несложно показать, что рассматриваемый привод, управляющий координатой q₁ робота, можно описать следующим дифференциальным уравнением

Поскольку при движении электропривода достаточно точно соответствует М_стр, то сформированный сигнал U^* /1/, как несложно убедиться, обеспечивает превращение уравнения /3/ с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными /желаемыми/ параметрами

обеспечивающими рассматриваемому приводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели работы за счет выбора постоянных значений J_N и K_y.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов манипуляционных роботов. Технический результат заключается в обеспечении полной инвариантности динамических свойств привода робота к изменениям его моментных нагрузочных характеристик и повышении вследствие этого динамической точности управления. Электропривод содержит датчики положения, датчики скорости, задатчики сигналов, датчик массы, сумматоры, блоки умножения, квадраторы, функциональные преобразователи, релейный блок, усилитель, двигатель. 2 ил.

Самонастраивающийся электропривод манипуляционного робота, содержащий 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 третий сумматор, первый квадратор, второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы захваченного груза, четвертый сумматор, второй и третий входы которого подключены соответственно к выходу первого задатчика постоянного сигнала и второго квадратора, последовательно соединенные второй задатчик постоянного сигнала, пятый сумматор, третий блок умножения, шестой сумматор и четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, последовательно соединенные второй датчик положения и седьмой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, первый функциональный преобразователь и третий квадратор, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения и второму входу седьмого сумматора, и четвертый квадратор, последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и пятый квадратор, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь и шестой квадратор, причем выходы третьего, четвертого, пятого и шестого квадраторов подключены соответственно к четвертому, пятому, шестому и седьмому входам четвертого сумматора, входы третьего и четвертого функциональных преобразователей соединены с выходом седьмого сумматора, выходы второго и четвертого функциональных преобразователей подключены соответственно к первым и вторым входам третьего и восьмого сумматоров, а выход последнего подключен ко входу второго квадратора, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы и вторым входом пятого сумматора, пятый блок умножения, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего блока умножения, шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока умножения, последовательно соединенные второй усилитель, вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, двенадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика положения, пятый функциональный преобразователь и седьмой блок умножения, выход которого подключен к третьему входу десятого сумматора, последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, тринадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя, и девятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего функционального преобразователя, а выход - со вторым входом шестого сумматора, последовательно соединенные третий усилитель, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения, и шестой функциональный преобразователь, выход которого соединен со вторым входом пятого блока умножения, причем второй вход третьего блока умножения через седьмой функциональный преобразователь подключен к выходу второго усилителя, а выход тринадцатого сумматора - к второму входу седьмого блока умножения, а также десятый и одиннадцатый блоки умножения, выходы которых подключены соответственно к второму и третьему входам второго сумматора, и релейный элемент, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, первым входам десятого и одиннадцатого блоков умножения и пятому входу второго сумматора, причем второй вход десятого блока умножения подключен к выходу одиннадцатого сумматора, первый вход первого блока умножения соединен с выходом первого сумматора, а его второй вход - с вторым входом одиннадцатого блока умножения и выходом четвертого сумматора, при этом выход второго сумматора подключен к входу первого усилителя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные восьмой функциональный преобразователь, двенадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика ускорения, и тринадцатый блок умножения, второй вход которого через четырнадцатый сумматор подключен к выходу четырнадцатого блока умножения, первый и второй входы которого, соответственно, подключены к выходам четвертого функционального преобразователя и тринадцатого сумматора, а выход - к шестому входу второго сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала, пятнадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и пятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя, а выход - ко второму входу четырнадцатого сумматора.