Самонастраивающийся электропривод робота

 

Использование: для повышения точности и устойчивости привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работы манипулятора. Эти изменения обусловлены существенным взаимовлиянием между степенями подвижности многозвенника при работе на больших скоростях и вязким трением. Сущность изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается дополнительно ввести второй и третий датчики скорости, первый и второй квадраторы, четвертый, пятый и шестой блоки умножения , второй датчик положения, первый и второй функциональные пребразователи и восьмой сумматор. После коррекции привод становится инвариантным к изменениям 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)ю В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ f1ATEHTHOE

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4855732/08 (22) 31.07.90 (46) 28.02.93. Бюл. ¹ 8 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В.В.Куйбышева (72) В.Ф,.Филаретов (56) Авторское свидетельство СССР

N1484702,,кл,,В 25 J 13/00. 1989. (54) САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА (57) Использование: для повышения точности и устойчивости привода при больших скоростях изменения параметров нагрузки в процессе работы манипулятора. Эти изменения обусловлены существенным взаимо°

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов.

Цель изобретения — устранение указанного выше недостатКа, то есть обеспечение высокой точности и устойчивости привода третьей степени подвижности робота.

На фиг,1 изображена блок-схема предлагаемого робота; на фиг.2 — кинематическая схема исполнительного органа робота.

Самонастраивающийся электропривод робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком

6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с шестерней 8, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на третьем телескопическом звене робота, и движок первого датчика 9 положений, уста„„Я „„ l 798179 А1 влиянием между степенями подвижности многозвенника при работе на больших скоростях и вязким трением. Сущность изобретения; для формирования необходимых корректирующих сигналов предлагается дополнительно ввести второй и третий датчики скорости, первый и второй квадраторы, четвертый, пятый и шестой блоки умножения, второй датчик положения, первый и второй функциональные пребразователи и восьмой сумматор. После коррекции привод становится инвариантным к изменениям параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения. При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы, 2 ил. новленного на втором звене и измеряющего положение характерной точки третьего телескопического звена относительно оси вращения второго звена, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй положительный вход ® которого подключен к выходу первого дат° чика 6 скорости, входу релейного блока 10 и второму отрицательному входу первого сум- 10 матора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала, четвертый сумматор 13, пятый сумматор 14, ко второму входу которого подключен второй задатчик

15 сигнала, второй блок умножения 16, шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, а также датчик 19 массы, причем выход первого датчика 9 положения соединен с первым отрицательным входам седьмого сумматора 20, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а

1798179 выходом — к первому положительному входу первого сумматора 1; выход третьего сумматора 11 соединен со вторым входом второго сумматора 3. Кроме того он содержит последовательно соединенные второй датчик 21 скорости и первый квадратор 22, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 18 умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора i1, последовательно соединенные третий датчик 23 скорости, четвертый блок умножения 24, второй квадратор 25 и пятый блок умножения 26, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 17, а выход — к четвертому отрицательному входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик положения 27, первый функциональный преобразователь 28, шестой блок 29 умножения и восьмой сумматор 30, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя

28, а выход — к пятому положительному входу третьего сумматора 11, причем выход датчика 19 массы соединен со вторыми входами первого 2, второго 16 и шестого 29 блоков умножения, второй вход четвертого блока.24 умножения через второй функциональный преобразователь 31 подключен к выходу второго датчика 27 положения, выход первого датчика 9 положения соединен со вторым входом четвертого 13 сумматора, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора 17, а выход первого сумматора 2 соединен с третьим входом второго сумматора 3, На фиг,1 и 2 введены следующие обозначения: и ax — сигнал желаемого положения;

g1,g2,g3 — соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;

91,g2,g3 =- аз1р — скорости изменения соответствующих обобщенных координат; е-ошибка привода(величина рассогласования);

mt,m2,тз,п — соответственно массы первого, второго. третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;

to* — расстояние от оси вращения третьего звена до его центра масс при 9з = 0;

b — расстояние от центра масс третьего звена ро средней точки схвата; аз — скорость вращения ротора двигателя;

U*,U — соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5, Устройство работает следующим образом.

Сила Рз в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 момент, равный

М =Рз (1)

С учетом соотношения (i), а также уравнения электрической

U= iR+ Кейз

Сигнал ошибки у: сумматора 20 после коррекции в блоках 1, 2, 3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящим от величины поступающего сигнала е, моментов трения и внешнего моментного воздействия М>. 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 к непрерывным и быстрым

20 изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой оз. Конструкция робота (см. фиг.2) является типовой для промышленных роботов.

Уоментные характеристики привода, управляющего координатой 9з, существен30 но зависят от изменения координат

92.93,91,gZ, mr.

В связи с этим для качественного управления координатой 9з необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изс менения координат gz,g3,gf,gz, а также переменной массы грузы mr на динамические свойства рассматриваемого привода (координата 9з).

Полагается, что третье звено перемеща40 ется с помощью электропривода посредством передачи шестерня — рейка, Причем рейка установлена вдоль третьего звена, а шестерня — на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус r, Несложно показать, что в процессе движения робота, на его третье звено со стороны привода действует сила

Рз= (ma+mr)gagman(ls +go)+mr)lv +яз+

+ 1з)342 +cps (92)цi ) + g{ms+ mr) singz.

1798179 и механической

iKMQI+(mг+ГПЗ)1 /Iр ) a3 +

+ Мстр+Кв f23 + g(mÇ+fflr)sin(g2)/Ip фп43*+

+g3)+m/13*+93+13))(g2 +cos (g2)g1 )/1р цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого 10 возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой дз, можно описать следующим дифференциальным уравнением

КуКмО =гт(1+(гпз+гпг+Г /1р ) Йз +

+ (Км Ъ+ RKe) Q3+ 1 1 1стр

- Rrfm3(l3*+g3)+mf(13*+93+1 3)) (92 + cos (92)91 )/ip + Rrg(m3+mс)81п(92)/ip, (2) где R — .активное сопротивление якорной цепи двигателя; (— момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведен- 25 ный к валу двигателя; Км — коэффициент крутящего момента; Кв- коэффициент противо-ЭДС;

Ke — коэффициент вязкого трения; i

30 передаточное отйошение редуктора; Мстр,— приведенный момент сухого трения; Ky— коэффициент усиления усилителя 4;

i — ток якоря двигателя 5:

f23 — УскоРение вРащения вала двигателя.третьей степени подвижности.

Из (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой дз, являются существенно пес r 40 ременными, зависящими от g2,93,g1,g2 и mr

В результате для решения поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое стабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Полагается, что первый положительный вход сумматора 1 единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления Ксд/Ку.

Следовательно, на выходе сумматора 1 формируется сигнал

Первый и второй положительные входы сумматоров 13 и 14 имеют единичные коэффициенты усиления. На выходах первого 12 и второго 15 задатчиков сигнала соответственно формируются сигналы 13 = coflst, 13=const, В результате на выходе сумматора

13 формируется сигнал I +Яз, а на выходе сумматора 14 — сигнал 13 +дз+1з, т,к. датчик

9 измеряет координату дз.

Первый положительный вход сумматора 17 (со стороны блока 16) имеет коэффициент усиления r/Ip, а его второй положительный вход — коэффициент усилениЯ вЂ” rm3/ip. В РезУльтате на выхоДе сУмматора 17 формируется сигнал фпз(13 +93)+гпг (13*+g3+13))/Ip, на выходе блока 18 умножения — сигнал фпз(13 +Яз)+гпг(13 +Яз+13))92 /Ip, а на выходе блока 26 умножения — сигнал

r(tTl3(13*+93)+m/13 +93+13))со$ (92)91 /1р, т.е. датчики 27 и 21 установлены во второй степени подвижности робота и соответственно измеряют координаты 92 и g2, датчик

23 установлен в первой степени подвижности робота (см. фиг.2) и измеряет координату gl, а функциональный преобразователь

31 реализует функциональную зависимость с о $(я 2).

Первый функциональный преобразователь 28 реализует функциональную зависимость sing2. Первый (со стороны блока 29) и второй положительные входы восьмого сумматора 30 соответственно имеют коэффициенты усиления гд/1р и гпзгд/1р. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал rg(m3+mf)sin(g2)/1р, где g — ускорение свободного падения, Первый (со стороны блока 10) и пятый (со стороны сумматора 30) положительные, а также третий (со стороны блока 18) и четвертый (со стороны блока 26) отрицательные входы третьего сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления; а его второй (со стороны датчика скорости 6) положительный вход — коэффициент усиК Кгтт ления — + Кв. В результате на выходе

R третьего сумматора 11 формируется сигнал

K Кв

+Ke йз+ MTsign йз+ . + ГЯ(ГПЗ+Гпг) Sign(g2)/ip фпз(13 +

+g3)+mf(l3 +93+13))(92 +cos (92)Я1 )/fp

1798179

I4 и >Π— M, при йз <0

0 ®=0, Овых10

10

25 я — — йз +

+ С0$ (g2) g1 j/ р

50

Выходной сигнал релейного элемента

10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид где ) MT I- величина момента сухого трения при движении, Первый положительный вход сумматора 3 (co стороны блока 2) имеет коэффициент усиления г2/(ip i<), его второй

2 положительный вход {со стороны сумматора

11) — коэффициент усиления R/(К Ку), а третий положительный вход (со стороны сумматора 1) — коэффициент усиления (1+п)з /ip )/1м.

8 результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

R KM

+—

К„ К„ R K,) аз+М, з цпФ+

+ r ц(пъ + rn„) $in (®)/i — — Г (ПЪ (l3 + g3) + п г (3 + 93) ) lg2 +

Несложно показать, что поскольку

M>sign йз при движении привода достаточно точно соответствует М„р., то, подставив полученное значение 0 в соотношение (2), получим уравнение

Rip C3 + KM

Таким образом, за счет дополнительного введения второго 21 и третьего 23 датчиков скорости, первого 22 и второго 25 квадраторов, четвертого 24, пятого 25 и ше-. стого 29 блоков умножения второго датчика

27 положения, первого 28 и второго 31 функциональных преобразователей и восьмого сумматора 30, а также новых связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментами трения, Это позволяет получить стабильно высокое качество управ- ления в любых режимах работы рассматриваемого привода.

Реализация предлагаемого устройства не вызывает принципиальных затруднений, т,к. оно содержит только типовые элементы и блоки, Формула изобретения

Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней. приводящей в движение рейку. закрепленную неподвижно на третьем телескопическом звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на втором звене и имеющего возможность измерения положения третьего телескопического звена относительно оси вращения второго звена, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму отрицательному входу первого сумматора, последовательно соединенные первый за30 датчи к сигнала, четве рты и сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем выход первого датчика положения соединен с первым отрицательным входом седьмого сумматора, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, а выходом — к первому положительному входу первого сумматора,.выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, отл ич а ю щи йс я тем,что,c целью повышения точности и обеспечения устойчивости, в него дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, четвертый блок умножения, второй квадратор и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход— к четвертому отрицательному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, шестой блок умножения и восьмой сумматор, вто10

1798179

Составитель В.Филаретов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И.Шулла

Редактор Т.Горячева

Заказ 743 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 рой вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход — к пятому положительному входу третьего сумматора, причем выход датчика массы соединен с вторыми входами перво- 5

ro, второго и шестого блоков умножения, второй вход четвертого блока умножения через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, выход первого датчика положения соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора.