Устройство для автоматического управления роботом- манипулятором

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при управлении сборочными роботамиманипуляторами. Цель изобретения - повышение точности работы. Поставлен .ная цель достигается за счет того, что устройство содержит четыре канала управления: канал управления поворотом , канал управления радиальным перемещением, канал управления подъемом и канал управления охватом. Пер вые три канала построены по двухконтурной замкнутой схеме, причем внешним контуром является контур управления положением, а внутренним-контур управления скоростью. Четвертый канал построен по разомкнутой схеме. Третий канал выполнен структурно независимым, а первый и второй каналы связаны между собой через функциональные преобразователи, установленные на входах внутренних контуров управления. На входы функциональных преобразователей поступают сигналы с выходов датчиков положения и скорости и с выхода блока вычисления момента инерциил Указанные особенности структурного выполнения устройства позволяет учесть влияние статических и динамических характеристик звеньев манипулятора, исполнительных механизмов и требования к качеству управления и за счет этого повысить точность устройства. 2 з.п. ф-лы. 4 ил. и (Л 00

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К A ВТОРСНОМ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4099020/24-24 (22) 11.05.86 (46) 15.06.88, Бюл. 9 22 (71) Всесоюзный заочный машиностроительный институт, Московский институт химического машиностроения и Никола" евский кораблестроительный институт им. адм. С.О.Макарова (72) А,В.Кузмичев, Е.В,Письменная, Ю.А,Рязанов, Е.И.Воробьев

>. Ю.П.Кондратенко (53) 62-50(088.8) (56) Патент Франции У 2034910, кл. В 25 J 9/00, опублик. 1980.

Авторское свидетельство СССР

У 597552, кл, В 25 J 9/00, 1975. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО

УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ-МАНИПУЛЯТОРОМ (57) Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при управлении сборочными роботамиманипуляторами. Цель изобретения повышение точности работы. Поставлен.ная цель достигается за счет того, что устройство содержит четыре канала управления: канал управления по(51Ъ 4 6 05 В 19 00 В 25 Л 9/00 воротом, канал управления радиальным перемещением, канал управления подъемом и канал управления схватом, Первые три канала построены по двухконтурной замкнутой схеме, причем внешним контуром является контур управления положением, а внутренним-контур управления скоростью, Четвертый канал построен по разомкнутой схеме. Третий канал выполнен структурно независимым, а первый и второй каналы связаны между собой через функциональные преобразователи, установленные на входах внутренних контуров управления. На входы функциональных преобразователей поступают сигналы с выходов датчиков положения и скорости и с выхода блока вычисления момента инерции Указанные особенности структурного выполнения устрой" ства позволяет учесть влияние статических и динамических характеристик звеньев манипулятора, исполнительных механизмов и требования к качеству управления и эа счет этого повысить точность устройства. 2 з.п. ф-лы.

4 ил.

1403016

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при управлении сборочными роботами-манипуляторами.

Нелью изобретения является повыше5 ние точности устройства °

На фиг. приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 — кинематическая схема робота"манипулятора; на фиг ° 3 и 4 функциональные схемы функциональных преобразователей, Устройство содержит первый блок 1 сравнения, первый предварительный усилитель 2, сумматор 3, первый функциональный преобразователь 4, умножитель 5, первый усилитель 6 мощности, первый исполнительный механизм 7, первый датчик 8 положения, первый промежуточный усилитель 9, первый датчик 10 скорости, источник 11 опорного сигнала, сумматор 12,квадратор 13,блок

14 масштабирования, блок 15 вычисления момента инерции, второй блок 16 срав- 25 нения, второй предварительный усилитель 17, сумматор 18, второй функциональный преобразователь 19, второй датчик 20.положения, второй усили тель 21 мощности, второй исполнитель- 0 ный механизм. 22, второй промежуточный усилитель 23, второй датчик 24 скорости, третий блок 25 сравнения, третий предварительный усилитель 26, сумматор 27, третий датчик 28 положения, четвертый. усилитель 29 мощности, четвертьп" исполнительный механизм 30, третий промежуточный усилитель 31, третий датчик 32 скорости, третий усилитель 33 мощности, третий исполнительный механизм 34, блок 35 масштабирования, сумматор 36, блок 37 масштабирования, умножители 38 и 39, блок 40 деления, источник 41 опорного сигнала, квадратор 42, блок 43 масштабирования, сумматор 44, блок

45 масштабирования, умножитель 46, блок 47 масштабирования и блок 48 задания программы.

На фиг. 2 обозначены q, q q значения обобщенных координат звеньев вращения> подъема и радиального перемещения соответственно.

Устройство работает следующим образом.

С первого, второго и четвертого выходов блока 48 задания программы подаются сигналы q » q> и q > соот>> Ф ветствующие требуемым положениям (1) (2) .

>I >> >2

K@51(k1lj> где Х;, и %; (i=1 2,3;

Ке A, Re Ъ; с О) — различные заданные константы, определяющие качество отработки заданного движения; номер звена. звеньев руки и ромышленно го робота, кинематически связанных с выходами первого, второго и четвертого исполнительных механизмов 7, 22 и 30 соответственно. С выходов первого 8, второго 20 и третьего 28 датчиков положения снимаются сигналы q и q ., соответственно текущим значениям выходных сигналов первого, второго и четвертого исполнительных механизмов 7, 22 и 30 соответственно, а с выходов первого 10 второго 24 и третьего 32 датчиков скорости—

4 сигналы q,, q и q, соответствующие текущим значениям скоростей соответствующих исполнительных механизмов. С третьего выхода блока 48 задания программы подается сигнал, который через третий усилитель 33 мощности поступает на третий исполнительный механизм 34 схвата для захвата или отпускания объекта манипулирования, Коэффициенты передачи блоков масштабирования и усилителей выбраны пропорциональными константам, однозначно связанным со статическими и динамическими характеристиками звеньев манипулятора, исполнительных механизмов и требованиями, налагемыми на качество движения. Коэффициент передачи блока 14 масштабирования выбран пропорциональным m, первого

Э> предварительного усилителя 2 — К,, первого промежуточного усилителя 9—

К„, второго предварительного .усилителя 17 - К » второго промежуточного усилителя 23 — К „третьего предварительного усилителя 26 — К, блока

37 масштабирования — 2m > блока 45 масштабирования m, где m — масса третьего звена манипулятора, а

1403016

Выбор коэффициентов передачи третьего промежуточного усилителя 31, блоков,35 и 47 масштабирования, усилителей мощности 6, 21 и 29 зависит от типа исполнительных механизмов

7, 22 и 30. Так, если.в качестве исполнительных механизмов 7, 22 и 30 выбраны электродвигатели постоянного тока с независимым возбуждением, снабженные механизмами передачи движения от выходного вала электродвигателя к соответствующему звену манинулятора, коэффициент передачи третьего промежуточного усилителя выбран 15 пропорциональным

К мФа 1а

I м Tjf

3< ЯАз ) //(1) 8

j2, Р1 qA„lq„

v ç qAÄ / 1э8 (10) (») (12) где q

Значение выходного сигнала, например напряжения, источника 11 опорного. сигнала определено по формуле (13) U c I а значение выходного сигнала, например, напряжения источника 41 опорного сигнала определено цо формуле (5) (14) где с —. п ос то я нный к о эффициен т;

Š— суммарный момент инерции, 35 определенный по формуле

+Е +Е +Е j (15) 40 в которой I; — момент инерции i ro звена относительно вертикальной оси, проходящей через центр масс i-го звена.

Для реализации требуемого движения манипулятора промышленного робота в соответствии с заданными сигналами q, q R и q» устройство форми(Ф рует на входах исполнительных механизмов 7,22 и 30 сигналы U, Us и U, соответственно равные: где т; м, Ц = — -, - К q +К (q -q ) + (Е -m ) Г

Ф (K (я м1<

1, L

Км Kc)ilj — — --+ f )q+2mqqq

R ь,т .< э э э

Я.1.

I + m qэ (16) IA 6.1

318 pi блока 35 масштабирования—

"\ 2 1.). (4)

R Ь,тр, <

Я! блока 47 масштабирования—

К88экиэ 1 з

+ V

R p 6.+ Ъ у яъ э блока 43 масштабирования (6) m +IAe. э (3 э- Рэ ) первого усилителя 6 мощности—

21 (7)

Км) Зэ второго усилителя 21 мощности—

R„ p, (т + 1 (j /р,) ) /к j, (8) четвертого усилителя 29 мощности—

8„р, (т,+m,+iä,, (j,/р ) )/К„,j,, (9) масса i-го звена манипулятора; сопротивление обмотки якоря х-го электродвигателя; коэффициент крутящего момента i-ro электродвигателя; коэффициент противоЭДС

i-ro электродвигателя; момент инерции ротора

i-ro электродвигателя; коэффициенты, определяющие коэффициенты передачи механизмов преобразования вида движения и определенные по формулам;

f 8pð,ñ 8

v - коэффициенты вязкого б,тр. i (скоростного) трения в опорах (на штоке) нагрузки (звеньев манипулятора); скорость вращения выходного вала i-го электро" двигателя. (18) 5 1403016 6

<< aZP>la ЬЫ J Р К +К () +

+ . (з/ <)

«

3 К,„31, 1 3< 3 3- 3 .2 (17)

+ А..,(3 /Р3)

Rsz P. Lm»+N +I J<,<<. (1, /P» ) 3, г+К (ги юч ) мг г ,2

Км»Кы»1»

l (ю <- ) р вар, г

m m Х (j /р ) 45 (К К вЂ” "< — @- - + Е ) q + 2m q q q

) в,тр. i < 3 3 3, 2.

I+mqz ,г Э 9 который поступает на выход первого

50 нелинейного функционального преобразователя 4 и далее на третий вход сумматора 3, Сигнал с выхода сумматора 3

Рассмотрим более подробно (фиг. 1) 15 формирование управляющих сигналов

U,(i 1 2,3).

На выходе первого блока 1 сравнения формируется сигнал рассогласова"

«

H«(q< -с1 <) между текущим q, и заpaHHbIb< q» положениями первого испол< нительного механизма 7, который после преобразования в первом предваритель« иом усилителе 2 в сигнал К, (q<-q,) поступает на второй вход сумматора 3. 26

Ф

Сигнал q с. выхода первого датчика

l 0 скорости, преобразованный первым промежуточным усилителем в сигнал

K«q<, поступает на первый вход сумматора 3. Сигнал q с выхода второго датчика 20 положения, преобразованный последовательно соединенными квадратором 13 и блоком 14 масштабирования в сигнал m3q, поступает на второй вход сумматора 12, на первый вход ко35 торого поступает сигнал Х (для с = 1) с выхода источника П опорного сигнала, В результате суммирования этих сигналов на выходе сумматора 12 имеем сигнал Х +т <1, который поступает на

3 четвертый вход первого функционального преобразователя 4 (фиг. 3), а в нем поступает на вход "Делитель" блока 40 деления, На вход " Делимое" блока 40 деления поступает сигнал с = 1 с выхода источника 41 опорного сигнала. В результате выполнения операции деления на выходе блока 40 деления получим сигнал .1/(m <1 +1 ). .На первый вход первого фуйкционального преобразователя 4 поступает сигнал q > с выхода второго датчика 20 положения, .г (K«< Кя j <»

Kq+K (q-q) +

1 R«<

««г I

I K перемножается в умножителе 5 с сигналом 1 + m,q с выхода сумматора

12 и в результате усиления в первом на второй вход — сигнал q3 с выхода второго датчика 24 скорости, а на

I третий вход — сигнал q, с выхода первого датчика 10 скорости. В результате перемножения этих трех сигналов в умножителе 38 на его выходе получа% сигнал q,3q3q < y который после пре образования в блоке 37 масштабирования в сигнал 2m>q q>q поступает на

3 3 3 < первый вход сумматора 36, Сигнал q с первого входа нелинейного функционального преобразователя 4 поступает также на вход блока 35 масштабирования и будучи преобразованным с учетом (4) в сигнал .z (К-"Е 1-- f ) q

R 8,òð.< г< поступает на второй вход сумматора

36. В результате суммирования сигналов на выходе сумматора 36 получим сигнал

° г

К <Кр

Э (- - — -1-+ f )q+2щ q q Ч

ЬтР«3 3 3 <

<«

В результате перемножения в умножителе 39 этого сигнала с выходным сигналом 1/(I +ш qz) блока 40 деления на выходе умножителя 39 получим сигнал

+ <<тр, < )q<+2mzq3q3q<

+ m3q9 усилителе 6 мощности в соответствии с (7) преобразуется в сигнал U<, равный;

140301 6 8 сигнал q q умножителя 46 преобразуэ ется блоком 45 масштабирования в сигнал m q,q,, который поступает на первый вход сумматора 44. В результате преобразования в соответствии с (5) сигнала q3 в блоке 47 масштабирования на его выходе формируется сигнал

1.(Х Л

Кв (Т + m а )Г .г. — К, (11 «2 1 м 31 ,2

Км Кса 1 (— — — -+ f )q+2тq q

R В,тР.i 1 3 3

I + 1ll q

2 . Э 3,2

10 (КмгК„дЯ э +

p2 Ь,тР, 3

93 который поступает на второй вход сумматора 44. В результате суммирова" ния сигналов на выходе суммат1эра 44

15 формируется сигнал (-" — - "-+ V ) q-тц

КмъК т

В 2 гг г. Ерэ 3 3 Э яэ э

26 который после преобразования в бло-. ке 43 масштабирования в соответствии с (6) преобразуется в сигнал который поступает на выход второго нелинейного функционального преобразователя 19 и далее на третий вход

30 сумматора 18. Сигнал с выхода сумматора 18

3s 13 32 г3 г.э ,К +К (— ) +

3 Ав3 3 3 в результате усиления во втором уси- (8) преобразуется в сигнал U лителе 21 мощности в соответствии с ный

/

1 ЬХРЛш. +ЬЬЬЫЙРЛ 2 К +К («) + .г мэ (— — — -+V ) и-тц

Ва.й 3 Ав,э (4 » ) рав!

Рассмотрим теперь формирование 45 сигнала U . Ha выходе третьего блока 25 сравнения формируется сигнал рассогласования (q -q ) между теку% щим и и заданным q положениями четвертого исполнительного механизма

30, который после преобразования в третьем предварительном усилителе 26 преобразуется в сигнал К (q -q ) и поступает на первый вход сумматора

° 2.

Кмг Кяг1 г — -- — - — + V

Rg< Р ., тГ

2 г2

m2+ m3+ IA ()

Рв

22 (q2 q2) Рассмотрим теперь формирование сигнала U . На выходе второго блока

16 сравнения формируется сигнал рассогласования (ц -q ) между текущим и заданным q " положениями второ3 э

ro исполнительного механизма 22, который после преобразования во втором предварительном усилителе 17 в ="èãíàë

К (q -q3) поступает на второй вход сумматора 18. Сигнал q 3 с выхода второго датчика 24 скорости, преобразованный вторым промежуточным усилителем в сигнал К,, поступает на первый вход сумматора 18. На первый вход функционального преобразователя 19 (фиг ° 4) поступает сигнал q, с выхода первого датчика 10 скорости, на второй вход — сигнал q с выхода

3 второго датчика 20 положения, а на

I третий вход — сигнал и с выхода второго датчика 24 скорости. Сигнал q лреобраэуется квадратором 42 в сигнал q 2, который перемножается в ум1 ножителе 46 с сигналом q3. Выходной

27. Сигнал с выхода третьего датчика 32 скорости, преобразованный третьим промежуточным усилителем 31 в соответствии с (3) в сигнал

° %

Кмг Ксаг 1 г

+ V гг г Втр2 к +--"*Р

%1 2 ш2+шэ+IAв.2 (32!Р2) поступает на второй вход сумматора

27. Сигнал с выхода сумматора 27

140301 б 10 с (9) преобразуется в сигнал U равный: и результате усиления н четвертом усилителе 29 мощности н соответствии

?

1 м Ря Ь +ш + Тi .z (E я /D z) г — к + к (ч ч) + 2 K а чz zz.i÷z чzi м1

K@z Kazoo z бар, я Р

+ л шз lb,e,z(j a 1 z) Таким образом, на вкодах первого

7, второго 22 и третьего 30 исполнительных механизмов формируются сигналы U Uя и Uz, описанные выражениями (1б), (1?) и (18) соответственно.

Повышение точности устройства достигается за счет того, что при формировании управляющих сигналов U U> и U в предлагаемом устройстве учте2 ны статические и динамические харак. теристики звеньев манипулятора (фиг. 2), исполнительных механизмов и требования, налагаемые на качество управления, что позволяет учесть взаимовлияние звеньев манипулятора и получить требуемые динамические характеристики устройства при реализации движения в соответствии с сиг.я. налами q, ц з и

Формулаизобретения

1. Устройство для автоматического управления роботом-манипулятором, содержащее последовательно соединенные усилитель мощности, первый исполнительный механизм, первый датчик положения и первый блок сравнения, подключенный вторым входом к первому выходу блока задания программы, последовательно соединенные второй усилитель мощности, второй исполнительный механизм, второй датчик положе- ния и второй блок сравнения, подключенный вторым входом к второму выходу блока задания программы, соединен" ного третьим выходом через третий усилитель мощности с третьим исполнительным механизмом, и блок вычисления момента инерции, состоящий из последовательно соединенных квадратора и блока масштабирования, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности устройства, в нем дополнительно установлены первый и второй функциональные преобразователи, первый и второй предварительные усилители, последонательно соединенные первый датчик скорости, первый

1 промежуточный усилитель, первый сумматор и,первый умножитель, последовательно соединенные второй датчик скорости, второй промежуточный усилитель и второй сумматор, последовательно соединенные источник опорного сигнала и третий сумматор, последовательно соединенные третий блок сравнения, третий предварительный усилитель, четвертый сумматор, четвертый усилитель мощности, четвертый исполнительный механизм и третий дат-. чик положения, последовательно соединенные третий датчик скорости и

25 третий промежуточный усилитель, выходом подключенный к второму входу .четвертого сумматора, вход третьего датчика скорости соединен с выходом четвертого исполнительного механизЗО ма, первый вход третьего блока сравнения подключен к выходу третьего датчика положения, а второй вход— к четвертому выкоду блока задания программы, вход первого предвари35 тельного усилителя соединен с выходом первого блока сравнения, а выход — с вторым входом первого сумматора, третьим входом подключенного к выходу первого функционального пре40 образователя, первым .входом соединенного с выходом второго датчика положения, входом блока вычисления момента инерции и вторым входом второго функционального преобразователя, 45 вторым входом - с ныкодом второго датчика скорости и третьим входом второго функционального преобразователя, третьим вкодом — с выходом первого датчика скорости и третьим

5п входом второго функционального преобразователя, а четвертым выходом с выходом третьего сумматора и втоphIM входом умножителяq выходом под ключенного к входу первого усили55 теля мощности, выход блока вычисления момента инерции соединен с вторым входом третьего сумматора, вход второго предварительного усилителя соединен.с выходом нторого блока срав016 12 ды первого умножителя, вход Делитель" блока деления и выход второго

1403 нения, а выход — с вторым входом второго сумматора, третьим входом подключенного к выходу второго функционального преобразователя, а выходом — к входу второго усилителя мощности, 2, Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что первый функциональный преобразователь содержит источник опорного сигнала, первый блок масштабирования, блок деления и последовательно соединенные первый умножитель, второй блок масштабирования, сумматор и второй умножитель, соединенный вторым входом с выходом блока деления, подключенного входом яделимоеп к выходу источника опорного сигнала, вход первого блока масштабирования соединен с пер- 20 вым входом первого умножителя, а выход — с вторым входом сумматора, причем первый, второй и третий вхоумножителя являются соответственно первым, вторым, третьим и четвертым входами и выходом преобразователя.

3. Устройство по п. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что второй функциональный преобразователь содержит квадратор, выходом соединенный с первым входом умножителя, выходом подключенного через первый блок масштабирования к первому входу сумматора, вторым входом соединенного с выходой второго блока масштабирования, а выходом — с входом третьего блока масштабирования, причем вход квадратора, второй вход умножителя, вход второго блока масштабирования и выход третьего блока масштабирования являются соответственно первым, вторым и третьим входами и выходом преобразователя.

1403016

Составитель Г. Нефедова

Техред А.Кравчук Корректор М. Максимишинец

Редактор А. Лежнина

Заказ 2858/38

Тираж 866 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4