Устройство для управления приводом манипулятора

 

Использование: в робототехнике. Сущность изобретения: в устройство дополнительно введены шесть коммутаторов, семь компараторов, шесть элементов И, пять сумматоров, четыре пороговых элемента, элемент ИЛИ и нуль-орган. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК, Я2,, 1821356 А1 (я)з В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (21) 4906595/08 (22) 30.11,90 (46) 15.06.93, Бюл. М 22 (71) Институт проблем механики АН СССР (72) В.В.Аветисян, Л.Д.Акуленко, Н.H.ÁOлотник и М.Ю.Рачков (56) Авторское свидетельство СССР

М l409975, кл. G 05 0 3/00, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ МАНИПУЛЯТОРА (57) Использование: в робототехнике, Сущность изобретения: в устройство дополнительно введены шесть коммутаторов, семь компараторов, шесть элементов И, пять сумматоров, четыре пороговых элемента, элемент ИЛИ и нуль-орган. 1 ил.

Изобретение относится к системам управления приводом промышленного робота и может быть использовано при создании гибких автоматизированных производств с применением электромеханических манипуляторов.

Целью изобретения является обеспечение воэможности оптимального по быстродействию позиционирования манипулятора с учетом максимально допустимого тока в блоке исполнительных органов.

На чертеже изображена схема предложенного устройства, Устройство содержит блок 1 исполнительных органов, связанных с манипулятором 2, на котором установлены датчик З,угла и датчик 4 угловой скорости, а также нульорган 7, девять коммутаторов 5, 6, 8-14, десять сумматоров 15-20, 48-51, четыре блока умножения 21-24, два блока инвертирования (перемены знака) 25, 26, восемь компараторов 27-34, блок формирования абсолютного значения переменной 35, блок возведения в квадрат 36 и задатчик 37, а также шесть элементов И 38-43, четыре пороговых элемента 44-47 и элемент ИЛИ 52, при этом выход датчика 3 угла связан с первым входом сумматором 15 через блок

25 инвертирования, выход коммутатора 5 соединен со зходом блока 1 исполнительных органов, выход коммутатора 6 связан со входом блока 49 суммирования, а выход блока 21 умножения соединен со вторым

6 входом сумматора 15, выход сумматора 15 соединен с входами элементов 45, 44. Выход элемента 45 соединен через блок формирования абсолютного значения переменной 35 с первым входом блока 52, выход которого связан с управляющим входом коммутатора

8, выход которого соединен с блоком 1 исполнительных органов через элемент 50 и

51, Выход элемента 7 связан через первый вход элемента 38 И с управляющим входом элемента 5 и через первый вход элемента 43

И вЂ” с управляющим входом элемента 13, выход датчика 4 угловой скорости соединен с первым входом блока 23 умножения и через элемент 46 с управляющим входом коммутатора 9, выход которого связан с первым входом блока умножения 21. второй вход которого соединен с выходом блока возведения в квадрат 36, выход блока умножения

23 связан с первыми входами сумматоров

20, 19 и с первыми входами восьми компараторов 27-34, выходы компараторов 27, 28 связаны с управляющим входом коммутато(ГОСПАТЕНТ СССР)

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1821356 (((ö -,(((, .((((2. р, оР(р ) при tP = 0 h ф > 0 и()(jn) приф =ОЛф< 0 (3) ра 10 через элемент 39 И, выходы компараторов 29 и 30, 31 и 32, 33 и 34 связаны соответственно с управляющими входами коммутаторов 6, 11 и 12 через элементы 40, 41 и 42 И, выход коммутатора 10 через элемент 49 соединен с информационным входом коммутатора 5, с выходом элемента 6 и через первый вход сумматора 17- с первым входом блока умножения 24, выход элемента 11 через блок 48 соединен с выходом элемента 12, с информационным входом элемента 13 и со вторыми входами сумматоров 17, 18, выход инвертора 26 связан через первый вход сумматора 18 со вторым входом блока умножения 22, выход блока умножения 24 соединен со вторым входом сумматора 16, выход датчика 4 угловой ско- рости соединен через элемент 47 с управляющим входом элемента.14, два выхода которого связаны соответственно со вторыми входами элементов 38 и 43 И, выход элемента 13 соединен через блок 50 и 51 со входом блока 1 исполнительных органов, причем первый выход задатчика 37 соединен с третьим входом блока 21 умножения, второй выход — с информационным входом элемента 14 и с первым информационным входом элемента 9, третий выход — с третьим входом сумматора 15, четвертый выходсо вторым входом элемента 9, пятый выход — со вторыми входами компараторов 27 и 29, шестой выход — с информационным входом элемента 10, седьмой выход — через второй вход сумматора 19 с информационным входом элемента 6, восьмой выход — через BTDрой вход сумматора 20 с информационным входом элемента 11, девятый выход — с информационным входом.элемента 12, десятый выход — соответственно с третьим и вторым входами блоков 22 и 24 умножения, одиннадцатый выход — со вторыми входами компараторов 31 и 34, двенадцатый выход— со вторыми входами компараторов 30; 33, тринадцатый выход — со вторыми входами компараторов 28 и 32 и четИрнадцатый выход — со вторым входом блока 23 умножения, Все использованные конструктивные блоки являются стандартными, а вычислительные блоки строятся согласно схемам типовых операторов.

Устройство работает следующим образом.

Блок исполнительных органов состоит из электродвигателя постоянного тока с не5 зависимым возбуждением и редуктора. Управление осуществляется изменением напряжения, подаваемого на обмотку якоря электродвигателя. Движение рассматриваемой системы описывается дифференциаль"0 ными уравнениями (!+.Зп )p =п,и, (1) 1 — +Rl+dnф=u, è=cl, (2)

d l

dt

15 где i — ток в цепи якоря;

u — управляющее напряжение;

l — момент инерции звена манипулятора относительно оси вращения;

J — момент инерции якоря электродви20 гателя и вращающихся частей редуктора;

p — момент электромагнитных сил, приложенных к якорю;

n — передаточное число редуктора; и R.— индуктивность и омическое сопро25 тивленйе обмотки якоря соответственно;

d и с — постоянные, являющиеся техническими параметрами электродвигателя; ф- угол поворота звена манипулятора.

Для большинства электродвигателей, 30 используемых в промышленных роботах, например, типа "Универсал", время установления тока в цепи якоря много меньше времени выхода на стационарный режим вращения якоря и много меньше времени

35 транспортной операции, выполняемой манипулятором, В терминах параметров системы это означает, что при расчетах в . уравнении (2) можно пренебречь индуктивностью обмотки якоря и положить 1 = О.

Применяя для данной системы известные методы теории оптимального управления, получим следующее решение (закон изменения напряжения на входе электродвигателя) для оптимального по быстродей45 ствию перевода обьекта манипулирования . из произвольного начального положения в заданное конечное положение р с тор1 можением двигателя в конце процесса при ограничении на максимально допустимые

50 напряжение и ток

1821356

0тах ПРИ (0тах+ Rlmax) dA ф7< (0аiэх - Rlmax)

Опу" Rlmax ПРи (0тах Rlmax) Оп P< Umax + Rlmax (4) 0П Дн Rlmax при -(Umax+ Rlmax) оп у Umsx - Rlmax

Umax ПРИ Umax -Rlmax ОП О 0тах+ Rlmax

0Р(тР) =.

Q(p. rp)= g -p — > Ä slgn р, (е) Устройство для управления приводом манипулятора, содержащее блок исполнительных органов, связанный с манипулятором, на котором установлены датчик угла и датчик угловой скорости, а также три коммутатора, пять сумматоров, четыре блока умножения, два блока инвертирования, компаратор, блок выделения модуля, квадратор и задатчик, при этом выход датчика угла связан с первым входом первого сумматора через первый инвертор, выход первого коммутатора соединен с входом блока исполнительных органов, выход второго коммутатора подключен к входу втооого инвертора, а выход первого блока умножения соединен С вторым входом первого сумматора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, чт, с цепью повышения быстродействия устройства за счет обеспечения воэможности оптимального по быстродействию поэицион",ðoîàГДЕ 0®ax — МаКСИМаЛЬНОЕ ЗНаЧЕНИЕ УПРаВЛЯющего напряжения;

lmax — максимально допустимый ток в цепи якоря электродвигателя.

Для реализации управления вида (3) 5 формируется значение величины ф на выходе блока 15 после преобразования сигналов с датчиков 3 и 4 на блоках 9, 25, 36, 37 и

46 в соответствии с выражением (6). При положительном, отрицательном или нуле- 10 вом значении величины ф появляются сиг налы 1, -1, 1 соответственно на элементах

44, 45 и 7, а сигналы с блока 37 с помощью блоков 5, 8, 13, 14, 35, 38, 43 позволяют скоммутировать со входом блока 1 исполни- 15 . тельных органов управляющий сигнал согласно выражению (3). Сигналы с элементов

44 и 45 позволяют организовать смену знака сигнала на блоке 22. Развязка указанных сигналов производится непосредственно 20 на блоке 22. В случае необходимости для этой цели может быть использован также. дополнительный сумматор — повторитель, работающий по схеме, аналогичной соединениям сумматоров 48-51, которые обеспе- 25 чивают реализацию развязки аналоговых сигналов ;

Управление (4) формируется с помощью блоков 11, 12, 18, 31-34, 37, 41, 42, 47, 48.

Управление (5) вырабатывается блока- 36 ми 6, 10, 19, 27-30, 37, 39, 40, 47, 49. Первое выражение в уравнении (3) реализуется на блоках 17, 18, 22, 24, 16, 37. Элементы 46 и

47 коммутируют соответственно элементы

9 и 14 в зависимости от знака ф и, в 35 принципе могут быть обьединены в один блок, С выходов задатчика 37 соответственно снимаются значения постоянных величин; 1; р1; - 1; !

+ДJ, . 1

4О

Сп max

Umax - Rlmaxi Umaxi Rlmax, -Rlmax, -Umax, 1/2; (0щах Rlmax); (0вах + Rlmax): Umax + Rlmax, дп.

В каждый момент времени на выходе блока 51 формируется одно из трех значений управления согласно уравнению (3).

При этом на первый вход блока 51 приходит сигнал U )(р) при нулевом сигнале на втором входе или один из сигналов О" (р ) или сигнал, соответствующий первому выражению уравнения (3), на второй вход при нулевом сигнале на первом входе. Это обеспечивается схемой коммутации, при котщой на входе блока 50 сигнал управления

U (у )и сигнал по первому выражению уравнения (3) появляются раздельно во времени.

Таким образом, поскольку в реализованном законе управления учитывается ограничение на величину тока, система обеспечивает возможность оптимального по быстродействию позиционирования манипулятора с учетОм максимально допустимого тока в блоке исполнительных органов.

Формула изобретения

1821356 ния манипулятора с учето л максимального допустимого тока в блоке испЬлнительных органов, в него введены дополнительно шесть коммутаторов, семь компэрэторов. шесть элементов И, пять сумматоров, четыре пороговых элемента, элемент ИЛИ и нуль-орган, причем выход первого сумматора соединен с входом первого и второго порогового элемента и нуль-органа, выхОд

10 первого порогового элемента соединен с входам блока выделения модуля и с первым входом второго блока у лнажения, выход ка торого связан через первый вход второго сумматора с первым входом четвертого коммутатора, выход блока выделения модуля соединен через первый вход элемента ИЛИ с вторым входам четвертого коммутатора, выход нуль-органа связан через первый вход первого элемента И с первым входом

20 первого коммутатора и через первыи вход шестого элемента И с первым входом девятого коммутатора, выход датчика угловой скорости соединен с первым входом третьего блока умножения и через третий пороговый элемент с первым входом пятого коммутатора, выход которого связан с первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом квадратара, выход третьего блока умнаже пятого сумматоров и с первыми входами восьми компаратарав, выходы первого и второго компаратора связаны с первым входом шестого коммутатора через второй злемент И, выходы третьего и четвертого, пятого и шестого, седьмого и восьмого кампараторов связаны соответственно с первы35 ми входами второго, седьмого и восьмога ком мутаторов через третий, четвертый и пятый элементы И, выход шестого каммутата40 ра саед1гнен через первый вход девятого сумматора с первь|м входом первого коммутатора,"с выходом второго коммутатора через второй вход девятога сумматора, выход которого через первый вход третьего сумматора связан с первы л входом четвертого блока умножения, выход седьмого коммутатора соединен с первым входом десятого,ф5 сумматора второй вход которого соединен с

50 ния.связан с первыми входами четвертого и 30 выходам Восьмого коммутатора, а выход — с вторым входом девятого коммутатора и с вторыми входами третьего и четвертого сумматоров, выход второго инвертора связан через первый вход четвертого сумматора с вторым входом второго блока умножения, выход четвертого блока умножения соединен с вторым входом чтораго сумматора, выход датчика угловой скорости соединен через четвертый пороговый элемент с первым входом десятого коммутатора, два выхода которого связаны соответственно с вторыми входами первого и шестого элементов И, причем первый выход задатчика соединен с третьим входом первого блока умножения, второй выход- с вторым входам десятого коммутатора и с вторым входом пятого коммутатора. третий выход — с третьим входом первого сумматора, четвертый выход — с третьим входом пятого коммутатора, пятый выход — с вторыми входами первого и третьего кампаратаров, шестой выход — с вторым входом шестога коммутатора, седьмой выход — через второй вход пятого сумматора с вторым входом второго коммутатора, восьмой выход — через второй вход четвертого сумматора с вторым входом седьмого коммутатора, девятый выход — с вторым входом вась лого коммутатора, десятый выход — соответственно с третьим и вторьпл входами второго и четвертого блоков умножения, одиннадцатый выход — с вторыми входами пятого и восьмого компаратаров, двейадцатый выход — с вторыми входами четвертого и седьмого кампараторав, тринадцатый выход — с вторыми входами второго и шестага кампаратарав, а четырнадцатый выход — с вторым входом третьего блока умножения, выход четвертого коммутатора связан с первым входам седьмого сумматора, выход которого через первый вход восьмого сумматора соединен с входом блока исполнительных органов, выходы первого и девятого коммутаторов связаны соответственно с вторыми входами седьмого и восьмого сумматоров, а выход второго порогового элемента соединен с вторым входом элемента ИЛИ и с четвертым входом второго блока умножения.

1821356

Составитель Л. Акуленко

Техред М.Моргевтал Корректор М, Самборская

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2085 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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