Устройство для управления адаптивным роботом-манипулятором

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании адаптивных роботов. Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения энергозатрат и повышения срока службы . Устройство содержит блок элементов И, выполненный с помош,ью элементов И- НЕ и элементов И, и блок триггеров, выполненный с помош,ью триггеров, элементов И, ИЛИ и инвертора, блок задания целей , вычислительный блок, блок приводов, блок датчиков положений, блок тактильных датчиков и ключевые элементы. 2 з.п. ф-лы, 10 ил. N5 ;о со 00 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК,Л0„, 1291388 А1 (5ц 4 В 25 J 13 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3931774/31-08 (22) 12.07.85 (46) 23.02.87. Бюл. № 7 (71 ) Таганрогский радиотехнический институт им. В. Д. Калмыкова (72) И. А. Каляев и С. А. Черный (53) 621-229.72 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 812561, кл. G 05 В 11/00, 1980.

Авторское свидетельство СССР № 849142, кл. G 05 В 11/00, 1980. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

АДАПТИВНЫМ РОБОТОМ-МАНИПУЛЯТОРОМ (57) Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании адаптивных роботов. Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения энергозатрат и повышения срока службы. Устройство содержит блок элементов

И, выполненный с помощью элементов И—

НЕ и элементов И, и блок триггеров, выполненный с помощью триггеров, элементов И, ИЛИ и инвертора, блок задания целей, вычислительный блок, блок приводов, блок датчиков положений, блок тактильных датчиков и ключевые элементы. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1291388

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании адаптивных роботов-манипуляторов.

Цель изобретения — улучшение эксплуатационных характеристик за счет уменьшения энергозатрат и увеличение срока службы устройства путем уменьшения количества изгибов траектории.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 — схема блока задания целей; на фиг. 3 — схема блока И, на фиг. 4 — схема многостабильного триггера; на фиг. 5 — схема блока триггеров; на фиг. 6 — схема блока приводов; на фиг. 7 — схема блока датчиков положений; на фиг. 8 — схема дешифратора положения; на фиг. 9 — схема блока возврата в предыдущее положение; на фиг. 10 — схема блока тактильных датчиков.

Устройство содержит блок 1 задания целей, вычислительный блок 2, блок 3 элементов ИЛИ, блок 4 элементов И, многостабильный триггер 5; блок 6 триггеров, блок

7 приводов, блок 8 датчиков положения, дешифратор 9 положения, блок 10 возврата в предыдущее положение, блок 11 тактиль,иых датчиков, ключевые элементы 12; элементы ИЛИ 13, элементы И 14, элементы И 15, элементы И 16, триггеры 17, блок

18 переключателей, дешифратор 19, элементы И вЂ” НЕ 20, элементы И 21, элементы И

22, триггеры 23, элементы ИЛИ 24, инвертор 25, элемент И 26, элементы ИЛИ 27. элемент ИЛИ вЂ” НЕ 28, элементы И 29 элементы ИЛИ 30, усилители 31, серводвигатели 32; потенциометрические потенциометры 33, аналого-цифровые преобразователи

34, дешифраторы 35, дешифратор 36, дифференцирующие элементы 37, элемент ИЛИ

38, триггеры 39, триггер 40, элементы И 41, элементы ИЛИ 42, тактильные датчики 43, элемент ИЛИ 44.

Устройство для управления адаптивным роботом-манипулятором работает следующим образом.

Перед началом работы всего устройства на выходе блока 1 задания целей появляется кратковременный сигнал, который поступает на входы всех ключевых элементов 12 и устанавливает триггеры 17 этих ключевых элементов 12 в единичное состояние, а также поступает на второй вход блока 6 триггеров и устанавливает все триггеры 17 в нулевое состояние. Перед выполнением каждого элементарного акта движения на выходе дешифратора 9 положения появляется кратковременный запрещающий сигнал, который поступает на третьи входы элементов И 14 всех ключевых элементов 12 и блокирует их, а также поступает на входы триггеров 39 блока 10 возврата в предыдущее положение и записывает в григгеры 39 координаты текущего положения робота-манипулятора.!

Ключевой элемент 12, соответствующий конечному целевому положению робота-манипулятора, выделяется блоком 1 задания целей. При этом последний формирует на информационном четвертом входе ключевого элемента 12 единичный сигнал, в результате чего данный ключевой элемент 12 становится генератором сигнала возбуждения, который поступает на логические входы 2m соседних ключевых элементов 12 после снятия общего запрещающего сигнала с второro выхода дешифратора 9 положения.

Дешифратор 9 положения формирует на основе информации поступающий от блока

8 датчиков положения единичный сигнал на втором входе того ключевого элемента 12, который соответствует текущему положению робота-манипулятора. При этом элементы И 15 данного ключевого элемента 12 способны пропускать, сигналы, приходящие на входы ключевого элемента 12 через соответствующие элементы ИЛИ блока 3 на входы блока 4 элементов И.

Такая организация вычислительного блока 2 приводит к тому, что после окончания общего запрещающего сигнала ключевой элемент 12, соответствующий конечному положению робота-манипулятора, начинает передавать на логические входы соседних ключевых элементов 12 сигнал возбуждения, который, распространяясь по ключевым элементам 12, достигает логические входы ключевого элемента 12, соответствующего текущему положению робота-манипулятора. Очевидно, что первым на одном из логических входов этого ключевого элемента 12 появляется тот сигнал, который прошел по кратчайшему пути от генерирующего ключевого элемента 12. Пройдя через один из элементов И 15 ключевого элемента 12, соответогвующего текущему положению робота-манипулятора, и соответствующий элемент или блока 3 этот сигнал поступает на вход блока 4 элементов И.

Блок 4 элементов И формирует приоритет по одной из степеней подвижности робота-манипулятора. В первый такт работы всего устройства управления на входы элементов И вЂ” НЕ 20 блока 4 поступают нулевые сигналы с выходов триггеров 23 блока

6 и закрывают их, при этом единичные сигналы с выходов элементов И вЂ” HE 20 поступают на входы элементов И 21 и подготавливают их к работе. В этом случае любой первый единичный сигнал, пришедший от вычислительного блока 2, открывает соответствующий элемент И 21 блока 4 и поступает на вход многостабильного триггера 5, устанавливая его в состояние, соответствующее направлению, со стороны которого пришел первый сигнал возбуждения.Последующие сигналы, приходящие на другие входы многостабильного триггера 5 не по кратчайшему пути, состояние многостабильного триггера 5 не изменяют.

1291388

10!

В последущие такты работы на вход одного из элементов И вЂ” НЕ 20 подается единичный сигнал, который соответствует признаку приоритета по данной координате подвижности робота-манипулятора. Пока отсутствует единичный сигнал от вычислительного блока 2 на входе блока 4, все элементы И вЂ” НЕ 20 блока 4 закрыты и единичные сигналы с их выходов поданы на все элементы И 21. Если единичный сигнал от вычислительного блока 2 первым приходит по направлению, имеющему признак приоритета, то он на выходе соответствующего элемента И вЂ” НЕ 20 формирует нулевой сигнал, который блокирует элементы И 21 по остальным направлениям движения и многостабильный триггер 5 срабатывает только по направлению, имеющему признак приоритета. Если от вычислительного блока 2 пришли одновременно два единичных сигнала, один из которых по приоритетному направлению или даже по направлению, имеющему признак приоритета в силу ряда причин пришел несколько позже (например, вследствие явления «гонок» в вычислительном блоке 2), то блокировать остальные направления, не имеющие признака приоритета, сразу не удается, сигнал другого направления проходит на вход многостабильного триггера 5 и перебрасывает его на новое направление. Однако, через время срабатывания элемента И вЂ” НЕ

20 направление с признаком приоритета блокирует остальные элементы И 21, единичный сигнал, уже изменивший состояние многостабильного триггера 5, исчезает, многостабильный триггер 5 возвращается в исходное состояние и теперь уже его в состояние, соответствующее приоритетному направлению, устанавливает единичный сигнал, пришедшии по направлению, имеющему признак приоритета. Если от вычислительного блока 2 приходят сигналы по направлениям, не имеющим признака. приоритета, то они, не блокируя других направлений, поступают на вход многостабильного триггера 5, который переходит в состояние, соответствующее направлению прихода первого из этих сигналов, а признак приоритета в блоке 6 триггеров переписывается на.это новое направление движения.

Таким образом, путь первого сигнала с учетом яризнака приоритета является воспроизводимой в вычислительном блоке

2 моделью кратчайшего пути от текущего положения робота-манипулятора к целевому.

Фиксация первого сигнала соответствует ак ту принятия решения, заключающегося в выборе того направления, в котором нужно совершать перемещение роботу-манипулятору с тем, чтобы по кратчайшему пути достичь конечное целевое положение. При этом использование признака приоритета позволяет не допускать излишнего количества изгибов траектории при движении робота-манипулятора.

Состояние многостабильного триггера 5 сохраняется до тех пор, пока приводы блока

7 не отработают элементарного шага движения. Окончание элементарного шаra движения фиксируется блоком 8 датчиков положений. При этом информация о текущем положении робота-манипулятора от блока 8 датчиков положений запоминается в блоке

10 возврата в предыдущее положение, а дешифратор 9 положения выбирает следукщий ключевой элемент 12, соответствующий новому текущему положению робота-манипулятора, и вырабатывает кратковременный запрещающий сигнал на своем втором выходе, тем самым блокируя всю логическую сеть ключевых элементов 12. Многостабильный триггер 5 при этом возвращается в исходное состояние, и все указанные операции повторяются до тех пор, пока робот-манипулятор не достигнет конечного положения.

В том случае, если при перемен,енин робота-манипулятора происходит соприкосновение с препятствием, то один из тактильных датчиков 43, который соприкоснулся с препятствием, вырабатывает сигнал, который поступает на первый вход вычислительного блока 2 и на третий вход блока 10 возврата в предыдущее положение. В вычислительном блоке 2 в ключевом элементе 12, соответствующем текущему положению робота-манипулятора, на вход триггера 17 подается сигнал, в результате чего последний переводится в нулевое состояние и своим нулевым сигналом блокирует элемент И 14. При этом ключевой элемент 12 переходит в заблокированное состояние. Одновременно по сигналу блока

11 тактильных датчиков срабатывает блок

10 возврата в предыдущее положение и вырабатывает на основе ранее запомненной информации сигналы, которые, поступая на блок 7 приводов, возвращают робот-мани— пуляторов в предыдущее положение.

Окончание отработки элементарного шага возврата также фиксируется блоком 8 датчиков положения и, следовательно, дешифратора 9 положения, который вырабатывает запрещающий сигнал на своем втором выходе и тем самым прекращает работу блока 10 возврата в предыдущее положение.

После этого процедура моделирования кратчайшего пути, выделения первого шага и отработка его блоком 7 приводов возобновляется, но уже при условии, что ключевой элемент 12, соответствующий положению робота-манипулятора, в котором он соприкасается с данной точкой препятствия, блокируется и не участвует в процессе моделирования кратчайшего пути. После некоторого времени функционирования в результате соприкосновений робота-манипулятора с препятствиями заблокировано некоторое

1291388 множество ключевых элементов 12, соответствующих положениям робота-манипулятора, в которых он имеет общие точки с существующими в рабочей зоне препятствиями. После этого робот-манипулятор функционирует в данной рабочей зоне, не соприкасаясь с препятствиями.

Блок 1 задания целей функционирует следующим образом. С помощью переключателей блока 18 набираются значения координат робота-манипулятора по каждой степени подвижности. Значения координат могут набираться непосредственно в унитарном коде. Набранные значения координат целевого положения дешифруются матричным дешифратором 19, который формирует на одном из своих выходов единичный сигнал, поступающий на вход соответствующего ключевого элемента 12 вычислительного блока 2. При этом данный ключевой элемент 12 становится генератором сигнала возбуждения. Кроме того, перед на- 2О чалом работы устройства управления с помощью блока 18 переключателей формируется также кратковременный единичный сигнал, который появляется на последнем выходе блока 18 переключателей и связанных с ним входов триггеров 17. В результате происходит установка триггеров 17 в исходное единичное положение.

Многостабильный триггер 5 работает следующим образом. В исходном состоянии на входах триггера 5 присутствуют нулевые сигналы, блокирующие элементы И 22.

Нулевые сигналы с выходов каждого из элементов И 22 поступают на инверсные входы остальных элементов И 22 и подготавливают их к срабатыванию. Поэтому с приходом первого единичного сигнала по од- З ному из входов многостабильного триггера

5 на выходе соответствующего элемента И

22 появляется единичный сигнал, который поступает на соответствующий выход многостабильного триггера 5. Кроме того, единичный сигнал на выходе соответствующего элемента И 22 блокирует все остальные элементы И 22, поэтому последующие сигналы, пришедшие по другим входам многостабильного триггера 5, не изменяют его состояния. Если убрать первый единичный 4 сигнал с выхода блока 4 элементов И, то на соответствующем выходе многостабильного триггера 5 возникает нулевой сигнал, блокировка с остальных элементов И 22 снимается и многостабильный триггер 5 готов к новому акту фиксации первого сигнала, 50 поступившего на один из его входов.

Блок 6 триггеров работает следующим образом.

В исходном состоянии к первым входам блока 6 триггеров приложены нулевые сигналы, а все триггеры 23 сигналом, поступающим от блока 1 задания целей, установлены в нулевое состояние. Первый пришедший единичный сигнал поступает на информационный вход соответствующего триггера 23, а также на вход элемента ИЛИ

24. На элементах ИЛИ 24, инверторе 25, элементах И 26 и ИЛИ 27 собрана схема формирования синхроимпульса записи информации триггера 23. Спустя некоторое время после прихода единичного сигнала на вход блока 6 триггеров, на входы всех триггеров 23 поступает импульс записи и в триггеры 23 записывается информация, присутствующая на их информационных входах. С приходом каждого следующего единичного сигнала на входы блока 6 триггеров процесс записи информации триггера

23 повторяется. Информация о состояниях триггеров 23 поступает на вторые выходы блока 6 триггеров.

Блок 7 приводов работает следующим образом. Сигналы управления движением робота-манипулятора, поступающие на входы блока 7 с выходов блока 6 триггеров, проходят через элементы И 29, если на выходе элемента ИЛИ вЂ” НЕ 28 при этом присутствует единичный сигнал, далее через элементы ИЛИ 30 поступают на входы усилителей 31, усиливаются и поступают на управляющие обмотки серводвигателей 32, в результате происходит поворот валов серводвигателей 32. Потенциометрические датчики 33 фиксируют углы поворотов валов серводвигателей 32 и вырабатывают на своих выходах напряжения, пропорциональные этим углам поворотов.

При поступлении на входы блока 7 приводов управляк щих сигналов от блока 10 возврата в предыдущее положение на выходе элемента ИЛИ вЂ” НЕ 28 появляется нулевой сигнал, который поступает на первые входы элементов И 29 и закрывает их. Управляющие сигналы проходят через элементы

ИЛИ 30, усиливаются усилителями 31 и поступают на управляющие обмотки серводвигателей 32, которые отрабатывают шаг возврата в предыдущее положение.

Блок 8 датчиков положения работает следующим образом. Напряжение с выходов потенциометрических датчиков 33 блока 7 поступает на входы аналого-цифровых преобразователей 34, на выходах которых появляются двоичные коды, соответствующие поступающему напряжению и, следовательно, углам поворота валов серводвигателей 32.

Эти двоичные коды дешифрируются в унитарные коды дешифраторами 35.

Дешифратор 9 положения работает следующим образом. Информация от блока

8 датчиков положений поступает на входы матричного дешифратора 36, на одном из выходов матричного дешифратора 36, на одном из выходов матричного дешифратора 36, соответствующем поступающей информации, появляется единичный сигнал, который поступает на вход соответствующего ключевого элемента 12 вычислительного блка 2 и на вход дифференцируюшего

1291388

1. Устройство для управления адаптивным роботом-манипулятором, содержашее многостабильный триггер, блок задания целей, первые и второй выходы которого соединены с соответствующими входами вычислительного блока, подключенного

50 элемента 37, который формирует кратковременный сигнал, поступающий через элемент ИЛИ 38 на входы ключевых элементов 12 и на соответствующий вход блока

10 возврата в предыдушее положение.

Блок 10 возврата в предыдущее положение работает следуюшим образом. Сигналы, поступаюшие на входы блока 10 от выходов блока 8 датчиков положений, проходят на информационные входы соответствуюших триггеров 39. Поэтому с приходом кратковременного импульса с второго выхода дешифратора 9 положения, поступающего на входы триггеров 39, в триггеры 39 записывается код текущего положения робота-манипулятора. Кроме того, по сигналу на соответствуюшем входе блока 10, поступающему с выхода дешифратора 9 положения, триггер 40 устанавливается в нулевое состояние. Нулевой сигнал на выходе триггера 40 закрывает элементы И 41. Если робот-манипулятор соприкоснулся с препятствием, То единичный сигнал с выхода блока 11 тактильных датчиков поступает на вход блока 10 и устанавливает триггер 40 в единичное состояние. При этом элементы

И 41 открываются и информация, записанная в триггерах 39 проходит на выходы элементов И 41, через соответствующие элементы ИЛИ 42 — на выходы блока

10 и далее на входы бока 7 приводов.

При этом за счет «переноса» связей между триггерами 39 и элементами И 41 íà 30 выходах блока 10 формируется код направления движения робота-манипулятора, обратный записанному в триггерах 39.

Блок ll тактильных датчиков работает следуюшим образом. При соприкосновении подвижной части робота-манипулятора, на 35 которой расположены тактильные датчики 43 с препятствием на выходе одного из тактильных датчиков 43 появляется единичный сигнал, который поступает на вход элемента ИЛИ 44, а затем на выход бло- 40 ка 11 тактильных датчиков. Единичный сигнал блока 11 тактильных датчиков поступает на первый вход блока 10 возврата в предыдущее положение и на первый вход вычислительного блока 2.

Формула изобретения третьим входом к первому входу блока возврата в предыдущее положение и первому выходу дешифратора положения. четвертыми входами к вторым выходам дешифратора положения, пятым входом к втсрому входу блока возврата в предыдушее положение и к выходу блока тактильных датчиков, а выходами к соответствуюшим входам блока элементов ИЛИ, блок приводов, выходы которого соединены с соответствуюшими входами блока датчиков положения, а первые входы — с соотретствуюшими выходами блока возврата в предыдушее положение, соединенного третьими входами с соответствующими входами дешифратора положения и соответствуюшими входами блока датчиков положения, отличающееся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик устройства за счет снижения энергозатрат и повышения срока службы, устройство содержит блок триггеров и блок элементов И, первые входы которого соединены с выходами блока элементов ИЛИ, вторые входы — с первыми выходами блока триггеров, а выходы — с входами многостабильного триггера, подключенного выходами с первыми входами блока триггеров, второй вход которого соединен с вторым выходом блока задания целей, а вторые выходы — с вторыми входами блока приводов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок элементов И содержит первые элементы И и элементы И вЂ” НЕ, первый и второй входы каждого из которых соединены с соответствующим первым и вторым входом блока элементов И, а выход— с соответствуюшим первым входом первых элементов И, каждый из которых подключен вторым входом к соответствуюшему первому входу блока элементов И, а выходом к соответствующему выходу блока элементов И.

3. Устройство по п. I, отличающееся тем, что блок триггеров содержит последователь но соединенные первый элемент ИЛИ, инвертор, второй элемент И и второй элемент

ИЛИ, а также триггеры, первый вход каждого из которых подключен к соответствуюшим первому входу и второму выходу блока триггеров и соответствующему входу первого элемента ИЛИ, второй вход — к выходу второго элемента ИЛИ, а выход— к соответствующему первому выходу блока триггеров, соединенного вторым входом с вторым входом второго элемента ИЛИ, а выход первого элемента ИЛИ подключен к второму входу второго элемента И.

1291388

Фиг. T

1291388

Ore олока 5 олака !

К Клоку 7

Фиг. 5

1291388

0m Жана у

1291386

Puz 10

Составитель Е. Политов

Редактор A. Сабо Техред И. Верес Корректор А. Тяско

Заказ 87/18 Тираж 954 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4(5

11роизводственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4