Самонастраивающийся электропривод робота Советский патент 1993 года по МПК B25J13/00 

ел

с

Использование: для повышения точности и устойчивости привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работы манипулятора. Эти изменения обусловлены существенным взаимовлиянием между степенями подвижности многозвенника при работе на больших скоростях и вязким трением. Сущность изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается дополнительно ввести второй и третий датчики скорости, первый и второй квадраторы, четвертый, пятый и шестой блоки умножения, второй датчик положения, первый и второй функциональные пребразователи и восьмой сумматор. После коррекции привод становится инвариантным к изменениям параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения. При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы. 2 ил.

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

Цель изобретения - устранение указанного выше недостатка, то есть обеспечение высокой точности и устойчивости привода третьей степени подвижности робота.

На фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого робота; на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота.

Самонастраивающийся электропривод робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с шестерней 8, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на третьем телескопическом звене робота, и движок первого датчика 9 положения, установленного на втором звене и измеряющего положение характерной точки третьего телескопического звена относительно оси вращения второго звена, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй положительный вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и второму отрицательному входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала, четвертый сумматор 13, пятый сумматор 14, ко второму входу которого подключен второй задатчик 15 сигнала, второй блок умножения 16, шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, а также датчик 19 массы, причем выход первого датчика 9 положения соединен с первым отрицательным входом седьмого сумматора 20, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а

VJ

О 00

VI О

выходом - к первому положительному входу первого сумматора 1, выход третьего сумматора 11 соединен со вторым входом второго сумматора 3. Кроме того он содержит последовательно соединенные второй датчик 21 скорости и первый квадратор 22, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 18 умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные третий датчик 23 скорости, четвертый блок умножения 24, второй квадратор 25 и пятый блок умножения 26, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 17, а выход - к четвертому отрицательному входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик положения 27, первый функциональный преобразователь 28, шестой блок 29 умножения и восьмой сумматор 30, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя 28, а выход - к пятому положительному входу третьего сумматора 11, причем выход датчика 19 массы соединен со вторыми входами первого 2, второго 16 и шестого 29 блоков умножения, второй четвертого блока 24 умножения через второй функциональный преобразователь 31 подключен к выходу второго датчика 27 положения, выход первого датчика 9 положения соединен со вторым входом четвертого 13 сумматора, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора 17, а выход первого сумматора 2 соединен с третьим входом второго сумматора 3.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения:

#вх сигнал желаемого положения;

91,92,93 соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;

91,92,93 # з1р - скорости изменения соответствующих обобщенных координат;

е-ошибка привода (величина рассогласования);

гщ,т2,тз,тг - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза:

1з -расстояние от оси вращения третьего звена до его центра масс при дз 0;

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

Оз - скорость вращения ротора двигателя;

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

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки .к сумматора 20. после коррекции в блоках 1, 2, 3,усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящим от величины поступающего сигнала а. , моментов трения и внешнего моментного воздействия Мв. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа, обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым

изменениям егомоментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет

обобщенной координатой дз. Конструкция робота (см. фиг.2) является типовой для промышленных роботов.

Моментные характеристики привода, управляющего координатой дз, существенно зависят от изменения координат 92,93,91,,mr.

В связи с этим для качественного управления координатой дз необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат 92,93,91,92, а также переменной массы грузы mr на динамические свойства рассматриваемого привода (координата дз).

Полагается, что третье звено перемеща

ется с помощью электропривода посредством передачи шестерня - рейка. Причем рейка установлена вдоль третьего звена, а шестерня - на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус г. Несложно показать, что в процессе движения робота, на его третье звено со стороны привода действует сила

50

Рз (тз+тг)(1з +дз)+тг)

+ 1зШ2 +cos2(g2)gr) + д(тз+ mr) sing2.

Сила Рз в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 мо- мент, равный

М8 Рз т.(1)

С учетом соотношения (I), а также уравнения электрической

U IR+

и механической

ЖмКИтг+ппз Лр2 +

+ Мстр+Кв Оз +rg(m3+mr)sln(g2)/ip-

+дз)+тг{1з +дз+1з)Хд22+со82(д2)д 12)/1р

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

KyKMU R{l+(m3+mr+r2/lp2} 3 +

+ ( ) «з + RMcrp - - ()+тг{1з +дз+1 з) (g23+cos2 (g2)gi2)/ip + Rrg(m3+mc)sin(g2)/ip, (2)

где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя;

I - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя; Км - коэффициент крутящего момента; IQy- коэффициент про- тиво-ЭДС;

Кв - коэффициент вязкого трения; ip - передаточное отношение редуктора; МСтр. - приведенный момент сухого трения; Ку - коэффициент усиления усилителя 4;

I - ток якоря двигателя 5;.

Оз - ускорение вращения вала двигателя .третьей степени подвижности.

Из (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой дз, являются существенно переменными. Зависящими от д2,дз,дт,д2 и mr. В результате для решения поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое стабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Полагается, что первый положительный вход сумматора 1 единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления Ко)/Ку.

Следовательно, на выходе сумматора 1 формируется сигнал

:.

У

Первый и второй положительные входы сум-, маторов 13 и 14 имеют единичные коэффициенты усиления. На выходах первого 12 и второго 15 задатчиков сигнала соответственно формируются сигналы Гз const, . В результате на выходе сумматора

13 формируется сигнал l-j +дз, а на выходе сумматора 14 - сигнал з , т.к. датчик 9 измеряет координату дз.

Первый положительный вход сумматора 17 (со стороны блока 16) имеет коэффициент усиления г/1р, а его второй положительный вход - коэффициент усиления - гтз/ip. В результате на выходе сумматора 17 формируется сигнал

флз()+тг (1з +дз+1з)/1Р,

на выходе блока 18 умножения - сигнал

()+тг(1з +дз-Нз))д22/1р, а на выходе блока 26 умножения - сигнал ()+тг(1з +дз+1з1|со$2(д2)д12Лр,

т.е. датчики 27 и 21 установлены во второй степени подвижности робота и соответственно измеряют координаты д2 и да, датчик 23 установлен в первой степени подвижности робота (см. фиг.2) и измеряет коордмнату gi, а функциональный преобразователь 31 реализует функциональную зависимость cos(g2).

Первый функциональный преобразователь 28 реализует функциональную зависимость sing2. Первый (со стороны блока 29) и второй положительные входы восьмого сумматора 30 соответственно имеют коэффициенты усиления rg/ip и тзгд/ip. В результате на выходе этого сумматора формируется

сигнал rg(m3+mr)sin(g2)/ip, где g - ускорение свободного падения.

Первый (со стороны блока 10) и пятый (со стороны сумматора 30) положительные,

а также третий (со стороны блока. 18) и четвертый (со стороны блока 26) отрицательные входы третьего сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления; а его второй (со стороны датчика скорости 6)

положительный вход - коэффициент усиКм Юу .„„

ления --- + Кв. В результате на выходе R

третьего сумматора 11 формируется сигнал

Км Ко;

R

+ КВ йз+ MTsign Лз +

-.+ rg(ms+mr) sigrf(g2)/ip (з + дз)+пг1г{1з +дз+1з)1д22+со82(д2)д .

. Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

Mr -1Ч О

при

з 0 йй 0

+

где J Мт -величинамомента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления rVOp2), его второй положительный вход (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления R/(KMKy), а третий положительный вход (со стороны сумматора 1) - коэффициент усиления (H-marVipVlH.

В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

I + (mr Ч- тз) / Kg . 1Н( КУ /

+ тА- ( KB) «зЧ- МТ +

IV 1Д К/

+ г д(тз + mr) sin (gz)/ip - - г тз (з -(- дз) + тг (1з + дз) да 2 +

+ cos2 (д2) см }.

Несложно показать, что поскольку Mrsign из при движении привода достаточно точно соответствует Метр., то, подставив полученное значение U в соотношение (2), получим уравнение

Р1нйз + в КмКу Ј,

которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть предложенный самонастраивающийся привод, управляющий координатой Q2 будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Таким образом, за счет дополнительного введения второго 21 и третьего 23 датчиков скорости, первого 22 и второго 25 квадраторов, четвертого 24, пятого 2§ и шестого 29 блоков умножения второго датчика 27 положения, первого 28 и второго 31 функциональных преобразователей и восьмого сумматора 30, а также новых связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности

и моментами трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы рассматриваемого привода.

5Реализация предлагаемого устройства не вызывает принципиальных затруднений, т.к. оно содержит только типовые элементы и блоки,

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

10 Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком

15 скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на третьем телескопическом звене робота, и движок первого датчика положения, установленно20 го на втором звене и имеющего, возможность измерения положения третьего телескопического звена относительно оси вращения второго звена, последовательно соединенные релейный блок и третий сум25 матор, второй положительный вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму отрицательному входу первого сумматора, последовательно соединенные первый за30 датчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик .сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем

35 выход первого датчика положения соединен с первым отрицательным входом седьмого сумматора, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а. выходом - к первому положительному входу

40 первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, отличающи йсятем, что, с целью повышения точности и обеспечения устойчивости, в него дополнительно введены по45 следовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего

50 сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, четвертый блок умножения, второй квадратор и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход 55 к четвертому отрицательному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, шестой блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход - к пятому положительному входу третьего сумматора, причем выход датчика массы соединен с вторыми входами первого, второго и шестого блоков умножения, второй вход четвертого блока умножения через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, выход первого датчика положения соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора.