Устройство для управления приводом манипулятора Советский патент 1993 года по МПК B25J13/00 

. Изобретение относится к системам управления приводом промышленного робота и может быть использовано при создании гибких автоматизированных производств с применением электромеханических манипуляторов.

Целью изобретения является обеспечение возможности оптимального по быстродействию позиционирования манипулятора с учетом максимально допустимого тока в блоке исполнительных органов.

На чертеже изображена схема предложенного устройства.

Устройство содержит блок 1 исполнительных органов, связанных с манипулятором 2, на котором установлены датчик 3 угла и датчик 4 угловой скорости, а также нуль- орган 7, девять коммутаторов 5, 6, 8-14, десять сумматоров 15-20, 48-51, четыре блока умножения 21-24, два блока инвертирования (перемены знака) 25, 26, восемь компа- раторов 27-34, блок формирования абсолютного значения переменной 35, блок возведения в квадрат 36 и задатчик 37, а также шесть элементов И 38-43, четыре пороговых элемента 44-47 и элемент ИЛИ 52, при этом выход датчика 3 угла связан с первым входом сумматором 15 через блок

25 инвертирования, выход коммутатора 5 соединен со зходом блока 1 исполнительных органов, выход коммутатора 6 связан со входом блока 49 суммирования, а выход блока 21 умножения соединен со вторым входом сумматора 15, выход сумматора 15 соединен с входами элементов 45,44. Выход элемента 45 соединен через блок формирования абсолютного значения переменной 35 с первым входом блока 52, выход которого связан с управляющим входом коммутатора 8, выход которого соединен с блоком 1 исполнительных органов через элемент 50 и 51. Выход элемента 7 связан через первый вход элемента 38 И с управляющим входом элемента 5 и через первый вход элемента 43 И - с управляющим входом элемента 13, выход датчика 4 угловой скорости соединен с первым входом блока 23 умножения и через элемент 46 с управляющим входом коммутатора 9, выход которого связан с первым входом блока умножения 21. второй вход которого соединен с выходом блока возведения в квадрат 36, выход блока умножения 23 связан с первыми входами сумматоров 20, 19 и с первыми входами восьми компараторов 27-34, выходы компараторов 27, 28 связаны с управляющим входом коммутатоел

С

со ю

со ел о

pa 10 через элемент 39 И, выходы компараторов 29 и 30, 31 и 32, 33 и 34 связаны соответственно с управляющими входами коммутаторов 6Т11 и 12 через элементы 40, 41 и 42 И, выход коммутатора 10 через элемент 49 соединен с информационным входом коммутатора 5, с выходом элемента 6 и через первый вход сумматора 17 - с первым входом блока умножения 24, выход элемента 11 через блок 48 соединен с выходом элемента 12, с информационным входом элемента 13.и со вторыми входами сумматоров 17,18, выход инвертора 26 связан через первый вход сумматора 18 со вторым входом блока умножения 22, выход блока умножения 24 соединен со вторым входом сумматора 16, выход датчика 4 угловой скорости соединен через элемент 47 с управляющим входом элемента 14, два выхода которого связаны соответственно со вторыми входами элементов 38 и 43 И, выход элемента 13 соединен через блок 50 и 51 со входом блока 1 исполнительных органов, причем первый выход задатчика 37 соеди н ен с третьим входом блока 21 умножения,. второй выход-с информационным входом элемента 14 и с первым информационным входом элемента 9, третий выход - с третьим входом сумматора 15, четвертый выход - со вторым входом элемента 9, пятый выход

- со вторыми входами компараторов 27 и 29, шестой выход- с информационным входом элемента 10, седьмой выход-через второй вход сумматора 19 с информационным входом элемента 6, восьмой выход- через второй вход сумматора 20 с информационным входом элемента 11, девятый выход - с информационным входом элемента 12, десятый выход - соответственно с третьим и вторым входами блоков 22 и 24 умножения, одиннадцатый выход - со вторыми входами компараторов 31 и 34, двенадцатый выход - со вторыми входами компараторов 30, 33, тринадцатый выход - со вторыми входами компараторов 28 и 32 и четырнадцатый выход

- со вторым входом блока 23 умножения.

Всё использованные конструктивные блоки являются стандартными, а вычислительные блоки строятся согласно схемам типовых операторов.

Устррйстйо работает следующим образом.

Блок исполнительных органов состоит из электродвигателя постоянного тока с не- зависимым возбуждением и редуктора. Управление осуществляется изменением напряжения, подаваемого на обмотку якоря электродвигателя. Движение рассматриваемой системы описывается дифференциаль- ными уравнениями

(I + J гг) ф п ц ,

(D

сП

dt Rl + dn У- / с1 (2) где I - ток в цепи якоря;

и-управляющее напряжение; I - момент инерции звена манипулятора относительно оси вращения;

J - момент инерции якоря электродви- гателя и вращающихся частей редуктора;

ft - момент электромагнитных сил, приложенных к якорю;

п - передаточное число редуктора; L и R-индуктивность и омическое сопро- тивлёнйе обмотки якоря соответственно;

d и с-постоянные, являющиеся техническими параметрами электродвигателя; ф угол поворота звена манипулятора. Для большинства электродвигателей, используемых в промышленных роботах, например, типа Универсал, время установления тока в цепи якоря много меньше времени выхода на стационарный режим вращения якоря и много меньше времени транспортной операции, выполняемой манипулятором. В терминах параметров системы это означает, что при расчетах в уравнении (2) можно пренебречь индуктивностью обмотки якоря и положить L 0. Применяя для данной системы известные методы теории оптимального управления, получим следующее решение (закон изменения напряжения на входе электродвигателя) для оптимального по быстродей- ствию перевода объекта манипулирования из произвольного начального положения в заданное конечное положение р с торможением двигателя в конце процесса при ограничении на максимально допустимые

напряжение и ток

Использование: в робототехнике. Сущность изобретения: в устройство дополнительно введены шесть коммутаторов, семь компараторов, шесть элементов И, пять сумматоров, четыре пороговых элемента, элемент ИЛИ и нуль-орган. 1 ил.

U

мС1)(Й..;й,1й + )г.Р) при

и( и(2)при .

(3)

-Umax при -{Umax + Rlmax) dn p -{Umax - Rlmax) dny - Rfmax При -{Umax - Rlmax) S dn Јк Umax + Rimax

dn H- Rlmax при - (Umax + Rlmax) dn p Umax - Rimax Umax при Umax -Rimax dnp Umax + Rlmax

y -p-fl+lj tonf,.

2cnl

max

где Umax - максимальное значение управляющего напряжения;

I max - максимально допустимый ток в цепи якоря электродвигателя.

Для реализации управления вида (3) формируется значение величины тр на выходе блока 15 после преобразования сигналов с датчиков 3 и 4 на блоках 9, 25, 36,37 и 46 в соответствии с выражением (б). При положительном, отрицательном или нуле- вом значении величины i появляются сиг- налы 1, -1, 1 соответственно на элементах 44, 45 и 7, а сигналы с блока 37 с помощью блоков 5, 8, 13, 14, 35, 38, 43 позволяют скоммутироватьсо входом блока 1 исполни- тельных органов управляющий сигнал со- гласно выражению (3). Сигналы с элементов 44 и 45 позволяют организовать смену знака сигнала на блоке 22. Развязка указанных сигналов производится непосредственно на блоке 22. В случае необходимости для этой цели может быть использован также дополнительный сумматор - повторитель, работающий по схеме, аналогичной соедй- нениям сумматоров 48-51, которые обеспе- чивэют реализацию развязки аналоговых сигналов..

Управление (4) формируется с помощью блоков 11,12, 18, 31-34. 37, 41, 42, 47, 48.

Управление (5) вырабатывается блока- ми 6, 10, 19, 27-30, 37, 39, 40, 47, 49. Первое выражение в уравнении (3) реализуется на блоках 17, 18, 22, 24, 16, 37. Элементы 46 и 47 коммутируют соответственно элементы 9 и 14 в зависимости от знака р п, в принципе могут быть объединены в один блок, С выходов задатчика 37 соответственно снимаются значения постоянных

величин

Q+rfrff..,.. -.,.

2cnimax

Umax Rimax; Umax, Rlmax. -Rimax; Umax, 1/2; -(Umax - Rlmax); 4umax + Rimax): Umax + Rimax; dn.

(4)

(5)

(6)

5 10 . 15 0 5

0 S

0

5

В каждый момент времени на выходе блока 51 формируется одно из трех значений управления согласно уравнению (3). При этом на первый вход блока 51 приходит сигнал при нулевом сигнале на втором входе или один из сигналов ) или сигнал, соответствующий первому выражению уравнения (3), на второй вход при нулевом сигнале на первом входе. Это обеспечивается схемой коммутации, при которой на входе блока 50 сигнал управления .U (f )и сигнал по первому выражению уравнения (3) появляются раздельно во времени.

Таким образом, поскольку в реализованном законе управления учитывается ограничение на величину тока, система обеспечивает возможность оптимального по быстродействию позиционирования манипулятора с учётом максимально допустимого тока в блоке исполнительных органов.

Ф о.р м у ла изобретения

Устройство для управления приводом манипулятора, содержащее блок исполнительных органов, связанный с манипулятором, на котором установлены датчик угла и датчик угловой скорости, а также три коммутатора, пять сумматоров, четыре блока умножения, два блока инвертирования, компаратор, блок выделения модуля, квадратор и задатчик, при этом выход датчика угла связан с первым входом первого сумматора через первый инвертор, выход первого коммутатора соединен с входом блока исполнительных органов, выход второго коммутатора подключен к входу второго инвертора, а выход первого блока умножения соединен с вторым входом первого сумматора, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия устройства за счет обеспечения возможности оптимального по быстродействию поэиционироеания манипулятора с учетом максимального допустимого тока в блоке исполнительных органов, в него введены дополнительно шесть коммутаторов, семь компараторов, шесть элементов И, пять сумматоров, четыре пороговых элемента, элемент ИЛИ и нуль-орган, причем выход первого сумматора соединен с входом первого и второго порогового элемента и нуль-органа, выход первого порогового элемента соединен с входом блока выделения модуля и с первым входом второго блока умножения, выход которого связан через первый вход второго сумматора с первым входом четвертого коммутатора, выход блока выделения модуля соединен через первый вход элемента ИЛИ с вторым входом четвертого коммутатора, выход нуль-органа связан через первый вход первого элемента И с первым входом первого коммутатора и через первый вход шестого элемента И с первым входом девятого коммутатора, выход датчика угловой скорости соединен с первым входом третьего блока умножения и через третий пороговый элемент с первым входом пятого коммутатора, выход Которого связан с первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен . с выходом квадратора, выход третьего блока умноже: нйя: связан с первыми входамичетвертого и пятого сумматоров и с первыми входами восьми компараторов, выходы первого и второго компаратора связаны с первым входом шестого коммутатора через второй элемент И, выходы третьего :w четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого компараторов связанысоответственнос первыми входами вторбгогседьмого и восьмого 1 Коммутаторов через третий, четвертый и пятый э л ем биты И, в ы ход ш еето го ко ммутато- ра соединен через первы;й вход девятого сумматора с первым входом первого комму- татЬ ра , с выходом второго коммутатора через второй вход девятого сумматора, выход которого через первый вход третьего сумматора связан с первым входом четвертого блока умножения, выход седьмого ксммута тора соединён с первым входом Десятого . сумматора второй вход которого соединен с

выходом восьмого коммутатора, а выход - с вторым входом девятого коммутатора и с вторыми входами третьего и четвертого сумматоров, выход второго инвертора связан

через первый вход четвертого сумматора с вторым входом второго блока умножения, выход четвертого блока умножения соединен с вторым входом эторого сумматора, выход датчика угловой скорости соединен

через четвертый пороговый элемент с первым входом десятого коммутатора, два выхода которого связаны соответственно с вторыми входами первого и шестого элементов И, причем первый выход задатчика

соединен с третьим входом первого блока умножения, второй выход-с вторым входом десятого коммутатора и с вторым входом пятого коммутатора, третий выход - с третьим входом первого сумматора, четвертый

выход - с третьим входом пятого коммутатора, пятый выход - с вторыми входами первого и третьего компараторов, шестой выход - с вторым входом шестого коммутатора, седьмой выход - через второй вход

пятого сумматора с вторым входом второго коммутатора, восьмой выход-через второй вход четвертого сумматора с вторым: входом

седьмого коммутатора, девятый .выход - с . вторым входом восьмого коммутатора, десятый выход -.соответственно С третьим и вторым входами второго и четвертого блоков умножения, одиннадцатый выход с

вторыми входами пятого и восьмого компараторов, двенадцатый выход - с вторыми

входами четвёртого и седьмого компараторов, тринадцатый выход - с вторыми входами второго и шестого компараторов, а четырнад- . цатый выход - с вторым входом третьего блока умножения, выход четвертого коммутатора

связан с первым входом седьмого сумматора,

. выход которого через первый вход восьмого ; сумматора соединен с. входом блока исполнительных органов, выходы первого и девятого коммутаторов связаны соответственно

с вторыми входами седьмого и восьмого . сумматоров, а выход;второго порогового элемента соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с четвертым входом второго блока умножения.:

: