Устройство для управления приводом робота

 

Использование: для повышения точности и устойчивости привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работы манипулятора. Сущность изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов дополнительно введены четвертый 28 и пятый 33 задатчики сигнала, девятый 29, десятый 32 и одиннадцатый 34 сумматоры, шестой 30 седьмой 31 и восьмой 35 блоки умножения, третий датчик 36 скорости, третий квадратор 37, третий датчик 38 положения, второй усилитель 39 первый 40 и второй 41 функциональные преобразователи После корректировки привод становится инвариантным к изменению параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы 2 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)л В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1484702 (21) 4860779/08 (22) 20,08.90 (46) 30,09.92. Бюл. ¹ 36 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В,В,Куйбышева (72) В,Ф.Филаретов (56) Авторское свидетельство СССР

¹1484702,,кл. В 25 J 13/00, 1989. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ РОБОТА (57) Использование: для повышения точно- сти и устойчивости привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работ ы манипулятора. Сущность

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов, Оно является усовершенствованием изобретения авт.св. СССР № 1484702, По вышеуказанному основному изобретению известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор. последовательно подключенные усилитель и двигатель. связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор — с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и

„„. Ы„„1764989 А2 изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов дополнительно введены четвертый 28 и пятый 33 задатчики сигнала, девятый 29, десятый 32 и одиннадцатый 34 сумматоры, шестой 30, седьмой 31 и восьмой 35 блоки умножения, третий датчик 36 скорости, третий квадратор 37, третий датчик 38 положения, второй усилитель 39, первый 40 и второй 41 функциональные преобразователи, После корректировки привод становится инвариантным к изменению параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения.

При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы. 2 ил. первому входу третьего блока умножения, а выход — к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика сигнала, а третьим входом — с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом — с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика сигнала, выход третьего задатчика сигнала подключен к втоорму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения.

Кроме того, оно содержит пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и вось1764989 мой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, соединенного с входом усилителя, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого . сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход — с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, второй вход — с выходом первого датчика скорости, а выход — с третьим входом восьмого сумматора.

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только для конкретного привода конкретного робота.

Для приводов других степеней подвижности других роботов (с другой кинематикой) это устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивость работы.

В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся коррекции, которая обеспечила бы высокую точность и устойчивость работы привода робота с другой кинематической схемой исполнительного органа, Целью изобретения является устранение указанного выше недостатка, т.е, обеспечение высокой точности и устойчивости привода другой степени подвижности другого робота.

Цель достигается тем, что в устройство для управления приводом робота по авт,св, ¹ 1484702 предлагается дополнительно ввести последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, шестой и седьмой блоки умножения и десятый сумматор, .выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала, одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, и восьмой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третий квадратор, выход которого соединен со вторым входом шестого блока умножения, по.следовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель и первый функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу седьмого блока умножения, а второй вход восьмого блока умноженйя через второй функциональный преобразователь соединен с выходом третьего датчика положения.

Блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота представлена на фиг,1, Устройство для управления приводом

5 робота содержит первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, первый усилитель 3, двигатель 4, первый датчик 5 скорости, редуктор 6, первый датчик 7 положения, второй сумматор 8, второй датчик 9 положения, 10 третий сумматор 10, первый задатчик 11 сигнала, четвертый сумматор 12, второй задатчик 13 сигнала, первый квадратор 14, второй блок 15 умножения, датчик 16 массы, пятый сумматор 17, третий задатчик 18 сиг15 нала, второй квадратор 19, третий блок 20 умножения, шестой сумматор 21, четвертый блок 22 умножения, второй датчик 23 скорости, пятый блок 24 умножения, седьмой сумматор 25, релейный блок 26, восьмой

20 сумматор 27, четвертый задатчик 28 сигнала, девятый сумматор 29, шестой блок 30 умножения, седьмой блок 31 умножения, десятый сумматор 32, пятый задатчик 33 сигнала, одиннадцатый сумматор 34, восьмой

25 блок 35 умножения, третий датчик 36 скорости, третий квадратор 37, третий датчик 38 положения, второй усилитель 39, первый функциональный преобразователь 40, второй функциональный преобразователь 41, 30 объект 42 управления, На фиг,2 представлена кинематическая схема исполнительного органа робота, Введены следующие обозначения: а„— сигнал желаемого положения;

35 q>, цг, цз — соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;

q>, цг = Й Ip, цз — скорости изменения соответствующих обобщенных координат;

40 я — ошибка привода (величина рассогласования);

m>, т, тз, mr — соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;

45 Ь*, Q* — расстояния от осей вращения второго и третьего звеньев до их центров масс;

Ь вЂ” расстояние от центра масс третьего звена до средней точки схвата; а — скорость вращения ротора двигателя;

U*, U — соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 4;

ip — передаточное отношение редукто55 ра, Устройство работает следующим образом, Сигнал ошибки я сумматора 8 после коррекции в блоках 1, 2, 25, усиливаясь, поступает на электродвигатель 4, приводя

1764989 его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала е, моментов трения и внешнего моментного воздействия Мв. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния 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 и непрерывным и быстрым изменением его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления, Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой qz. Конструкция робота (см, фиг.2) является типовой для промышленных роботов (см„например "Юнимейт").

Моментные характеристики привода, управляЮщЕгО кООрдинатсй цг, СущЕСтвЕнно зависят от изменения координат q2, цз, g1 цз и mr В связи с этим для качественного управления координатой gz необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат qz, цз, q1, q3, а также переменной массы груза mr на динамические свойства рассматриваемого привода поворота (координата цг), Для определения моментных воздействия на рассматриваемый привод(обобщенных моментов неконсервативных сил) воспользуемся равнением Лагранжа 1! рода, Кинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (фиг,2) представляется в виде

Т = — (131 т Is2 + !ЯЗ)з1п qz + (INz + IN3+

2 „

+ п12 2 + m3 (5*+ ЦЗ) + пег (Ь +

+ ЦЗ+ ГЗ) ) COS Ц2) Ц1 + — (IN2 +

2 2* + INÇ+ 3(Ь*+ ЦЗ) + r(f3*+

+ + Ь)2) 2+ mÇ + птг 2

2 где INz, IN3 — моменты инерций второго и третьего звеньев относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс;

Is1, Isz, Is3 — моменты инерций первого, второго и третьего звеньев относительно их продольных осей.

Потенциальная энергия имеет вид

H = Я(гпг tz*+ п13 (Ь + ЦЗ) + mr (t3*+

+ q3+ (3))sinqz

Учитывая, что д (Т вЂ” П)

*г — (IN2+ m2 Ь + INÇ+ п13(Ь +

+ р) + (Ь + q3+ Ез) )qz, 5 д(Т вЂ” П1 1 (Is2+ Is3 IN2 1!чЗ дскб 2 „

m2 12 гпЗ (Ь + ЦЗ) гпг Ь+ ЦЗ+„

+ Ь) ) sin (2qz) Ц1 g (mz Iz + m3 (! 3 +

+ ЦЗ) + mr (Ь + gÇ+ 13)) с0$цг, 10 d дТ вЂ” П "*г

= (IN2+ гпг 5 + INÇ+

Тс!с „д

Ф mÇ (Ь + ЦЗ) + mr (Ь +Цз+ Ь) ) qz+

+2(птз(Ь + цз)+ тг(Ь*+ цз+ Ь))цз Цг.

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

20 Мв = Н(ЦЗ) Ц2+ h (ЦЗ, ЦЗ) g2+ Мвн, (1) где н(цз) = INg+ IN3+ гпг(г* + пчз(Ь*+

+ цз) + mr (Ь + q3+ Q)

h (цз, цз) =2 (m3 (13 + цз) + пег(Ь*+

+ ЦЗ+ Ь))g3, 25 Мвн = г!!чг + INÇ Is2 Is3 +

* * 2

+m25 +гпЗ(Ь + ЦЗ) + mr(Ь + ЦЗ+

+ b)z) sin (2Цг) q1 + g (mz 12*+ пауз (Ь* +

+ цз)+ пег(Ь*+ q3+ (3))cos цг, (2)

g — ускорение свободного падения.

30 С учетом соотношений (1) и (2). а также уравнений электрической U = iR + К „аг и механической IK = (I+ Н*)аг+ (h*+ К,) аг+

+ Мстр+ Мвн* ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТроДВИГаТЕЛЯ ПОСТОянного тока с постоянной магнитами или

35 независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой цг, можно описать следующим дифференциальным управлением

KyKMU = R (I + Н*) аг + (КмК„> +

40 + R (h*+ Кв) аг+ R (Мстр+ Мвн ), (3) где Н* = H(q3)/ip, h* = h (цз, цз)/ip, Мвн* =

= Мвн/Ip.

8 — активное сопротивление якорной цепи двигателя; I — момент инерции якоря

45 двигателя и вращающихся частей редуктора. приведенных к валу двигателя; Км — коэффициент крутящегося момента; К,„.— коэффициент противо — ЭДС: KE, — коэффициент вязкого трения; Мстр — момент сухого трения; Ky — коэффициент усиления усилителя 3; i — ток якоря; аг — ускорение вращения вала двигателя второй степени подвижноИз уравнения (3) видно, что параметры

55 этого уравнения, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой

g2, являются существенно переменными, ЗЭВИСящИМИ От ВЕЛИЧИН цг, цЗ, ц1, ЦЗ, mr В результате в процессе работы привода меняются (притом существенно) его динамиче1764989 ские свойства. Таким образом, для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода так, чтобы он описывался 5 дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Полагается, что первый положительный вход сумматора 25 (co стороны сумматора 8) единичный, а его второй отрицательный 10 вход имеет коэффициент усиления К /Ку.

Следовательно на выходе сумматора 25

К) ° формируется сигнал е — — а2.

Ку

Положител ьн ые входы третьего 10 и чет- 15 вертого 12 сумматоров — единичные. Датчик положения 9 установлен на втором звене робота и измеряет обобщенную координату цз, так как его движок механически связан с третьим звеном. Задатчик 18 вырабатывает 20 сигнал 5*, а задатчик 13 — сигнал (з.

Таким образом, на выходе сумматора 10 формируется сигнал 6*+ цз, а на выходе сумматора 12 — сигнал Ь*+ цз+ Ь. На выходе блока 15 умножения формируется сигнал 25

mr (Ь*+ цз+ 4), а на выходе квадратора 19

"г* 2 — сигнал ® + цз) . С выхода задатчика 11 на второй положительный единичный вход сумматора 17 поступает сигнал, равный

lip +!и2+ INS+ m 5* . Поскольку первый(со 30 стороны блока 15) и третий (со стороны квадратора 19) положительные входы этого сумматора соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный ma, то на его выходе фор- 35 мируется сигнал Н+ lip (cM,(2)), а на выходе блока 1 умножения сигнал (lið + Н)х

К. х(- — Q2)

K„

На выходе блока 20 умножения форми- 40 руется сигнал mr (t *+ цз + 5). Первый сум матора 21 (со стороны сумматора 10) имеет коэффициент усиления 2гпз, а его второй вход — коэффициентусиления 2. В результате на выходе сумматора 21 формируется сиг- 45 нал h (см.(2)), т.к. датчик 23 измеряет скорость перемещения третьего звена цз, относительно второго, а на выходе блока 24 умножения — сигнал h re .

На выходе задатчика 33 формируется сигнал 2m24* . Первый и второй положительные входы сумматора 34 имеют коэффициенты усиления g/2, поэтому на его выходе формируется сигнал 55

9(гп26*+ газ(1з*+ цз)+ mr (Ь*+ цз+ 6)), Датчик положения 38 измеряет оообщенную координату ц2, на выходе функционального преобразователя 41 формируется

М, т22 >О, — Мт пРи а2 <О, 0 а2 =О, Овых26 =

I Мт I — величина момента сухого трения при движении, Первый (со стороны релейного блока

26), второй (со стороны датчика 5), третий (со стороны блока 24) и четвертый положительные входы сумматора 27 соответственно имеют следующие коэффициенты усиления—

KM К единичный, + Кв, 1/ip, 1/ip. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал

KM K<

* (+ Кв) Q2 + Mrslgn re + h re +

+ Мвн

Первый (со стороны блока 1) и второй положительные входы сумматора 2 соответственно имеют коэффициенты усиления

1/(lpip ), R/(KM Ку), В результате на выходе .2 этого сумматора формируется сигнал гг — — г — —.— (г — — ггг) + х

* I I +Н К> ° R н р2 Ку Км Ку

KM Ka °

Х ((+ Кв) <2+ Mò .Sign ГХ2+ h t 2+ Мвн ).

R (4) сигнал cosq2, а на выходе блока 35 умножения — сигнал

9(л 2 2*+ тпЗ (Ь* + ЦЗ) + mr (5*+ ЦЗ +

+ сз))со зц2.

Задатчик 28 вырабатывает сигнал lip2+

+Is2+ Isa, Первый отрицательный (со стороны задатчика 28) и второй положительный входы сумматора 29 имеют коэффициенты

1 усиления — . В результате на его выходе

2 . формируется сигнал

1 (lN2+ МЗ IS2 ЯЗ+ п 2 l2 +

*2

+ тЗ(Ь + цэ)2+ гпт(4+ цэ+ 5) ).

Датчик скорости 36 измеряет координату ц1, усилитель 39 имеет коэффициент усиления 2, а функциональный преобразователь 40 реализует функцию sin, В результате на выходе блока 31 умножения формируется сигнал

1 *2 (42 + КЗ IS2 IS3 + %2 г2 +

2 „

+ аз(тз* + цз) + mr (б + цз + з) ) q > "з п (2ц2), Положительные входы сумматора 32 имеют единичные коэффициенты усиления.

Поэтому на выходе этого сумматора формируется сигнал М» (см.(2)).

Выходной сигнал релейного блока 26 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

1764989

Поскольку при движении привода

Мт sign az достаточно точно соответствует Mczp, то сигнал (4) обеспечивает превращение уравнения (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными желаемыми параметрами, обеспечивающими приводу задан ные динамические свойства и показатели качества

R It(a2=+ KM K aã = Ky Км е.

Таким образом, за счет дополнительного введения четвертого 28 и пятого 33 задатчиков сигнала, девятого 29, десятого 32 и одиннадцатого 34 сумматора, шестого 30, седьмого 31 и восьмого 35 блоков умножения, третьего датчика 36 скорости, третьего квадратора 37, третьего датчика 38 положения, второго усилителя 39, а также первого

40 и второго 41 функциональных преобразователей удалось обеспечить полную инвариантность привода робота к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения, Это позволяет получить стабильное высокое качество управления в любых режимах работы привода, Формула изобретения

Устройство для управления приводом робота по авт.свид. N1484702,,о т л и ч а ющ е е с я. тем, что, с целью повышения

5 точности и устойчивости привода робота, оно дополнительно содержит последовательно соединен ные четвертый задатчик сигнала, девятыйй сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, шестой и

10 седьмой блоки умножения и десятый сумматор, выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала, одиннадцатый сумматор, вход которого соединен с

15 выходом шестого сумматора,и восьмой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третий квадратор, выход которого соединен со

20 вторым входом шестого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель и первый функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу седьмого

25 блока умножения, а второй вход восьмого блока умножения через второй функциональный и реобразователь соединен с выходом третьего датчика положения.

1764989

Составитель В.Филаретов

Редактор Е,Егорова Техред М,Моргентал Корректор П.Гереши

Заказ 3344 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, yn,Гагарина, 101