САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНИПУЛЯТОРА Российский патент 2020 года по МПК B25J13/00 G05B13/02 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов манипуляторов.

Известен электропривод робота, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, 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 второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый синусный функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий вход через последовательно соединенные третий синусный функциональный преобразователь и третий квадратор - к входам второго усилителя и второго функционального преобразователя, последовательно соединенный пятый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого подключен к первому входу девятого блока умножения, соединенного выходом с четвертым входом второго сумматора, а вторым входом - с выходом первого датчика скорости, со вторым и через релейный элемент - с третьим входами второго сумматора, а также со вторым входом десятого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом девятого сумматора, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, а также двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а выход - с пятым входом второго сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, соединенный входом с выходом первого датчика положения, тринадцатый блок умножения, четырнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом одиннадцатого блока умножения, а выход - с первым входом двенадцатого блока умножения (патент РФ №2488480, кл. B25J 13/00. Бюл. №21, 2013).

Недостаток известного изобретения в том, что в нем не учитывается, считаясь малой, электрическая постоянная времени электродвигателя. Поэтому полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик не обеспечивается.

Известен также самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель, электродвигатель, связанные 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 второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, второй усилитель, первый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, его третий вход через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий квадратор - к входу второго усилителя, последовательно соединенный пятый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, а его второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а выход - с вторым входом шестого сумматора, девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, десятый сумматор, релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к выходу второго усилителя, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый квадратор подключен к выходу второго датчика скорости, одиннадцатый сумматор, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора и двенадцатый сумматор, последовательно соединенные двенадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а его второй вход - к выходу второго квадратора, тринадцатый сумматор и тринадцатый блок умножения, выход которого подключен к второму входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные четырнадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения и пятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен также со вторым входом тринадцатого сумматора, а его второй вход - со вторым входом тринадцатого блока умножения и выходом девятого сумматора, а выход - с третьим входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные шестнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а второй вход - с выходом третьего датчика скорости и вторым входом четырнадцатого блока умножения и пятый квадратор, выход которого подключен к четвертому входу двенадцатого сумматора и первому входу семнадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, а выход - с пятым входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные второй датчик ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход - к второму входу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные девятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом двенадцатого сумматора, а второй - с выходом первого датчика скорости и четырнадцатый сумматор, выход которого подключен к пятому входу второго сумматора, а также последовательно соединенные третий датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и двадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к второму входу четырнадцатого сумматора, третий вход которого соединен с выходом третьего датчика ускорения, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, двадцать первый, двадцать второй и двадцать третий блоки умножения, выход последнего подключен к шестому входу второго сумматора, последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, подключенный входом к выходу первого датчика положения и ко входу пятого функционального преобразователя, двадцать четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя и ко второму входу двадцать первого блока умножения, двадцать пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, пятнадцатый сумматор, двадцать шестой блок умножения и шестнадцатый сумматор, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, последовательно соединенные двадцать седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого функционального преобразователя, а второй - к выходу третьего функционального преобразователя, и двадцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - ко второму входу пятнадцатого сумматора, последовательно соединенные двадцать девятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам третьего датчика скорости и двадцать первого блока умножения, тридцатый и тридцать первый блоки умножения, причем выход последнего подключен ко второму входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные шестой задатчик постоянного сигнала и семнадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу тридцать первого блока умножения, последовательно соединенные дифференциатор, подключенный к выходу четвертого датчика ускорения, установленного в четвертой степени подвижности манипулятора, и вторым входам двадцать третьего, тридцатого и тридцать второго блоков умножения, и тридцать третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать второго блока умножения, а выход - к третьему входу шестнадцатого сумматора, причем первый вход тридцать второго блока умножения подключен к выходу девятого сумматора и к второму входу двадцать второго блока умножения, а выход - ко второму входу двадцать шестого блока умножения (патент РФ №2606372, кл. B25J 13/00, G05B 13/02. Бюл. №1, 2017). Это устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому решению и взято за прототип.

Недостатком прототипа является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку в нем рассматривается робот с другой кинематической схемой, которая имеет меньшее число степеней подвижности.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении конкретного манипулятора с заданной кинематической схемой по всем его степеням подвижности.

Техническим результатом является формирование дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает формирование моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, 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 второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, второй усилитель, первый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, а третий через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий квадратор - к входу второго усилителя, последовательно соединенный пятый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, а его второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а выход - с вторым входом шестого сумматора, девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, десятый сумматор, релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к выходу второго усилителя, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый квадратор подключен к выходу второго датчика скорости, одиннадцатый сумматор, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора и двенадцатый сумматор, последовательно соединенные двенадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а его второй вход - к выходу второго квадратора, тринадцатый сумматор и тринадцатый блок умножения, выход которого подключен к второму входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные четырнадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения и пятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен также со вторым входом тринадцатого сумматора, а его второй вход - со вторым входом тринадцатого блока умножения и выходом девятого сумматора, а выход - с третьим входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные шестнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а второй вход - с выходом третьего датчика скорости и вторым входом четырнадцатого блока умножения и пятый квадратор, выход которого подключен к четвертому входу двенадцатого сумматора и первому входу семнадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, а выход - с пятым входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные второй датчик ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход - к второму входу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные девятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом двенадцатого сумматора, а второй - с выходом первого датчика скорости и четырнадцатый сумматор, выход которого подключен к пятому входу второго сумматора, а также последовательно соединенные третий датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и двадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к второму входу четырнадцатого сумматора, третий вход которого соединен с выходом третьего датчика ускорения, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, двадцать первый, двадцать второй и двадцать третий блоки умножения, выход последнего подключен к шестому входу второго сумматора, последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, подключенный входом к выходу первого датчика положения и ко входу пятого функционального преобразователя, двадцать четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя и ко второму входу двадцать первого блока умножения, двадцать пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, пятнадцатый сумматор, двадцать шестой блок умножения и шестнадцатый сумматор, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, последовательно соединенные двадцать седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого функционального преобразователя, а второй - к выходу третьего функционального преобразователя, и двадцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - ко второму входу пятнадцатого сумматора, последовательно соединенные двадцать девятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам третьего датчика скорости и двадцать первого блока умножения, тридцатый и тридцать первый блоки умножения, причем выход последнего подключен ко второму входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные шестой задатчик постоянного сигнала и семнадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу тридцать первого блока умножения, последовательно соединенные первый дифференциатор, подключенный к выходу четвертого датчика ускорения, установленного в четвертой степени подвижности манипулятора, и вторым входам двадцать третьего, тридцатого и тридцать второго блоков умножения, и тридцать третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать второго блока умножения, а выход - к третьему входу шестнадцатого сумматора, причем первый вход тридцать второго блока умножения подключен к выходу девятого сумматора и к второму входу двадцать второго блока умножения, а выход - ко второму входу двадцать шестого блока умножения, дополнительно вводятся последовательно соединенные тридцать четвертый блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам девятого сумматора и двадцать четвертого блока умножения, и тридцать пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика ускорения, установленного в пятой степени подвижности манипулятора, а выход - к восьмому входу второго сумматора, последовательно соединенные тридцать шестой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу семнадцатый сумматор, тридцать седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика скорости, и тридцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать четвертого блока умножения и первому входу тридцать девятого блока умножения, а выход - к четвертому входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные сороковой блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам первого датчика скорости и двадцать первого блока умножения, сорок первый блок умножения, восемнадцатый сумматор и сорок второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу девятого сумматора, а выход - к пятому входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные сорок третий блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам третьего функционального преобразователя и шестого функционального преобразователя, сорок четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, и сорок пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика ускорения, к вторым входам тридцать шестого и сорок первого блоков умножения, и через второй дифференциатор - к второму входу тридцать девятого блока умножения, выход которого подключен ко второму входу восемнадцатого сумматора, третий вход которого подключен к выходу сорок пятого блока умножения.

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

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую точность и устойчивость работы электропривода рассматриваемого манипулятора в условиях существенного изменения его параметров нагрузки.

Пример реализации заявляемого способа иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода манипулятора, а на фиг. 2 - кинематическая схема рассматриваемого манипулятора.

Самонастраивающийся электропривод манипулятора содержит первый сумматор 1, последовательно соединенные первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, первый усилитель 4, электродвигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 - с первым датчиком 8 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик 9 положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 11 постоянного сигнала, первый квадратор 12, четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика 14 постоянного сигнала, пятый сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика 16 постоянного сигнала, второй блок 17 умножения и шестой сумматор 18, последовательно соединенные третий датчик 19 положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, второй усилитель 20, первый функциональный преобразователь 21, реализующий функцию sin, и третий блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока 17 умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь 24, реализующий функцию cos, вход которого подключен к входу второго усилителя 20, второй квадратор 25, четвертый блок 26 умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 13 и седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика 28 постоянного сигнала, а третий через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь 29, реализующий функцию sin, и третий квадратор 30 - к входу второго усилителя 20, последовательно соединенный пятый задатчик 31 постоянного сигнала, восьмой сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 10 и первому входу девятого сумматора 33, пятый блок 34 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 35 массы, и шестой блок 36 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 32, а выход - к третьему входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные седьмой блок 37 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора 25, а его второй вход - к выходу девятого сумматора 33, вторым входом подключенного к выходу пятого блока 34 умножения, и восьмой блок 38 умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика 39 скорости, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а выход - с вторым входом шестого сумматора 18, девятый блок 40 умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора 3, десятый сумматор 41, релейный элемент 42, выход которого подключен к второму входу второго сумматора 3, а вход - к выходу первого датчика 6 скорости, третьему входу второго сумматора 3 и первому входу девятого блока 40 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 18, причем первый вход десятого сумматора 41 подключен к выходу первого сумматора 1, его второй вход - к выходу первого датчика 6 скорости, а выход - к первому входу первого блока 2 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 27, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь 43, реализующий функцию cos, вход которого подключен к выходу второго усилителя 20, десятый блок 44 умножения, второй вход которого через четвертый квадратор 45 подключен к выходу второго датчика 23 скорости, одиннадцатый сумматор 46, одиннадцатый блок 47 умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора 15 и двенадцатый сумматор 48, последовательно соединенные двенадцатый блок 49 умножения, первый вход которого подключен к выходу первого датчика 50 ускорения, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а его второй вход - к выходу второго квадратора 25, тринадцатый сумматор 51 и тринадцатый блок 52 умножения, выход которого подключен к второму входу двенадцатого сумматора 48, последовательно соединенные четырнадцатый блок 53 умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего блока 22 умножения и пятнадцатый блок 54 умножения, первый вход которого соединен также со вторым входом тринадцатого сумматора 51, а его второй вход - со вторым входом тринадцатого блока 52 умножения и выходом девятого сумматора 33, а выход - с третьим входом двенадцатого сумматора 48, последовательно соединенные шестнадцатый блок 55 умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя 24, а второй вход - с выходом третьего датчика 39 скорости и вторым входом четырнадцатого блока 53 умножения и пятый квадратор 56, выход которого подключен к четвертому входу двенадцатого сумматора 48 и первому входу семнадцатого блока 57 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 35 массы, а выход - с пятым входом двенадцатого сумматора 48, последовательно соединенные второй датчик 58 ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восемнадцатый блок 59 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя 21, а выход - к второму входу одиннадцатого сумматора 46, последовательно соединенные девятнадцатый блок 60 умножения, первый вход которого соединен с выходом двенадцатого сумматора 48, а второй - с выходом первого датчика 6 скорости и четырнадцатый сумматор 61, выход которого подключен к пятому входу второго сумматора 3, а также последовательно соединенные третий датчик 62 ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и двадцатый блок 63 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 18, а выход - к второму входу четырнадцатого сумматора 61, третий вход которого соединен с выходом третьего датчика 62 ускорения, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь 64, реализующий функцию sin, двадцать первый 65, двадцать второй 66 и двадцать третий 67 блоки умножения, выход последнего подключен к шестому входу второго сумматора 3, последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь 68, реализующий функцию cos, подключенный входом к выходу первого датчика 8 положения и ко входу пятого функционального преобразователя 64, двадцать четвертый блок 69 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя 24 и ко второму входу двадцать первого блока 65 умножения, двадцать пятый блок 70 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, пятнадцатый сумматор 71, двадцать шестой блок 72 умножения и шестнадцатый сумматор 73, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора 3, последовательно соединенные двадцать седьмой блок 74 умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого функционального преобразователя 64, а второй - к выходу третьего функционального преобразователя 29, и двадцать восьмой блок 75 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, а выход - ко второму входу пятнадцатого сумматора 71, последовательно соединенные двадцать девятый блок 76 умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам третьего датчика 39 скорости и двадцать первого 65 блока умножения, тридцатый 77 и тридцать первый 78 блоки умножения, причем выход последнего подключен ко второму входу шестнадцатого сумматора 73, последовательно соединенные шестой задатчик 79 постоянного сигнала и семнадцатый сумматор 80, второй вход которого подключен к выходу датчика 35 массы, а выход - ко второму входу тридцать первого блока 78 умножения, последовательно соединенные первый дифференциатор 81, подключенный к выходу четвертого датчика 82 ускорения, установленного в четвертой степени подвижности манипулятора, и вторым входам двадцать третьего 67, тридцатого 77 и тридцать второго 83 блоков умножения, и тридцать третий блок 84 умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать второго блока 66 умножения, а выход - к третьему входу шестнадцатого сумматора 73, причем первый вход тридцать второго блока 83 умножения подключен к выходу девятого сумматора 33 и к второму входу двадцать второго блока 66 умножения, а выход - ко второму входу двадцать шестого блока 72 умножения, последовательно соединенные тридцать четвертый блок 85 умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам девятого сумматора 33 и двадцать четвертого блока 69 умножения, и тридцать пятый блок 86 умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика 87 ускорения, установленного в пятой степени подвижности манипулятора, а выход - к восьмому входу второго сумматора 3, последовательно соединенные тридцать шестой блок 88 умножения, первый вход которого подключен к выходу семнадцатый сумматор 80, тридцать седьмой блок 89 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика 39 скорости, и тридцать восьмой блок 90 умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать четвертого блока 69 умножения и первому входу тридцать девятого блока 91 умножения, а выход - к четвертому входу шестнадцатого сумматора 73, последовательно соединенные сороковой блок 92 умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам первого датчика 6 скорости и двадцать первого блока 65 умножения, сорок первый блок 93 умножения, восемнадцатый сумматор 94 и сорок второй блок 95 умножения, второй вход которого подключен к выходу девятого сумматора 33, а выход - к пятому входу шестнадцатого сумматора 73, последовательно соединенные сорок третий блок 96 умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам третьего функционального преобразователя 29 и шестого функционального преобразователя 68, сорок четвертый блок 97 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, и сорок пятый блок 98 умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика 87 ускорения, к вторым входам тридцать шестого 88 и сорок первого 93 блоков умножения, и через второй дифференциатор 99 - к второму входу тридцать девятого блока 91 умножения, выход которого подключен ко второму входу восемнадцатого сумматора 94, третий вход которого подключен к выходу сорок пятого блока 98 умножения. Объект управления 100.

На фиг. 1 и 2 введены следующие обозначения: α_BX - сигнал с выхода программного устройства; ε - сигнал ошибки привода; U^*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 5; q₁, q₂, q₃, q₄, q₅ - соответствующие обобщенные координаты манипулятора; - скорости изменения соответствующих обобщенных координат; - скорость вращения ротора электродвигателя; - ускорение ротора двигателя первой степени подвижности; , - соответственно, скорости и ускорения второй, третьей, четвертой и пятой обобщенных координат; m₁, m₂, m_Г - соответственно, массы первого, второго звеньев манипулятора и захваченного груза; - расстояние от оси вращения второго звена до его центра масс при q₃=0; l₂ - расстояние от центра масс второго звена до средней точки схвата.

J_Si - моменты инерции соответствующих звеньев манипулятора относительно их продольных осей (i=1,2).

В изобретении рассматривается электропривод манипулятора, обеспечивающий его вращение относительно вертикальной оси. То есть он управляет обобщенной координатой q₁.

Устройство работает следующим образом.

На вход подается управляющее воздействие α_BX, обеспечивающее требуемый закон управления электроприводом. При этом на выходе сумматора 1 вырабатывается сигнал ошибки е, который после коррекции в блоках 2, 3 и 41, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5 с редуктором, приводя его вал во вращательное движение с направлением, скоростью и ускорением, зависящими от величины поступающего сигнала и внешнего моментного воздействия M_B.

Рассматриваемый электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности манипулятора, обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели и даже приводит к потере устойчивости его работы. В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать указанное взаимовлияние, а также изменение массы груза m_Г на динамические свойства рассматриваемого электропривода.

Усилитель 20 имеет коэффициент усиления, равный 2. Поэтому на выходе блока 22 формируется сигнал на выходе блока 44 - сигнал а на выходе блока 59 - сигнал

Первый положительный вход сумматора 46 (со стороны блока 44) имеет коэффициент усиления, равный 2, а его второй положительный вход - единичный коэффициент усиления. В результате на выходе сумматора 46 формируется сигнал

Задатчики 11 и 31 формируют сигналы соответственно. Положительные входы сумматоров 10 и 32 имеют единичные коэффициенты усиления. Поэтому на их выходах формируются сигналы соответственно, а на выходах блоков 34 и 36 - сигналы соответственно, так как датчик 35 измеряет массу m_r.

Задатчик 14 подает на второй положительный вход сумматора 13 с единичным коэффициентом усиления сигнал, равный J_N2. Его третий (со стороны блока 36) и первый положительные входы имеют коэффициенты усиления, соответственно, равные единице и m₂. В результате на выходе блока 26 формируется сигнал , где J_N2 - момент инерции второго звена манипулятора относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс.

Задатчик 28 подает на второй положительный вход сумматора 27, имеющий единичный коэффициент усиления, сигнал, равный где J - момент инерции ротора электродвигателя 5 и вращающихся частей редуктора 7, приведенный к валу электродвигателя; i_p - передаточное отношение редуктора 7. Третий (со стороны квадратора 30) и первый положительные входы этого сумматора имеют коэффициенты усиления, равные J_S2 и единице, соответственно. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал

На выходе задатчика 16 формируется сигнал J_S2. Первый отрицательный (со стороны сумматора 13) и второй положительный входы сумматора 15 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 17 формируется сигнал , а на выходе блока 47 - сигнал

Второй (со стороны блока 34) и первый положительные входы сумматора 33 имеют коэффициенты усиления, равные 2 и 2m₂, соответственно. В результате на выходе сумматора 33 формируется сигнал на выходе блока 38 - сигнал на выходе блока 67 - сигнал , а на выходе блока 86 - сигнал поскольку на выходе блока 65 формируется сигнал sin q₁cos q₂, а на выходе блока 69 - сигнал cos q₁cos q₂. Суммарный сигнал на выходе двух блоков 67и 86 равен

Положительные входы сумматора 18 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 40 формируется сигнал

Первый положительный (со стороны сумматора 1) и второй отрицательный входы сумматора 41 имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный K_ω/K_у, соответственно. В результате на его выходе формируется сигнал а на выходе блока 2 - сигнал где K_ω, K_у, соответственно, коэффициент противо-ЭДС электродвигателя 5 и коэффициент усиления усилителя 4.

На выходе блока 57 формируется сигнал на выходе блока 49 - сигнал на выходе блока 53 - сигнал а на выходе блока 54 - сигнал . Первый положительный (со стороны блока 49) и второй отрицательный входы сумматора 51 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 52 формируется сигнал

Первый (со стороны блока 47), второй (со стороны блока 52) положительные и третий (со стороны блока 54) отрицательный входы сумматора 48 имеют единичные коэффициенты усиления, а его четвертый (со стороны квадратора 56) и пятый (со стороны блока 57) положительные - соответственно, коэффициенты усиления, равные 2m₂ и 2. В результате на выходе сумматора 48 формируется сигнал

а на выходе блока 60 - сигнал

Второй (со стороны блока 63), третий (со стороны датчика 62) и первый положительные входы сумматора 61 имеют коэффициенты усиления соответственно, где K_B - коэффициент вязкого трения. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

На выходе задатчика 79 формируется сигнал m₂. Первый и второй положительные входы сумматора 80 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 78 формируется сигнал , а на выходе блока 90 - сигнал .

На первый положительный вход сумматора 71, имеющий коэффициент усиления 1/i_p, (со стороны блока 70) поступает сигнал а на его второй отрицательный вход, имеющий единичный коэффициент усиления, - сигнал В результате на выходе блока 72 формируется сигнал На выходе блока 84 формируется сигнал

На выходе блока 91 формируется сигнал , на выходе блока 93 - сигнал а на выходе блока 98 - сигнал

Первый отрицательный вход сумматора 94 (со стороны блока 93) имеет коэффициент усиления, равный 1/i_p, а второй положительный (с со стороны блока 91) и третий отрицательный - единичные коэффициенты усиления, В результате на выходе блока 95 формируется сигнал

Все входы сумматора 73 положительные. Его первый, третий и пятый (со стороны блоков 72, 84,95) входы имеют коэффициенты усиления, равные 1/2, а остальные - единичные. В результате на выходе сумматора 73 будет сигнал

Первый (со стороны блока 2), второй (со стороны релейного элемента 42), третий (со стороны датчика 6), четвертый (со стороны блока 40), пятый (со стороны сумматора 61) положительные, а шестой (со стороны блока 67), седьмой (со стороны сумматора 73) и восьмой (со стороны со стороны блока 86) отрицательные входы сумматора 3, соответственно, имеют коэффициенты усиления, равные где R - активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя 5, L - индуктивность якорной обмотки электродвигателя 5, J_H - номинальное значение приведенного к валу электродвигателя 5 момента инерции, а K_M - коэффициент его крутящего момента. В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

т.к. релейный элемент 42 имеет характеристику

где M_T>0 - величина сухого трения движения.

Из уравнения Лагранжа 2 рода несложно определить, что моментное воздействие M_B на рассматриваемый электропривод со стороны других степеней подвижности манипулятора имеют вид

С учетом соотношения (2), а также уравнений электрической и механической

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

где М_СТР - момент сухого трения, приведенный к валу электродвигателя, i - ток в якорной обмотке электродвигателя. Причем

Очевидно, что уравнение (3) при движении манипулятора за счет существенного изменения составляющих А, В, С, их производных и Р имеет переменные параметры. В результате электропривод, описываемый этим уравнением, имеет переменные динамические свойства и качественные показатели. Однако сформированный сигнал управления U^*(1) обеспечивает превращение дифференциального уравнения нагруженного электропривода (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными параметрами. За счет выбора К_у и J_H рассматриваемому электроприводу можно придать заданные динамические свойства и качественные показатели работы.

Реализация предложенного устройства не вызывает затруднений, так как оно содержит только типовые элементы.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов манипуляторов. Задачей изобретения является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении конкретного манипулятора с заданной кинематической схемой по всем его степеням подвижности. Техническим результатом изобретения является формирование дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает формирование моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки. 2 ил.

Самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, 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 манипулятора, последовательно соединенные второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, второй усилитель, первый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, а третий через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, и третий квадратор - к входу второго усилителя, последовательно соединенный пятый задатчик постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, а его второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а выход - с вторым входом шестого сумматора, девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, десятый сумматор, релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, вход которого подключен к выходу второго усилителя, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый квадратор подключен к выходу второго датчика скорости, одиннадцатый сумматор, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора и двенадцатый сумматор, последовательно соединенные двенадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности манипулятора, а его второй вход - к выходу второго квадратора, тринадцатый сумматор и тринадцатый блок умножения, выход которого подключен к второму входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные четырнадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего блока умножения и пятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен также со вторым входом тринадцатого сумматора, а его второй вход - со вторым входом тринадцатого блока умножения и выходом девятого сумматора, а выход - с третьим входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные шестнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а второй вход - с выходом третьего датчика скорости и вторым входом четырнадцатого блока умножения и пятый квадратор, выход которого подключен к четвертому входу двенадцатого сумматора и первому входу семнадцатого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика массы, а выход - с пятым входом двенадцатого сумматора, последовательно соединенные второй датчик ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход - к второму входу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные девятнадцатый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом двенадцатого сумматора, а второй - с выходом первого датчика скорости и четырнадцатый сумматор, выход которого подключен к пятому входу второго сумматора, а также последовательно соединенные третий датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и двадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к второму входу четырнадцатого сумматора, третий вход которого соединен с выходом третьего датчика ускорения, последовательно соединенные пятый функциональный преобразователь, реализующий функцию sin, двадцать первый, двадцать второй и двадцать третий блоки умножения, выход последнего подключен к шестому входу второго сумматора, последовательно соединенные шестой функциональный преобразователь, реализующий функцию cos, подключенный входом к выходу первого датчика положения и ко входу пятого функционального преобразователя, двадцать четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя и ко второму входу двадцать первого блока умножения, двадцать пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, пятнадцатый сумматор, двадцать шестой блок умножения и шестнадцатый сумматор, выход которого подключен к седьмому входу второго сумматора, последовательно соединенные двадцать седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу пятого функционального преобразователя, а второй - к выходу третьего функционального преобразователя, и двадцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - ко второму входу пятнадцатого сумматора, последовательно соединенные двадцать девятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам третьего датчика скорости и двадцать первого блока умножения, тридцатый и тридцать первый блоки умножения, причем выход последнего подключен ко второму входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные шестой задатчик постоянного сигнала и семнадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу тридцать первого блока умножения, последовательно соединенные первый дифференциатор, подключенный к выходу четвертого датчика ускорения, установленного в четвертой степени подвижности манипулятора, и вторым входам двадцать третьего, тридцатого и тридцать второго блоков умножения, и тридцать третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать второго блока умножения, а выход - к третьему входу шестнадцатого сумматора, причем первый вход тридцать второго блока умножения подключен к выходу девятого сумматора и к второму входу двадцать второго блока умножения, а выход - ко второму входу двадцать шестого блока умножения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные тридцать четвертый блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам девятого сумматора и двадцать четвертого блока умножения, и тридцать пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика ускорения, установленного в пятой степени подвижности манипулятора, а выход - к восьмому входу второго сумматора, последовательно соединенные тридцать шестой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу семнадцатый сумматор, тридцать седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика скорости, и тридцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двадцать четвертого блока умножения и первому входу тридцать девятого блока умножения, а выход - к четвертому входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные сороковой блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам первого датчика скорости и двадцать первого блока умножения, сорок первый блок умножения, восемнадцатый сумматор и сорок второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу девятого сумматора, а выход - к пятому входу шестнадцатого сумматора, последовательно соединенные сорок третий блок умножения, первый и второй входы которого подключены, соответственно, к выходам третьего функционального преобразователя и шестого функционального преобразователя, сорок четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, и сорок пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого датчика ускорения, к вторым входам тридцать шестого и сорок первого блоков умножения, и через второй дифференциатор - к второму входу тридцать девятого блока умножения, выход которого подключен ко второму входу восемнадцатого сумматора, третий вход которого подключен к выходу сорок пятого блока умножения.