Устройство для управления приводом робота

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов. Целью изобретения является повышение точности и устойчивости устройства за счет более точной компенсации непрерывно изменяющихся параметров нагрузки . В устройство введены дополнитель- - ные задатчик сигнала, сумматоры, блоки умножения, датчики ускорения и квадратор. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Sl)S В 25 Л 13/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4451993/08 (22) 29, 06 . 88 (46) 07.01.91.Бюл. Р 1 (71) Дальневосточный политехнический институт им.В.В. Куйбышева и

Николаевский кораблестроительный институт им.адм.С.О.Макарова (72) В.Ф.Филаретов и Ю.П.Кондратенко (53) 621-.229.72,(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

h» 1484702, кл. В 25 J 13/00, 1987.

Изобретение относится к робототехнике и может быт использовано при создании приводов роботов.

Цель изобретения — повышение точности и устойчивости устройства за счет более точной компенсации непрерывно изменяющихся параметров нагрузки с учетом динамического запаздывания, вносимого якорной цепью двигателя.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг ° 2 — кинематическая схема исполнительного органа робота.

Схема содержит первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4, двигатель 5 с редуктором, первый датчик 6 положения, первшй датчик 7 скорости, релейный элемент 8, третий сумматор 9, второй блок 10 умножения, второй датчик 11 положения, четвертый сумма„„ЯО„„1618642 A 1

2 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОК РОБОТА (57) Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов. Целью изобретения является повышение точности и устойчивости устройства за счет более точной компенсации непрерывно изменяющихся параметров нагруз- ки. В устройство введены дополнительные задатчик сигнала, сумматоры, блоки умножения, датчики ускорения и квадратор ° 2 ил. тор 12. пятый сумматор 13, первый квадратор 14, третий блок 15 умножения, шестой сумматор 16, первый за-датчик 17 сигнала, второй квадратор

18, датчик 19 массы, четвертый блок

20 умножения, седьмой сумматор 21, пятый блок 22 умножения, второй датчик 23 скорости, второй задатчик 24 сигнала, третий задатчик 25 сигнала, первый датчик 26 ускорения, шестой блок 27 умножения, восьмой сумматор

28, четвертый эадатчик 29 сигнала, девятый сумматор 30, сецьмой блок 31 умножения, десятый сумматор 32, восьмой блок 33 умножения, второй датчик 34 ускорения, девятый блок

35 умножения, третий квадратор 36 и объект 37 управления.

На чертежах обозначено: oC qq — сигнал желаемого положения с задатчика команд, i — передаточное отношение редуктора: g = g, g ; g — соот1618642 ветствующие обобщенные коо1 динйтМ исполнительного органа робота: g

1 - скорость и ускорение изменения третьей обобщенной координаты; ш, m, m p — соответственно массы второго, третьего звеньев исполнительного ор1 гана и захваченного груза; 1>

= const — исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до 10

его центра масс при g = О, 1 =

= const, расстояние от центра масс горизонтального звена до средней

% 11 точки схвата; g, g - скорость и ускорение вращения ротора двигателя;

U + и U — соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем.

Устройство работает следующим образом. 20

Сигнал с выхода первого сумматора

1 после коррекции в блоках 2 и 3,,усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и 25 скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала (),(, моментов трения и моментного возцействия И2, ° Электропривод при рабОтЕ с различными грузами, а также за счет 0 взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа, обладает переменными моментными характеристика« ми, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качествен- 35 ные показатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств 40 злектропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет

t обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Дня определения моментных воздействий на поворотный привод (обобщенных моментов неконсервативных сил) воспользуется уравнением

Ланранжа 2"ro рода.

Кинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (фиг.2) представляется в ниде Я ° Я ° 1

1эЯ 1ъ я1 1т к

Т -= — + — -- — — +

Кд

2 2 (2 55

2 и ° tl (m +ms)R (шт+ ma+ шз) я а я,Я

2 2 где 11= I +

3 3 8э) 1 — момент инерции горизонтального звена (стержня) при)вращении вокруг вертикального звена со скоростью g

1r=m (1з+ т

1з 83) — момент инерции груза относительно вертикальной оси вращения (вертикального звена).

Учитывая, что

$ (5 Й 8! )(3 Ъ 81

Ф

+m (1+ g+ 1з) g,; аЗ«т

% и р, — Г- I+ Х+ m (1+ g )2 +

+(i,+ 1,+ gt) m )g,+ 2(mt(1>+ gt) + ш (1з+ 1з+ з)) 8,8з, e = О, ав можно записать, что моментное воздействие на выходной вал привода поворота со стороны движущихся масс исполнительного органа робота и гру эа имеет вид

,= (gym ) К + 1 ЬзКзэm(-)gag где Н(8зm„) (1з+ gç,) + г(1з+

+ 1 + 8з) + I + ?

Ы2,2,m ) - 2(m>(it+ gt) +

+ m,(1.,+ 13+ К,))В„(2) где I< и I> — соответственно моменты инерции вертикального звена исполнительного органа относительно продольной оси и горизонтального звена относительно поперечной оси проходящей через его центр масс.

С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений электрической. U ф ° Ф к(н+ х) ь +(R (н + т) +

+r.(л + н + к,))М + (к„к, + в) + (в)( (3) +RM +1 И =KK U) стр м ч где К и L соответственно активное сопротивление и индук- . тивность якорной цепи; момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя; коэффициент крутящего момента; коэффициент противоЭДС; коэффициент вязкого трения, передаточное отношение редуктора; момент сухого трения; коэффициент усиления усилителя 4; ток якоря;

Km

ip 1 р

К„

Н = Н/i P h = h/ip .

)(.

5 16

h + L di/dt + К g и механической К ц = (I + Н ) (X, (К, + h ) OC + И „ цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения, рассматриваемый привод поворота можно описать следующим дифференциальным уравнением:

18642 6

h = — — — (ш (+ P ) + m (1 + 13+

2 г )(3

ip

+ (, )J j,+(m + m )g $ (<) Ф

MT в >О

-M приКсО, О ° K=0.

"вьдя

25 зо

Для реализации поставленнои задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизироваго бы параметры при.— вода так, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с-постоянными желаемыми параметрами и не зависел бы от переменных Н, h„ сил трения.

М- +

Полагается, что первый отрицательный (со стороны датчика 6) и второй положительный входы сумматора 1 единичные, а третий отрицательный вход (со стороны датчика 7) имеет коэффициент усиления Кц/К, Положительные входы сумматора 3 единичные.

Первый положительный вход сумматора

9 (оо стороны релейного элемента 8) имеет коэффициент усиления hg+K<>, его второй положительный вход (с(*) стороны датчика 7) — коэффициент усиления (Kì+ K>R!K+)/K < третин по ложительный (со cTj оны блока умножения 10) — коэффициент усиления

R/(K(I K(), а четвертый положительный (со стороны сумматора 28) — коэффициент усиления L/(K„K ). Причем выходной сигнал релейного элемента 8 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

Очевидно, что изменение Ь и Н, вызванное изменением g > и g> существенно влияет на динамические свойства, а следовательно, и качественные показатели рассматриваемого привода. .Причем из (3) очевидно, что при большом по модулю h+ отрицательного зна- ка привод даже может потерять устойчивость, так как появляются положительные корни характеристического уравнения (3).

Поскольку при движении привода

/ „, И, / + const то в выражении (2) полагаем, что LM,I. О. В процессе эксплуатации привода можно также пом лагать, что Кв = const, а Кб = О.

Кроме того, из выражений (2) неслож- но убедиться, что Н = Ь+, а выражение для h принимает вид

55 где /И ) — величина момента сухого т трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 28 (со стороны блока умножения

27) имеет коэффициент усиления 2, его второй положительный вход (со стороны датчика 26) — коэффициент усиления К>, а третий положительный (со стороны блок.- 33 умножения) единичный. Положительные входы сумматоров 12 и 13 единичные. Задатчик сигнала 24 вырабатывае: сигнал 1, а задатчик 25 — сигнал 1

3

Первый и второй положительные входы сумматора 16 (со стороны блока

15 умножения и задатчика 17 сигнала) имеют коэффициенты усиления . I/7I„ig, а третий положительный (со стороны квадратора 18) — коэффициент усиления m3/(IuiP) где

1618642

Первый и второй положительные входы сумматора Zl l,co стороны блока

20 умножения и сумматора 12) соответственно имеют коэффициенты усиления 2/Рр и 2 m /Рр.

Первый и второй ттоложи тельные входы сумматора 20 единичные, а задатчик сигнала 29 вырабатывает сигнал равный m 3 ° 20

Первый положительный вход сумматора 32 (со стороны, блока 31 умножения} имеет коэАфицкент усиления

2/i p,à его второй положительный вход (со стороны блока умножения 25

35) — единичный.

Таким образом, на выходе сумматора 12 формируется сигнал, равный 1т +

+ g, а на выходе сумматора 13— сигнал 1 + 1 + g.. На выходе блока

15 умножения формируется сигнал

m„:(1 + 1, + g }, а на выходе квадратора,18 — сигнал (1 + .g } . В результате на выходе сумматора 16 появляется сигнал, пропорциональный

mi-(13+13+ 3) m (1ъ+ 3)

+ х

I li i I Тн "Р

R(h +K8) +

Км К) М Ко Н+1

+ — — -(1- — — — )+ (к„ IM д

H+ I c

Ik (5) LIkg + КТ„й + К„КДЫ= К„К Я.

Ф

При этом полагается, что К = М = 0, а Й+= h+.

Таким образом, уравнение (6) имеет постоянные желаемые параметры, а

45 сам привод обладает постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями при Хаобых законах изменения параметров нагрузки.

Is+I+ Ii Н+ Х

Ф р Х I

Ти . Р 1н

Формула изобретения

Устройство для управления приводом робота, содержащее последователь55 но соединенные первый су атор. Первый блок умножения, второй сумматор, усилитель.и двигатель, кинематически связанный с первым датчиком скорости и первым датчиком положения, выход

I,н - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции обеспечивающее приводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели. Причем с выхода задатчика сигнала 17 на второй вход сумматора 16 поступает сигнал, "Р

Таким обрз(зом, на выходе блока 2 умножения формируется сигнал (Н + 1 ) (Я- — — a)/Х, где

Ф Кя к„к

= М )(- 0(к — о))тибка привода.

Йа выходе блока 20 умножения

1 формируется сигнал шт(1 +1 +дз),, а на выходе сумматора 21 — сигнал

2m,(1)+ 1 + gq)/ift:+2 m (lq+gq)/iP".

+.. ° k :.

Таким образом, на выходе блока 22 умножения формируется сигнал, равный

Z(m„(1 +(+g ) а (1 +g ) J g,/1/.

° +

=h/z =h

На выходе сумматора 30 формирует- ся сигнал m + m» на выходе блока 31 умножения — сигнал (тп + m ) Ц, а на выходе сумматора 22 — сигнал h

На выходе сумматора 28 (формируется сигнал (2h +К }М + h (k, а на выходе сумматора 9 — сигнал к — — (N„}signa + (K. — — ) М +

K) Км т К Км

R % Ь Г Ф « 1

4 — - Ь О(+ — — ((2h +K )g + h g J

М . KM

Окончательно на выходе сумматора

3 имеем

% ? +

= — — -(21+ К )Ф+

КмК

ЬЬ R

+ — — (+ /)(,/ s(р М + т

Несложно показать, что, подставив

И из (S) в (3), имеем

1618642

/ которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, а третьим входом — с выходом первого датчика скорости, с входом релейного

5 элемента и первым входом второго блока умножения и третьего сумматора

1 второй вход которого подключен к выходу второго блока умножения, тре- 1О тий вход — к выходу релейного элемента, а выход — к второму входу второго сумматора, последовательно соеди— ненные второй датчик положения, четвертый сумматор, пятый сумматор, пер- 15 вый квадратор, третий блок умножения и шестой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого блока умножения, второй вход — к выходу первого задатчика сигнала, а третий вход — к выходу второго квадратора, а также последовательно соединенные датчик массы, четвертый блок умножения, седьмой сумматор и пятый блок умножения, подключенный вторым входом к выходу второго датчика скорости, а выходом — к второму входу второго блока умножения> второй вход пятого сумматора соединен с выходом второго задатчика сигнала, выход — с ЗО вторым входом четвертого блока умно- жения, а первый вход — с входом второго квадратора и вторым входом седь-. мого сумматора, выход датчика массы . подключен к второму входу тРетьего 35 блока умножения, а выход третьего задатчика сигнала соединен с вторым входом четвертого сумматора, о т л и ч а ерее с я тем, что, с целью повышения точности и устойчивости устройства, оно дополнительно содержит третий квадратор, последовательно соединенные кинематически связанный с двигателем первый датчик ускорения, шестой блок умножения и восьмой сумматор, последоватепьяЪ подключенные четвертый эадатчик сигнала, девятый сумматор, седьмой блок умножения, десятый сумматор и восьмой блок умножения, а также последо- вательно соединенные второй датчик ускорения и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход — к второму входу десятого сумматора, второй вход восьмого сумматора соединен с выходом первого датчика ускорения, выход — e четвертым входом третьего сумматора, а третий входс выходом восьмого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу первого датчика скорости, второй вход шестого блока умножения соединен с выходом пятого блока умножения, второй вход девятого сумматора подключен к выходу датчика массы, а выход второго датчика скорости соединен через третий квадратор с вторым входом седьмого блока умножения.

1618642

Фиа2

Составитель Е.Политов

Редактор С.Патрушева Техред Л.Сердюкова

Корректо М.Шароши юЯй ы Ьюа

Заказ 17 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101