Устройство для управления приводом манипулятора Советский патент 1991 года по МПК B25J13/00 

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

Целью изобретения является повышение быстродействия и улучшение качества переходных процессов за счет компенсации влияния быстроизменяющихся параметров нагрузки.(

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - кинематическая схема манипулятора.

Устройство содержит сумматор 1, вы- прямитель2. первый блокЗ умножения, первый усилитель 4, двигатель 5, редуктор 6, объект 7 управления, датчик 8 положения, датчик 9 скорости, второй сумматор 10, первый релейный элемент 11, третий сумматор 12, первый задатчик 13 сигнала, первый квадратор 14, второй усилитель 15, четвертый сумматор 16, второй задатчик 17 сигнала, третий усилитель 18. второй блок 19 умножения, пятый сумматор 20, третий задатчик 21 сигнала, второй квадратор22, третий блок 23 умножения, четвертый блок 24 умножения, шестой сумматор 25, четвертый и пятый усилители 26 и 27 соответственно, пятый блок 28 умножения, шестой усилитель 29, седьмой сумматор 30, четвертый задатчик 31 сигнала, первый функциональный преобразователь 32, шестой блок 33 умножения, восьмой сумматор 34, блок 35 деления, девятый сумматор 36, интегратор 37, второй функциональный преобразователь 38, седьмой блок 39 умножения, восьмой блок 40 умножения.

Устройство работает следующим образом.

Устройство управляет обобщенной координатой qi. Приведенная на фиг. 2 схема построения наиболее типична для роботов, работающих в цилиндрической системе координат. При данной конструкции манипулятора возможны также вертикальное перемещение груза (обобщенная координата Q2) и его горизонтальное перемещение (обобщенная координата дз).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой qi, существенно зависят от координат рз и дз Запишем уравнение динамики привода поворота. Для этого воспользуемся уравнением Лагранжа 2-го рода. Кинетическая энергия Т движу щихся масс исполнительного органа робота при q2 const может быть представлена в

fe

О

J со

со со

виде:

Т il.ttf -I- i|Ntf +- lmi(l + дзМ + jm,(l + дз + bfql + j(m, - m3)q

где Is - момент инерции вертикального зве- на исполнительного органа массой гп2 относительно продольной оси;

IN - момент инерции горизонтального звена исполнительного органа массой тз относительно поперечной оси, проходящей через центр масс;

I - момент инерции робота двигателя и вращающихся частей редуктора;

з - исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс (при );

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

rrir - масса захваченного груза.

С учетом того, что

-5 lsqi+lNqi+m3()2qi+mr{l3 +q3+

l3)2qi;

3qT d дТ

qs);

Ш 35 (|s+lN)qi+m3()2qi+2m3( qiq3+mr{l3 +q3+l3)2qi+2mr{l3 +q3+l3)qiq3

3T

0 ,

3qT u

можно записать, моментное воздействие на привод поворота имеет вид:

(q3)qi+h(q3,q3)qi,(1)

где

(q3hrn3(l3 +q3/+rrir{l3 +q3+l3)2+ls+lN; (q3,q3)2(rn3(l3 +q3)+mr{l3 +q3+l3))q3 . (2)

Учитывая соотношения (1) и (2), исполнительный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением достаточно точно можно описать передаточной функ

цией

Ws(P) ™+T

(4)

(Кш + НяП(Км) ,3,

Р) RS(H + l)/(hR + Км Ко))Р + 1 W где Км - моментный коэффициент двигате- ля;

IQy- коэффициент противоЭДС; Яя - активное сопротивление цепи якоря;

Р - символ дифференцирования.

Для большего удобства передаточную функцию перепишем в виде:

-Kg

где Kg( Кй;+ряЬ/Км)и - коэффициент передачи двигателя по скорости, (H+ ОДпРя+КмК/ы )-его постоянная времени.

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

При ненулевых начальных условиях или при подаче ступенчатого задающего сигнала в рассматриваемом устройстве возникает скользящий процесс за счет смены структуры, которая происходит при переключении релейного элемента 11, реализующего функцию slgnX. Уравнение линии переключения имеет вид

,(5)

где Ј , Ј - сигнал рассогласования и его производная,

с - наклон линии переключения.

Для юго, чтобы прямая являлась линией скольжения, требуется, чтобы в ее окрестности выполнялось условие: S-S 0(6)

Динамика устройства с учетом (4) описывается следующей системой дифференциальных уравнений:

Ј1 Ј2

Ј2 -Э2Ј2- b/Јi/slgn S,(7)

где Јi Ј, , ,Ь КуКдК р/Тд;Ку;Кд- коэффициенты передачи усилителя 4 и редуктора 6 соответственно.

При учете возможности непрерывной настройки параметра С из (5) получаем:

S СЈ1 +Ј2 + СЈ1,

или согласно (7):

S c-c2+a2C-bslgnS-Ј Ј .(8)

Из (8) следует, что условие (6) выполняется, если выполнено условие: c c2-a2C+bslgnSЈ ,

(9)

45

50

55

где b - коэффициент, удовлетворяющий соотношению .

На основе уравнения (9) в устройстве выполняется непрерывная подстройка параметра С. Для этого требуется сформировать сигналы, соответствующие Тд и Kg.

Формирование этих сигналов осуществляется следующим образом. Вычисленная в сумматоре 12 сумма сигналов рз, измеряемого датчиком положения горизонтального звена манипулятора, и з , поступающего с блока 13 через квадратор 14 и усилитель 15, имеющий коэффициент передачи тз, подается на сумматор 16. Этот же суммарный сигнал складывается в сумматоре 20 с сигналом з, поступающим с блока 21, и через квадратор 22 подается на блок умножения 23, где он умножается на сигнал тактильного датчика схвата, соответствующий массе груза mr, и складывается в сумматоре 16с сигналом тз(з +q3) и сигналом Is+lN+l, поступающим с выхода блока 17.

В результате на выходе сумматора 16 получается сигнал, равный:

тзОз +дз +тгОз +рз-И З +IS+IN+I. т.е. Н+1 см. (2).

Выходной сигнал рз-Из +1э сумматора 20, умножаясь в блоке умножения 24 на сигнал плг, суммируется с сигналом рз+1з. усиленным в тз раз усилителем 26. В результате выходной сигнал сумматора 25 равен тэ(рз-Нз)+тг{рз+1з +1з). Этот сигнал, усиленный вдвое усилителем 27, умножается в блоке 28 умножения на сигнал рз, снимаемый с датчика скорости горизонтального эвена манипулятора.

Таким образом, на выходе блока 28 умножения формируется сигнал Ь(см. выражение (2)). Сигнал h, усиленный в усилителе 29 ЬРя/Км раз, складываясь в шестом сумматоре 30 с сигналом К , поступающим с блока 31, подается на вход функционального преобразователя 32, реализующего вычисление зависимости f i(X)X . Поэтому на выходе функционального преобразователя 32 сигнал имеет вид: (Ка1 +РяЬ/Км) т.е. Kg (см. (4)). На этот сигнал в блоке умножения 19 умножается сигнал H+I. предварительно усиленный в Ря/Км раз усилителем 18.

Таким образом, выходной сигнал блока умножения 19 определяется как,

Ря(1+Н)/(КмКд)Ря(Н+1)/(Км(К(/РяЬ/Км)

Тд.

Одновременно на выходе релейного элемента 40 формируется сигнал slgne , который умноженный в блоке 41 умножения на выходной сигнал slgnS релейного элемента 11, поступает на вход блока умножения 33. На другой вход этого блока подается сигнал Kg с выхода функционального преобразователя 32. Выходной сигнал блока умножения 33, имеющий вид Kg slgnS6, складывается в сумматоре 34 с сигналом С, поступающим с выхода интегратора 37, и подается на вход блока деления 35, на второй вход которого поступает сигнал Тд с выхода блока умножения 19.

Анализ и моделирование показывает, что для более быстрой настройки С требуется выбирать коэффициент 1э достаточно близким к Ь. Для устранения возможности нарушения скользящего режима из-за погрешностей в работе устройства выберем b(0,8-0,95)b, т.е. с определенным запасом, который может быть тем меньше, чем меньше погрешности используемых блоков. В связи с этим коэффициент передачи по первому входу сумматора 34 выбирается равным (0,8-0,95)КуКр.

В итоге на выходе блока деления 35 сигнал имеет вид -a2C+bslgnSe далее суммируется в сумматоре 36 с сигналом С. поступающим с выхода квадратора 42, Поэтому на входе интегратора 37 формируется сигнал с -82C+bslgnSe , т.е. согласно (9), С, а на выходе интегратора 37 - сигнал С. Таким образом, в блоках 34-37 и 42 реализуется определение С.

С выхода интегратора 37 через функциональный преобразователь 38 сигнал С поступает на блок умножения 39. Второй

функциональный преобразователь 38 описывается соотношением:

У г Смин 1 С

С Смин

С Смин(10)

0 где Смин 0 значение С, которое при любых Kg и Тд обеспечивает возникновение скользящего режима и может быть равным, например 0,01-0,005. Значение требуется для того, чтобы при нулевых на5 чэльных условиях на интеграторе 37 сигнал е передавался через блок умножения 39 к релейному элементу 11 для его правильного переключения. Сигнал на выходе функционального преобразователя 38, как видно из

0 (10), практически равен С (при Смин близком к нулю). Умножение его на С в блоке умножения 39 и сложение с сигналом датчика скорости 9 в сумматоре 10 дает на выходе последнего сигнал S (при надлежащем вы5 боре коэффициентов передачи входов сумматора 10),

Таким образом, в устройстве обеспечивается такая подстройка положения линии переключения, при которой возникает

0 скользящий режим работы, переходные процессы имеют апериодический характер. В прототипе настройка С выполняясь в предположении квазистационарности параметров, в связи с чем синтез прототипа

5 основывался на алгебраических операциях. Работоспособность прототипа могла нарушаться при достаточно быстром изменении параметров Тд и Кд, которое весьма характерно для манипуляторов. В предлагаемом

0 устройстве нестационарность указанных параметров учитывается введением дополнительного контура динамического определения С.

Формула изобретения

5 Устройство для управления приводом манипулятора, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, выпрямитель, первый блок умножения, первый усилитель и двигатель, связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом

с первым входом устройства, выход датчика скорости через последовательно подключенные второй сумматор и первый релейный элемент соединен с вторым входом первого блока умножения, а также последовательно подключенные третий сумматор, соединенный первым входом с выходом первого эадатчика сигнала, а вторым входом - с вторым входом устройства, первый квадратор, второй усилитель, четвертый сумматор, подключенный вторым входом к выходу второго задатчика сигнала, третий усилитель и второй блок умножения, кроме того, пятый сумматор, первый вход которого подсоединен с выходу второго сумматора, второй вход - к выходу третьего задатчика сигнала, а выход через последовательно подключенные второй квадратор и третий блок умножения - к третьему входу четвертого сумматора, а также последовательно соединенные четвертый усилитель, шестой сумматор, подключенный вторым входом к выходу четвертого блока умножения, пятый усилитель, пятый блок умножения, соединенный вторым входом с третьим входом устройства, шестой усилитель, седьмой сумматор, подключенный вторым входом к выходу четвертого задатчика сигнала, и первый функциональный преобразователь, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, вход четвертого усилителя подключен к выходу третьего сумматора, выход пятого сумматора соединен с

первым входом четвертого блока умножения, подключенного вторым входом к второму входу третьего блока умножения, подключенный вторым входом к второму

входу третьего блока умножения и четвертому входу устройства, и, кроме того, восьмой и девятый сумматоры, блок деления, шестой блок умножения и второй функциональный преобразователь,отличающееся тем,

что, с целью повышения быстродействия и улучшения качества переходных процессов, оно дополнительно содержит интегратор, третий квадратор, седьмой блок умножения и последовательно соединенные второй реяейный элемент и восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого релейного элемента, а выход - к первому входу шестого блока умножения, соединенного вторым входом с выходом

первого функционального преобразователя, а выходом через последовательно подключенные восьмой сумматор, блок деления, девятый сумматор, интегратор и второй функциональный преобразователь к первому входу седьмого блока умножения, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, а второй вход - с выходом первого сумматора и входом второго релейного элемента, а выход интегратора

подключен к второму входу восьмого сумматора и входу третьего квадратора, соединенного выходом с вторым входом девятого сумматора.

Изобретение относится к робототехнике. Целью изобретения является повышение быстродействия и улучшение качества переходных процессов. Для этого в устройство введены два сумматора, релейный элемент, интегратор, три блока умножения, корректор и блок деления, обеспечивающие подстройку параметров регулятора. 2 ил.

Qud

Фиг. 2