Система привода сустава робота на электронных мышцах
Использование: в исполнительных устройствах роботов. Сущность изобретения: система привода сустава робота на электронных мышцах содержит антагонистическую пару мышц, контур регулирования позиции привода, контур регулирования силы привода и контуры регулирования токов адсорбентов мышц. Состояние антагонистической пары мышц изменяется в зависимости от команд на входе системы привода. Система находится в режиме отработки заданной позиции, либо ею отрабатывается заданный закон изменения силы, либо имеет место промежуточный режим. Система также содержит комплекс контуров управления положением и усилием привода в сочетании с антагонистической парой электронных мышц. 1 ил.
СОЮЭ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
8ЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4913630/08 (22) 25.02.91 (46) 15.05.93. Бюл. ¹ 18 (71) Ленинградский государственный технический университет (72) А.А.Воронин, С.Г.Аграновский, Ю.Н.Егоров и И.В.Болотин (56) Авторское свидетельство СССР
N 1465317, кл. В 25 J 1/02, 1987. (54) СИСТЕМА ПРИВОДА СУСТАВА РОБОТА НА ЭЛЕКТРОННЫХ МЫШЦАХ (57) Использование: в исполнительных устройствах робо1-ов. Сущность изобретения: система привода сустава робота на электИзобретение относится к машиностроению, а именно к исполнительным устройствам роботов, и может быть использовано как система привода звена робота.
Целью изобретения является расширение эксплуатационных возможностей сустава робота.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в присоединении к антагонистической паре электронных мышц контуров регулирования позиции и силы привода, которые содержат внутренние контуры регулирования токов адсорбентов электронных мышц, а также в присоединении задатчика силы,. управляющего контуром регулирования позиции и силы. связанных с датчиком положения выходного элемента привода — потенциометром и с внешним устройством задания режима работы системы привода сустава робота. Сигнал обратной связи по силе привода формируется как
„„Я) ÄÄ 1815208 А1
Внешнее устройство задает один из трех режимов: 1. Отработка заданной позиции приводом. 2. Отработка заданной силы при отсутствии задания на позицию, 3. Отработка позиции и силы, одновременно заданных своими диапазонами значений. Задатчик силы в соответствии с пришедшей к нему извне командой начинает работать в одном из этих трех режимов. По сравнению с известными аналогами заявляемое устройство благодаря измерению положения выходного элемента привода может быть использовано для перемещения звена робота па заданному 1815208 20 30 55 закону, также благодаря измерению и регулированию силы привода оно может быть использовано для отработки заданного закона изменения силы, создаваемой неподвижным звеном робота и, наконец, заявляемое устройство может быть использовано.для одновременной отработки позиции и силы, заданных зонами своих значений, изменяющимися во времени, это существенно расширяет эксплуатационные возможности управляемого сустава робота. Наличие в заявляемом объекте соединения элементов, которое включает задатчик силы, который состоит из первого и второго ключей и первого сумматора, задатчик токов, который состоит из второго сумматора, первого и второго апериодических звеньев, первого инвертора, третьего сумматора и третьего и, четвертого ключей, контур регулирования тока адсорбента первой электронной мышцы и контур регулирования тока адсорбента второй электронной мышцы, каждый из которых состоит из резистивного делителя, электрических контактов и адсорбента электронной мышцы, датчика тока, содержащего токовый шунт и усилитель, инвертора, сумматора и усилителя, а также первый и второй умножители, третье и четвертое апериодические звенья, второй инвертор, передаточный механизм, потенциометр и третий инвертор, причем первый вход привода соединен с первыми входами первого и второго ключей, второй вход привода соединен со вторым входом первого сумматора, третий вход привода соединен со вторым входом второго ключа, выход первого ключа соединен с первым входом первого сумматора, а выход второго ключа соединен с третьим входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со входами первого и второго апериодических звеньев, выход первого апериодического звена соединен со входом первого инвертора, выход которого соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго апериодического звейа соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен со входами третьего и четвертого ключей, выход третьего ключа соединен с первым входом сумматора контура регулирования тока адсорбента первой электронной мышцы, а выход четвертого ключа соединен с первым входом сумматора контура регулирования тока адсорбента второй электронной мышцы, причем в каждом контуре регулирования тока адсорбента электронной мышцы выход сум«матора соединен со входом усилителя, причем выход усилителя соединен с двумя параллельно соединенными электрическими ветвями, одна из которых состоит из реэистивного делителя, другая состоит из последовательно соединенных- электрических контактов электронной мышцы, адсорбента и токового шунта, который соединен . со входом усилителя датчика тока, выход которого соединен со входом инвертора, выход которого. соединен со вторым входом сумматора контура регулирования тока, второй вход первого ключа соединен с выходом третьего инвертора, вход третьего инвертора и второй вход второго сумматора соединены с выходом потенциометра, третий вход второго сумматора соединен с выходом третьего апериодического звена, вход которого соединен с выходом первого умножителя, первый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока адсорбента первой электронной мышцы, а второй вход первого умножителя соединен с выходом резистивного делителя, четвертый вход второго сумматора соединен с выходом второго инвертора, вход которого соединен с выходом четвертого апериодического звена, вход которого соединен с выходом второго умножителя, первый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока адсорбента второй электронной мышцы, второй вход второго умножителя соединен с резистивным делителем второй электронной мышцы, а передаточный механизм механически соединен с первой и второй электронными мышцами и с потенциометром, является совокупностью новых признаков, неизвестных из каких-либо источников информации. На чертеже изображена схема системы привода сустава робота на электронны мышцах. Заявляемая система привода сустава робота на электронных мышцах (фиг..1) содержит задатчик силы, состоящий из ключей 1 и 2 и сумматора 3, задатчик токов, состоящий из сумматора 4, апериодических звеньев 5 и 6, инвертора 7, сумматора 8, ключей 9 и 10, контур регулирования тока адсорбента электронной мышцы 11, состоящий из адсорбента 12, электрических контактов 13.1, 13.2, токового шунта 14, усилителя датчика тока 15, инвертора 16, сумматора 17, усилителя 18, контур регулирования тока адсорбента электронной мышцы 19, состоящий из адсорбента, электрических контактов, токового шунта 20, усилителя датчика тока 21, инвертора 22, сумматора 23, усилителя 24, а также резистивные делители 25, 26 и 27, 28 умножители 29 и 30. апериодические звенья 31 и 32, инвертор 33, и инвертор 34, передаточный механизм 35 и потенциомегр 36. На 1815208 20 выход которого соединен с входами апериодических звеньев 5 и 6, выход апериодического звена 5 соединен с инвертором 7, 25 9 и 10, выход ключа 9 соединен с первым 30 входом сумматора 12, выход ключа 10 соединен с первым входом сумматора 23, вы- . фиг. 1 обозначено: Ua — сигнал задания силы привода. 0> — сигнал задания положения выходного элемента привода, Ug — сигнал отпирания ключей I и 2 при U> A 00, I— положение выходного элемента привода, U — напряжение на выходе потенциометра. Электронные мышцы 11 и 19 идентичны. Каждая электронная мышца содержит электрические контакты 13.1, 13.2, анизотропную оболочку 37, эластомерную оболочку 38, адсорбатный наполнитель 39, адсорбент 12, Вход привода, на котором действует сигнал Ос, соединен с первыми входами ключей 1 и 2, вход привода для задания силы привода соединен с вторым входом сумматора 3, вход привода для задания положения выходного элемента привода соединен с вторым входом ключа 2, выход ключа 1 соединен с первым входом сумматора 3, а выход ключа 2 соединен с третьим входом сумматора 3, выход которого соединен с первым входом сумматора 4, выход которого соединен с первым входом сумматора 8, выход апериодического звена 6 соединен со вторым входом сумматора 8, выход которого соединен с входами ключей ход сумматора 17 соединен с входом усилителя 18, выход которого соединен с двумя параллельно соединенными электрическими цепями, одна из которых состоит из резистивного делителя 25 и 26, другая состоит из последовательно соединенных, электрических контактов 13.1, 13.2, адсорбента 12 и токового шунта 14, соединенного с входом усилителя датчика тока 15, выход которого соединен со входом инвертора 16 выход которого соединен с вторым входом сумматора 17, выход сумматора 23 соединен с входом усилителя 24, выход которого соединен с двумя параллельно соединенными электрическими цепями, одна из которых состоит из резистивного делителя 27 и 28, другая состоит из последовательно соединенных электрических контактов, адсорбента электронной мышцы 19 и токового шунта 20, соединенного с входом усилителя датчика тока 21, выход которого соединен с входом инвертора 22, выход которого соединен со вторым входом сумматора 23, второй вход ключа 1 соединен с выходом инвертора 34, вход инвертора 34 и второй вход сумматора 4 соединены с выходом потенциометра 36, третий вход сумматора 4 соединен с выходом апериодического зве35 55 на 31, вход которого соединен с выходом умножителя 29, пепвый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока 15, второй вход умножителя 29 соединен с выходом резистивного делителя 25 и 26, четвертый вход сумматора 4 соединен с выходом инвертора 33, вход которого соединен с выходом апериодического звена 32, вход которого соединен с выходом умножителя 30, первый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока 21, второй вход умножителя 30 соединен с выходом резистивного делителя 27 и 28, а передаточный механизм 35 механически соединен с электронными мышцами 11 и 19 и с потенциометром 36. Ключ 9, соединенный с сумматором 17 контура регулирования тока адсорбента электронной мышцы 11, пропускает только входной сигнал, имеющий потенциал положительной полярности. Ключ 10, управляющий сумматором 23 контура регулирования тока адсорбента электронной мышцы 19, пропускает только входной сигнал отрицательной полярности. Ключи 9 и 10 другими сигналами не управляются. Система привода сустава робота на электронных мышцах, схема которой изображена на чертеже, работает следующим образом. От внешнего устройства задания режима работы системы привода поступают воздействия: Ui, Ud u Ua. Если Ua=0 то на выходе сумматора 3 действует сигнал для первого режима: Оз=К х (U> — U ), где сигнал Ол снимаемый с выхода потенциометра 36 (фиг, 1), пропорционален положению выходного элемента привода I, K>=const>0. В этом режиме происходит отработка приводом заданной позиции; Од=1, ключи 1 и 2 открыты, Если 01=0, то на выходе сумматора 3 получаем сигнал: Оз=Кг х Ua, где К =сопзт>0. Это второй режим. Ему соответствует отработка заданного закона изменения силы привода, Оу-О. Ключи 1 и 2 заперты. В третьем режиме при 0> ФО и Ua Ф 0 получаем Оз=К1 х (0>-0 )+К2 х Ua . При этом Од1, ключи 1 и 2 открыты. 1815208 С помощью сумматора 4 (фиг. 1) складываются сигнал задания силы (первый вход) и сигналы, сумма которых пропорциональна силе привода со знаком минус (остальные входы). 5 Сила развиваемая приводом, равна: Q=-Кз х (К4 х (Тг Т1)+1) где T> — температура нагрева первой элект- . 10 ронной мышцы; Тг — температура нагрева второй электронной мышцы; I — положение выходного элемента привода, 15 Кз, К4 — положительные коэффициенты. Сила, развиваемая одной эластичной мышцей определяется по закону Гука, как разность между длиной ненагруженной мышцы и ее реальной длиной. Для антаго- 20 нистической пары мышц Кз — коэффициент жесткости пары мышц, а разность температур определяет их ненагруженное состояние, Уравнение температуры T>: 25 Т1+t — = I) Ut dT1 30 Уравнение температуры Тг: Тг+т — = Iг Ог. de Здесь г- тепловая постоянная элект- 35 ронной мышцы, I> — ток адсорбента первой электронной мышцы, 1г ток адсорбента второй электронной мышцы, U< — напряжение, пропорциональное напряжению подаваемому на сорбент первой электронной мыш- 40 цы. 0г — напряжение, пропорциональное напряжению подаваемому на сорбент второй электронной мышцы, t — время. K6(S)= — -" —, Кв<0 1+ ь ;, Произведению I>U> пропорционален 45 сигнал выхода умножителя 29 (см, фиг. 1), произведению 1г0г пропорционален сигнал. выхода умножителя 30. Сигнал выхода апериодического звена 31 пропорционален температуре Т1,Сигнал выхода апериодиче- 50 ского звена 32 пропорционален температуре Тг, Сигнал выхода сумматора 4 преобразуется апериодическими звеньями 5, 6. Первое апериодическое звено 5 (см. фиг. 1) 55 имеет передаточную функцию: Второе апериодическое звено 6 (см. фиг. 1) имеет передаточную функцию: K6(S)= „+, К <0. К6 1 + Я т6 Здесь S — параметр преобразования Лапласа; . К6, К6 коэффициенты передачи; tg u t6 постоянные времени, причем tg Настройка коэффициентов К5, К6 и постоянных времени ts, t6 производится с целью получения интенсивного изменения токов адсорбентов электронных мышц в начальной части переходного процесса системы привода и плавного изменения — в конечной части процесса. Заявляемая система привода была реализована на операционных усилителях 544 УД2А. Приведенные формулы определяют основные теоретические положения системы привода, и могут быть математически строго доказаны, реальные настройки определяются динамическими диапазонами контуров прямого усиления и обратной связи, Формула изобретения Система привода сустава робота на электронных мышцах, образующих антагонистическую пару, в которой каждая из мышц содержит анизотропную и эластомерную оболочки, адсорбатный наполнитель и адсорбент с герметично выведенными за оболочки электрическими контактами, отличающаяся тем, что, с целью расширения технологических возможностей сустава. она дополнительно содержит задатчик силы, который состоит из первого и второго ключей и первого сумматора, задатчик токов, который состоит иэ второго сумматора, первого и второго апериодических звеньев, первого инвертора, третьего сумматора и третьего и четвертого ключей, контур регулирования тока адсорбента первой электронной мышцы и контур регулирования тока адсорбента второй электронной мышцы, каждый из которых состоит из резистивного делителя, электрических контактов и адсорбента электронной мышцы, датчика тока, содержащего. токовый шунт и усилитель, инвертора, сумматора и усилителя, а также первый и второй умножители, третье и четвертое апериодические звенья. второй инвертор, передаточный механизм. потенциометр и третий инвертор, причем первый вход привода соединен с первыми входами первого и второго ключей, второй; вход привода соединен с вторым входом первого сумматора, третий вход привода со1815208 единен с вторым входом второго ключа, выход первого ключа соединен с первым входом первого сумматора, а выход второго ключа соединен с третьим входом первого сумматора, выход которого соединен с пер- 5 вым входом второго сумматора, выход которого соединен с входами первого и второго апериодических звеньев, выход первого апериодического звена соединен с входом первого инвертора, выход которого 10 соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго апериодического звена соединен с вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с входами третьего и четвертого ключей, выход треть- 15 его ключа соединен с первым входом сумматора контура регулирования тока адсорбента первой электронной мышцы, а выход четвертого ключа соединен с первым входом сумматора контура регулирования 20 тока адсорбента второй электронной мышцы, причем в каждом контуре регулирования тока адсорбента электронной мышцы выход сумматора соединен с входом усилителя, причем выход усилителя соединен с 25 двумя параллельно соединенными электрическими ветвями, одна из которых состоит из реэистивного делителя, другая состоит иэ последовательно соединенных электрических контактов электронной мышцы, ад- 30 сорбента и токового шунта, который соединен с входом усилителя датчика тока, выход которого соединен с входом инвертора. выход которого соединен с вторым входом сумматора контура регулирования тока, второй вход первого ключа соединен с выходом третьего инвертора, вход третьего инвертора и второй вход второго сумматора соединены с выходом потенциометра, третий вход второго сумматора соединен с выходом третьего апериодического звена, вход которого соединен с выходом первого умножителя, первый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока адсорбента первой электронной мышцы, а второй вход первого умножителя соединен с выходом резистивного делителя, четвертый вход второго сумматора соединен с выходом второго инвертора, вход которого соединен с выходом четвертого апериодического звена, вход которого соединен с выходом второго умножителя, первый вход которого соединен с выходом усилителя датчика тока адсорбента второй электронной мышцы, второй вход второго умножителя соединен с резистивным делителем второй электронной мышцы, а передаточный механизм механически соединен с первой и второй электронными мышцами и с потенциометром. 1815208 Составитель В.Смехов 1ехред M.Морге иэл Корректор M.Ñàìáîðñêàÿ Редактор Г. Бел ьск э я Производственно > 3...--.и I>, : .1é ог !1и эт (1атен1-, г У>к :lg о»., л Г э арина 101 Заказ 1615 Тира w, Г1одли .:ное ВНИИПИ Государсгвеиного комит гэ оо изобрс.гениям и открь1гию нри ГКНТ СССР 11 !) 3" f) н-в вэ;К-: Р.>уо г ая pep 1/г
