Устройство для управления приводом манипулятора Советский патент 1989 года по МПК B25J13/00 B25J9/16 

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

Целью изобретения является улучшение динамических характеристик устройства за счет исключения изменений параметров привода, обусловленных взаимовлиянием степеней подвижности ма нипулят ор а.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, а на фиг 2 - кинематическая схема.

Устройство содержит первый сумматор 1, первый усилитель 2, выпрямитель 3, первый блок 4 умножения,, второй сумматор 5, релейный блок 6, второй усилитель 7, двигатель 8, датчик 9 скорости, датчик 10 положения, третий сумматор 11, первый задатчик 12 сигнала, первьй квадратор 13, третий усилитель 14, четвертый сумматор 15, второй блок 16 умножения, четвертый усилитель 17, третий блок 18 умножения, пятьй усилитель 19, блок 20 деления, пятый сумматор 21 , чет-;, вертьш блок 22 умножения, второй квадратор 23, пятый блок 24 умножения, второй задатчик 25 сигнала, шес- .той сумматор 26, шестой усилитель 27.

седьмой усилитель 28, шестой блок 29 умножения, восьмой усилитель 30, седьмой сумматор 31, третий задатчик 32 сигнала, первьш функциональный преобразователь 33, седьмой блок 34 умножения, девятый усилитель 35, восьмой сумматор 36, второй функциональный преобразователь 37, девятый сумматор 38, четвертый задатчик 39 сигнала, пятьй задатчик 40 сигнала.

1

;о 0)

со ;о

Ф

i 3 - масса

На фиг. 2 указаны q , обобщенные координаты; га захваченного груза; 1 з исходное расстояние от центра масс горизон- тального звена до средней точки схв та; 1 - исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до средней точки схвата.

Устройство работает следующим образом.

Исполнительный орган манипулятор имеет три степени пoдвIiжнocти: вокруг вертикальной оси (обобщенная координата q), вертикальное переме щение (обобщенная координата q), и горизонтальные перемещения (обобщенная координата q). ; Моментные характеристики привода управляющего координатой q , суп;е- ственно зависят от координат q,, и qi,. Запишем зфавнение динамики привода поворота. Для этого воспользуемся уравнением Лагранжа 2-го рода. Кинетическая энергия Т движущихся масс исполнительного органа при q,j const может быть представлена в виде

-т п

М

Ь(1

t + 43) q;+

|m,(l +q3+l3)qV (,

де I - момент инерции вертикального звена исполнительного органа массой mj относительно продольной оси;

1| - момент инерщ1и горизонтального звена исполнительного органа массой m 3 относительно поперечной оси, проходящей через центр масс;

I - момент инерции ротора двигателя и вращающихся частей редуктора;

1 - исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс (при q 3 0);

1з - расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата;

т f-- масса захваченного груза.

С учетом того, что

Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано при создании приводов манипуляторов. Целью изобретения является улучшение динамических характеристик устройства. Устройство содержит последовательно соединенные сумматор, первый усилитель, выпрямитель, первый блок умножения, второй усилитель, двигатель, на выходном валу которого находятся датчики положения и скорости. В состав устройства входят также соответствующим образом соединенные сумматоры, релейный блок, задатчики сигнала, усилители, блоки умножения и деления, квадраторы, функциональные преобразователи. В процессе перемещения рукой манипулятора какого-либо груза устройство позволяет компенсировать изменения параметров и воздействия от взаимовлияния степеней подвижности манипулятора. 2 ил.

ч1

§| , + + , + m,( q 3+ Ь), J

.t. (l5+I)q, + тз( q3)q,+ 2тз(1з+ Чэ)1,4з + cjt Sq,

ЭТ

ЭТ

+ m,(lt+ 45+ 13)1 + 2тД1з+ qg-b 1з)4,Чэ °

можно записать, что моментное воздействие на привод поворота имеет вид

MB H(q3)q, + h(q3, 4з)4, ,

(q3) ТЛ2(1% + qs)

+ тД1..ч- q 3+ 1з)+ Is + TN

h h(q,, qj 2(тз(1 + q) +

+ mr(l| + qj + 1з))4з

Учитывая соотношения (1) и (2), испол1-ттельньш двигатель постоянного тока с независимым возбуждением дос- 50 таточно точно можно описать передаточной функцией

.. , . ( Rsh/K (:,)

Т XRjii+iTyihRVK K JTp+r

55

где К .. - моментный коэффициент двига

1 ЛЛ

теля; К ц)- коэффициент противо-ЭДС;

ч1

),

Чэ)

ЭТ

. 40

R 5 - активное сопротивление цепи

якоря; р - символ дифференцирования.

Для большего удобства передаточную функцию перепишем в виде

W«(p)

5l (4)

Tgp + 1

где Kg (K +Rsh/K -- -коэффициент

передачи двигателя п.о скорости;

(H+.I)/(hR,) - его постоянная времени.

Соотношения (3) и (4) справедливы для двигателей постоянного тока с достаточно малой электрической постоянной времени, что имеет место для большинства современньк исполнительных двигателей.

При ненулевых начальных условиях или при подаче задающего сигнала в рассматриваемой системе возникает скользящий процесс за счет смены структуры С колебательной устойчивой на апериодическую неустойчивую. Для BTOpoii структуры существует вьфож- денное движение, определяемое отрицательным вещественным корнем j характеристического уравнения. Скользящий режим возготкает и будет возникать, если наклон линии переключения с 7//I, . Изменение структуры системы происходит при переключении релейного блока 6. Уравнение линии переключения имеет вид

с

(5)

де

,/Квс К,

К

ос

сигнал рассогласования и его производная; наклон линии переключения;

коэффищшнт передачи первого усилителя 2; коэффициент передачи по цепи скоростной обратной связи, определяемьй величиной сигнала на первом входе блока 22 умножения.

Корень характеристического уравне- ия Л определяется из формулы

21

4ТзК2 К.,Ка

Э

где К „ - коэффициент передачи второго усилителя 7,

С учетом (6) условие возникновения и существования скользящего режима можно записать в виде: I

Кос /

.2KjTj

(7)

1 +||+ ,К,К2 Поскольку решение уравнения (5), описывающего скользящий режим, имеет вид

(t) (.o)exp(),

то при к , const максимальная скорость затухания монотонного скользящего переходного процесса достигается при минимальном значении удовлетворяющем выражению (7), т.е. при вычислении К дс по выражению (7).

Однако для того, чтобы в процессе работы из-за разного рода погрешностей не произошло cpiroa скользящего режима, фактическое значение К должно несколько (на 5-20%) превышать значение, вычисленное по npaBoi i части отношения (7). Вапнчияа запаса, которъп ввести для К,, определяется точностью вычислений, зависящей от выбранно элементной базы и точности используемых в системе датчиков. Чe выше точ юсть, тем меньшим может быть выбран запас. В рассматриваемой системе с переменной структурой для управления при0

5

Г

заq , а также

водом робота параметры висят от координат q, от массы груаа в схвате, поэтому для организации скользящего режима необходимо непрерывно подстраивать К 0 в соответствии с соотношением (7).

Формирование сигнала, определяющего Кос, осуществляется следующим образом.

Вычисленная в сумматоре 11 сумма

сигнала q

измеряемого датчиком

й

-

30

35

40

45

положения горизонтального звена манипулятора, и сигнала 1j, поступающего с задатчика 12, через первый квадратор 13 и усилитель 14, имеющий коэффициент передачи т, подается на сумматор 15. Этот же суммарный- сигнал 3 3 - складывается в сумматоре 21 с сигналом 13, поступающим с задатчика 32, и через второй квадратор 23 подается на блок 24 умножения, где он умножается на сигнал датчика массы схвата, соответствующий массе груза Шр,и складывается в сумматоре -15 с сигналом m ,+ q j)

и сигналом I S - -N ч поступающим с выхода задатчика 25. В результате на выходе сумматора 15 получается сигнал, равный

+ тг(1з-+ Чз + т.е. Н + I.

Ч)+ Чэ Is-b

) +

1-4 +

I,

0

5

It1

Выходной сигнал q 5, + s + - з сумматора 21, умножаясь в блоке 16 умно- жен11я на сигнал т/т-,суммируется с сигналом Чз + 1,усиленным в Шд раз усилителем 27. В результате выходной сигнал сумматора 26 равен ro(q +1)+

+ m p(q j + 11+ 1 3). Этот сигнал, усиленный вдвое усилителем 28, умножается в щестом блоке 29 уь ножения на сигнал q3, снимаемый с датчика скорости горизонтального звена мат1пулятоpa. Таким образом, иа. выходе блока 29 умноження формируется сигнал h, который после усиления в усилителе 30 в R-S/KA раз и сложения в сумматоре 31 с сигналом Кф,поступающим с задатчика 39, подается па вход первого фупкцио- пального преобразователя 33, реализующего вычисле-ни.е зависимости f(x) . Поэтому па выходе первого функщюнального преобразователя 33 сигнал имеет вид ( т.е. KQ. Via этот сигнал в блоке 18 умно- жепия умножается сигнал Н + I, пред10

тель и двигатель, связанный с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен к- втopo ry входу первого сумматора, соединенного вторым входом с первым входом устройства, а выход первого усилителя через последовательно подключенные второй сумматор и релейньпЧ блок соединен с вторым входом первого блока умпожения, отличающееся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик, в него введены пять задатчиков сигнаварительно усиленный в Кз/Кд, раз уси- второй блок умножения и последолителем 17. Таким образом, выходной сигнал блока 18 умножения определяется как R jd+B) /( J R(1-1+1) / /(KM-CS W+RS I/K - ) Т. Далее сигнал Т, усиленный в 2К раз усилителем 19, поступает на блок 20 деления и на усилитель 35, имеющий коэффициент передачи 2К,. Выходной сигнал усилителя 35, имекщий вид , умножаясь в блоке 34 умножения на сигнал К q и складываясь с единичным

ff

сигналом, иоступагащим с задатчика 40, подается на вход второго функционального преобразователя 37, реализующего вычислепие зависимости f:2.(x) Выходной сигнал второго функционального преобразователя 37, складываясь с единичным сигналом, поступаюиц1м с задатчика 40, подается па блок 20 деления. В результате на выходе блока 20 деления в соответствии с формулой (7) формируе/гся сигнал 2K,Tj/( , поступающий на вход блока 22 умножения, который включен в цепь скоростной обратной связи и поэтому определяет коэффициент обратной связи по скорости. Для того чтобы обеспечить упомя- нуть гй вьше запас по Кр., коэффигдиент передачи п о второму входу сумматора 5 устанавливается равным 1,05-1,2, Б этом случае согласно (7) возникает II существует скользящий режим работы. Поэтому переходный процесс имеет монотонный характер, время его протекания в среднем становится существенно меньше.

Формула изобретения

Устройство для управления приводом манипулятора, содержащее последовательно соединенньй первьпЧ сумма- тор, первый усилитель, выпрямитель, первьш блок умножения, второй усили20

25

30

35

40

45

50

55

вательно соединенные третий сумматор, первый квадратор, третий усилитель, четвертьй сумматор, четвертый усилитель, третий блок умножения, пятый усилитель, блок деления и четвертый блок умножения, последовательно подключенные пятый сумматор, второй квадратор и пятый блок умножения, последовательно соединенные шестой усилитель, шестой сумматор, седьмой усилитель, пятьй блок умножения, восьмой усилитель, седьмой сумматор и первый функциональный преобразователь, а также последовательно подключенные девятый усилитель, шестой блок умножения, восьмой сумматор, второй функциональный преобразователь и девятьм сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом восьмого сумматора.и выходом пятого задатчика сигнала, а выход - с вторым входом блока деления, подключенного первым входом к входу девятого уси- литеоЧЯ, первый вход третьего сумматора соединен с выходом первого задатчика сигнала, второй вход - с вторым входом устройства, а выход - с первым входом пятого сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика сигнала, а выход - к первому входу второго блока умпожения, соединенного выходом с вторым входом шестого сумматора, а вторым входом - с третьим входом устройства и входом пятого блока умноже- шя, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора, соединенного третьим входом с выходом второго задатчика сигнала, второй вход шестого блока умножения подключен к четвертому входу устройст- ва, выход четвертого задатчика сигнала соединен с вторым входом седьмого сумматора, выход первого функционального преобразователя подключен к

тель и двигатель, связанный с датчиком скорости и датчиком положения, выход которого подключен к- втopo ry входу первого сумматора, соединенного вторым входом с первым входом устройства, а выход первого усилителя через последовательно подключенные второй сумматор и релейньпЧ блок соединен с вторым входом первого блока умпожения, отличающееся тем, что, с целью улучшения динамических характеристик, в него введены пять задатчиков сигна0

5

0

5

0

5

0

5

вательно соединенные третий сумматор, первый квадратор, третий усилитель, четвертьй сумматор, четвертый усилитель, третий блок умножения, пятый усилитель, блок деления и четвертый блок умножения, последовательно подключенные пятый сумматор, второй квадратор и пятый блок умножения, последовательно соединенные шестой усилитель, шестой сумматор, седьмой усилитель, пятьй блок умножения, восьмой усилитель, седьмой сумматор и первый функциональный преобразователь, а также последовательно подключенные девятый усилитель, шестой блок умножения, восьмой сумматор, второй функциональный преобразователь и девятьм сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом восьмого сумматора.и выходом пятого задатчика сигнала, а выход - с вторым входом блока деления, подключенного первым входом к входу девятого уси- литеоЧЯ, первый вход третьего сумматора соединен с выходом первого задатчика сигнала, второй вход - с вторым входом устройства, а выход - с первым входом пятого сумматора, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика сигнала, а выход - к первому входу второго блока умпожения, соединенного выходом с вторым входом шестого сумматора, а вторым входом - с третьим входом устройства и входом пятого блока умноже- шя, выход которого подключен к второму входу четвертого сумматора, соединенного третьим входом с выходом второго задатчика сигнала, второй вход шестого блока умножения подключен к четвертому входу устройст- ва, выход четвертого задатчика сигнала соединен с вторым входом седьмого сумматора, выход первого функционального преобразователя подключен к

29 30 -J 33

Фиг.1

ч -щг

Фиг, 2