Устройство для управления приводом робота

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами робота. Технический результат - обеспечение высокой динамической точности работы привода робота с расположением звеньев в вертикальной плоскости при наличии четырех степеней подвижности. Сущность: за счет дополнительного введения второго датчика ускорения, седьмого блока умножения и восьмого сумматора удалось обеспечить полную инвариантность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментами трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы рассматриваемого привода. 2 ил.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано для создания систем управления приводами робота.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора (см. патент РФ № 2193480, БИ № 33, 2002 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для конкретного привода с другой кинематической схемой. Для приводов других степеней подвижности других роботов (с другой кинематикой) это устройство не будет обеспечивать требуемую динамическую точность работы.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый косинусный и второй синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходам первого и второго функционального преобразователя, а их выходы - соответственно к второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, а также последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора (см. патент РФ № 2028930, БИ № 5, 1995 г.).

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к изобретению.

В прототипе рассматривается механизм с расположением двух последних звеньев в горизонтальной плоскости. Если эти звенья располагаются в вертикальной плоскости, что имеет место во многих конструкциях современных загрузочных роботов, то в моментных воздействиях на переносные степени подвижности q₂ и q₃ этих роботов будут присутствовать составляющие от которые отсутствовали в прототипе. Таким образом, устройство - прототип не может быть использовано для качественного управления приводами робота с вертикальным расположением двух последних звеньев ввиду неучета дополнительных составляющих моментов.

В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся коррекции, которая обеспечивала бы высокую динамическую точность работы рассматриваемого привода робота с расположением звеньев в вертикальной плоскости при наличии четырех степеней подвижности.

Техническим результатом, который достигается при решении поставленной задачи, является обеспечение высокой динамической точности привода робота, имеющего другую кинематическую схему построения исполнительного органа.

Это достигается тем, что в устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора, и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый косинусный и второй синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходам первого и второго функционального преобразователя, а их выходы - соответственно к второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, а также последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик ускорения, седьмой блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу шестого блока умножения и второму входу седьмого блока умножения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию “новизна”.

При этом совокупность существенных признаков отличительной части формулы изобретения обеспечивает высокую точность и устойчивость работы привода робота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота; на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота, которая соответствует типовой схеме портального или балочного робота.

Устройство для управления приводом робота содержит последовательно соединенные первый 1 и второй 2 сумматоры, первый блок 3 умножения, третий сумматор 4, усилитель 5 и двигатель 6, связанный с первым датчиком 7 скорости непосредственно и через редуктор 8 - с первым датчиком 9 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент 10 и четвертый сумматор 11, второй вход которого подключен к входу релейного элемента 10, второму входу второго сумматора 2 и выходу первого датчика 7 скорости, выход - к второму входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала и пятый сумматор 13, а также второй датчик 14 скорости, датчик 15 массы, второй задатчик 16 сигнала, квадратор 17, шестой сумматор 18 и с второго по пятый блоки (19-22) умножения, первый датчик 23 ускорения, а также первый 24 косинусный и второй 25 синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика 9 положения, выход датчика 15 массы подключен к второму входу первого блока 3 умножения, первому входу шестого сумматора 18 и второму входу пятого сумматора 13, соединенного выходом с первыми входами второго 19 и третьего 20 блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходам первого 24 и второго 25 функционального преобразователя, а их выходы - соответственно к второму входу шестого сумматора 18 и первому входу четвертого блока 21 умножения, соединенного вторым входом через квадратор 17 с выходом второго датчика 14 скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора 11, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока 22 умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика 23 ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора 18, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика 16 сигнала, а выход второго сумматора 2 соединен с третьим входом третьего сумматора 4, а также последовательно соединенные второй датчик 26 положения, седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 9 положения, третий синусный функциональный преобразователь 28 и шестой блок 29 умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора 13, последовательно соединенные второй датчик 30 ускорения, седьмой блок 31 умножения и восьмой сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу шестого блока 29 умножения и второму входу седьмого блока 31 умножения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора 11, объект управления 33.

На чертеже приведены следующие обозначения:

α_вх - сигнал желаемого положения третьей степени подвижности робота;

q₁, q₂, q₃, q₄ - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;

- скорости изменения соответствующих обобщенных координат;

ε=α_вх-q₃ - ошибка привода (величина рассогласования);

m₁, m₂, m₃, m_г - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;

l₂^*_, l^*₃ - расстояния от осей вращения соответствующих звеньев до их центров масс;

l₂, l₃ - длины соответствующих звеньев;

- скорость вращения ротора двигателя;

U^* U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε с сумматора 1 после коррекции в блоках 2, 3, 4, усиливаясь, поступает на электродвигатель 6, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U, моментов трения и внешнего моментного воздействия М_B. Электропривод при работе робота с различными грузами, а также за счет взаимодействия 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 его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый электропривод управляет обобщенной координатой q₃. Конструкция робота (см. фиг.2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов. Эта конструкция позволяет осуществлять горизонтальное прямолинейное перемещение груза (координата q₁), два вращательных движения в вертикальной плоскости (координаты q₂ и q₃) и подъем груза в вертикальной плоскости (координата q₄).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₃, зависят от изменения координат q₂, q₃, m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₃ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q₂, q₃, , а также переменной массы груза m_г, на динамические свойства рассматриваемого привода поворота (координата q₃).

Для определения моментных воздействий на рассматриваемый привод (обобщенных моментов неконсервативных сил) воспользуемся уравнением Лагранжа 2-го рода. Кинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (фиг.2) представляется в виде

где J₂, J₃ - соответственно моменты инерции второго и третьего звеньев относительно их центров масс.

Потенциальная энергия имеет вид

где g - ускорение свободного падения.

Учитывая, что

На основе уравнения Лагранжа 2-го рода можно записать, что моментное воздействие на выходной вал привода, управляющего координатой q₃, при движении робота (фиг.2) с грузом имеет вид

С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической и механической

цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₃, можно описать следующим дифференциальным уравнением

где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя;

J - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя;

К_м - коэффициент крутящего момента;

Кω - коэффициент противоЭДС;

K_в - коэффициент вязкого трения;

i_p - передаточное отношение редуктора;

М_стр - момент сухого трения;

К_y - коэффициент усиления усилителя 5;

i - ток якоря;

- ускорение вращения вала двигателя третьей степени подвижности.

Из (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой q₃, являются существенно переменными, зависящими от величин m_г, q₂, q₃,

Полагается, что первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления Kω/K_y. Первый, третий, четвертый положительные входы сумматора 11 (соответственно со стороны релейного элемента 10, блока 21 умножения и блока 22 умножения) единичные, второй его положительный вход (со стороны датчика 7 скорости) имеет коэффициент усиления (K_MKω/R+K_B), а его пятый положительный вход (со стороны сумматора 32) - коэффициент усиления 1/l₂. Причем выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

где М_T -величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока 3 умножения) имеет коэффициент усиления второй положительный (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления R/(К_MК_У), а третий положительный (со стороны сумматора 2) - коэффициент усиления где J_H - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее рассматриваемому приводу робота заданные динамические свойства и показатели качества.

Второй положительный вход сумматора 13 (со стороны датчика 15) имеет коэффициент усиления l₂l₃/i_p, а его первый положительный вход (со стороны задатчика 12) - единичный коэффициент усиления. Сигнал с выхода задатчика 12 сигнала равен а с выхода задатчика 16 сигнала - Второй (со стороны блока 19 умножения) и третий (со стороны задатчика 16 сигнала) положительные входы сумматора 18 имеют единичные коэффициенты усиления, а первый положительный вход (со стороны датчика 15) - коэффициент усиления

Таким образом, на выходе сумматора 13 формируется сигнал Поскольку функциональный преобразователь 24 формирует сигнал cosq₃, то на выходе блока 19 умножения появляется сигнал а на выходе сумматора 18 - сигнал

Датчик 23 ускорения измеряет ускорение вращения второй степени подвижности робота (координату ), поэтому на выходе блока 22 умножения формируется сигнал

Датчик 14 скорости измеряет скорость вращения второй степени подвижности (координату ), а функциональный преобразователь 25 формирует сигнал sinq₃. Поэтому на выходе блока 20 умножения появляется сигнал а на выходе блока 21 умножения - сигнал

Датчик 26 положения измеряет угол поворота во второй степени подвижности (координату q₂), третий функциональный преобразователь 28 формирует сигнал sin(q₂+q₃).

В результате на выходе блока 29 умножения формируется сигнал

Датчик 30 ускорения измеряет ускорение движения четвертой степени подвижности (координату ). Первый положительный вход сумматора 32 (со стороны блока 31 умножения) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления g. В результате на его выходе формируется сигнал

С учетом отмеченных выше коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 11 на его выходе формируется сигнал

На выходе сумматора 2 формируется сигнал а на выходе блока 3 умножения - сигнал

Таким образом, с учетом указанных ранее коэффициентов усиления соответствующих входов сумматора 4 на его выходе окончательно будет сформирован сигнал

Несложно показать, что поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_стр, то, подставив значение U*(3) в соотношение (2), получим уравнение которое имеет постоянные желаемые параметры, т.е. привод, управляющий координатой q₃, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Таким образом, за счет дополнительного введения второго датчика 30 ускорения, седьмого блока 31 умножения и восьмого сумматора 32 удалось обеспечить полную инвариантность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментами трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы рассматриваемого привода.

Формула изобретения

Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, первый датчик ускорения, а также первый косинусный и второй синусный функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом первого датчика положения, выход датчика массы подключен к второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходам первого и второго функционального преобразователя, а их выходы - соответственно к второму входу шестого сумматора и первому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом первого датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора, а также последовательно соединенные второй датчик положения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу пятого сумматора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик ускорения, седьмой блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу шестого блока умножения и второму входу седьмого блока умножения, а его выход - к пятому входу четвертого сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

NF4A Восстановление действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Дата, с которой действие патента восстановлено: 10.04.2008

Извещение опубликовано: 10.04.2008        БИ: 10/2008