Устройство для управления приводом робота

 

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводом роботов. Цель изобретения - повышение точности за счет компенсации эффекта взаимовлияния между движущимися степенями подвижности. Устройство содержит два датчика ускорения, семь блоков умножения, девять сумматоров, два датчика скорости, релейный элемент, квадратор, два задатчика постоянного сигнала. Благодаря введению корректирующих сигналов 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.

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

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее первый сумматор, выход которого через апериодическое звено соединен с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом первого блока умножения, второй вход которого соединен с первым выходом вычислительного блока, а выход с последовательно соединенными первым усилителем, электродвигателем с редуктором и датчиком положения, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого соединен через диффренциатор с первым входом второго блока умножения, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, а второй вход с выходом первого блока деления, входы делимого и делителя соединены соответственно с вторым и третьим выходами вычислительного блока, вход датчика положения соединен через датчик скорости со скоростным входом вычислительного блока, иденцифицирующий вход которого соединен с выходом опорного напряжения, датчик ускорения и датчик тока, выходы которых соединены соответственно с входом ускорения и моментным входом вычислительного блока, причем вычислительный блок выполнен в виде третьего сумматора, выход которого через интегратор соединен с входом делимого второго блока деления, выход соединен с вторым выходом вычислительного блока и первым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен с входом интегратора, а выход с входом делимого третьего блока давления, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого соединен с идентифицирующим входом вычислительного блока, выход с третьим выходом вычислительного блока, а через второй усилитель с первым выходом вычислительного блока, вход делителя второго блока деления соединен со скоростным входом вычислительного блока, первым входом третьего сумматора, с входом делителя третьего блока деления, а через релейный элемент с вторым входом третьего сумматора, вход ускорения и моментный вход вычислительного блока соединены соответственно с вторым входом третьего блока умножения и третьим входом третьего сумматора [1] Недостатком этого устройства является малая точность при больших скоростях движения манипулятора, когда параметры привода нельзя считать квазистационными.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму входу первого сумматора, а выход к третьему входу второго сумматора, последовательно соединенные первый задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик постоянного сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора [2] Данное техническое решение по своей сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Недостатком данного устройства является то, что в нем не учитывается, полагаясь малой, электрическая постоянная времени якорной обмотки электродвигателя. Во многих электродвигателях указанное предположение не является справедливым. Поэтому устройство-прототип не позволяет обеспечить заданную динамическую точность управления.

Задачей, не решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение высокой динамической точности управления приводом третьей степени подвижности робота при наличии значительной индуктивности (электрической постоянной времени) якорной обмотки электродвигателя.

Технический результат, который при этом достигается, выражается во введении дополнительных сигналов на вход соответствующего электропривода робота, компенсирующих эффекты взаимовлияния между движущимися степенями подвижности.

Поставленная задача решается тем, что устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенный первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого сумматора, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму входу первого сумматора, а выход к третьему входу второго сумматора, последовательно соединенные первый задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик постоянного сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора и третий блок умножения, выход которого подключен к третьем входу третьего сумматора, отличается тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик скорости и квадратор, выход которого подключен к второму входу третьего блока умножения, а также датчик массы, выход которого соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, а выход датчика положения подключен к первому входу седьмого сумматора, соединенного вторым входом с входом электропривода, а выходом с первым входом первого сумматора, первый датчик ускорения, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход к четвертому входу третьего сумматора, а также последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала, девятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу квадратора, седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, а выход к третьему входу восьмого сумматора.

Сопоставительный анализ признаков заявляемого изобретения с признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Заявленная совокупность признаков, приведенная в отличительной части формулы изобретения, позволяет обеспечить полную инвариантность рассматриваемого привода к массе захваченного груза, эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения, что, в свою очередь, позволяет получить стабильно высокое качество динамического управления в любых режимах работы рассматриваемого привода.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - кинематическая схема исполнительного органа робота.

На фигурах введены следующие обозначения: α_вх сигнал желаемого положения; q₁, q₂, q₃ соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота; скорости изменения соответствующих обобщенных координат; ускорения соответствующих обобщенных координат; ε ошибка привода (величина рассогласования); m₂, m₃, m_г соответственно массы второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза; l^*₃ = const расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс при q₃ 0;
l_з= const расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата;
скорость вращения ротора двигателя;
U^*, U соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство для управления приводом робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, второй вход которого подключен к выходу первого сумматор 1, 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 горизонтальном звене робота, и движок датчика 9 положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и второму входу первого сумматора 1, а выход к третьему входу второго сумматора 3, последовательно соединенные первый задатчик 12 постоянного сигнала, четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом датчика 9 положения, пятый сумматор 14, к второму входу которого подключен второй задатчик 15 постоянного сигнала, второй блок 16 умножения, шестой сумматор 17, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 13, и третий блок 18 умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик 19 скорости и квадратор 20, выход которого подключен к второму входу третьего блока 18 умножения, а также датчик 21 массы, выход которого соединен с вторыми входами первого 2 и второго 16 блоков умножения, а выход датчика 9 положения подключен к первому входу седьмого сумматора 22, соединенного вторым входом с входом электропривода, а выходом с первым входом первого сумматора 1, первый датчик 23 ускорения, четвертый блок 24 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 17, пятый блок 25 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 19 скорости, и восьмой сумматор 26, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 27 ускорения, а выход к четвертому входу третьего сумматора 11, а также последовательно соединенные третий задатчик 28 постоянного сигнала, девятый сумматор 29, второй вход которого подключен к выходу датчика 21 массы, шестой блок 30 умножения, второй вход которого подключен к выходу квадратора 20, седьмой блок 31 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, а выход к третьему входу восьмого сумматора 26.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε с сумматора 22 после коррекции в блоках 1, 2, 3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U, моментов трения и внешнего моментного воздействия M_В. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимодействия 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.

Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой q₃. Конструкция робота (см. фиг. 2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов. Эта конструкция позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение груза (координата q₂), вращение в горизонтальной плоскости (координата q₁) и горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q₃).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₃, существенно зависит от изменения координат В связи с этим для качественного управления координатой q₃ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода (координата q₃).

Полагается, что горизонтальное звено перемещается с помощью электропривода посредством передачи шестерня рейка. Причем рейка установлена вдоль горизонтального звена, а шестерня 8 на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус r.

Несложно показать, что в процессе движения робота на его горизонтальное звено со стороны привода действует сила

Сила F в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 момент, равный
M_В F·r. (1)
С учетом соотношения (1), а также уравнения электрической

и механической
цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₃, можно описать следующим дифференциальным уравнением:

где R активное сопротивление якорной цепи двигателя;
I момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя;
K_м коэффициент крутящего момента;
K_ω коэффициент противоЭДС;
K_В коэффициент вязкого трения;
i_р передаточное отношение редуктора;
M_стр момент сухого трения;
K_у коэффициент усиления усилителя;
i ток якоря двигателя;
ускорение вращения вала двигателя третьей степени подвижности;
L индуктивной якорной цепи двигателя.

Из (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой q₃, являются существенно переменными, зависящими от . В результате для реализации 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 (со стороны датчика 6) имеет коэффициент усиления K_ω/K_у.

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 l^*₃= const и l₃ const. В результате на выходе сумматора 13 формируется сигнал l^*₃+q₃ а на выходе сумматора 14 сигнал l^*₃+l₃+q₃ т.к. датчик 9 измеряет положение точки горизонтального звена, отстоящей от центра масс этого звена на расстояние l^*₃.

Первый положительный вход сумматора 17 (со стороны блока 16) имеет коэффициент усиления r/i_p, а его второй положительный вход - коэффициент усиления rm₃/i_p. В результате на выходе сумматора 17 формируется сигнал
r[m₃(l^*₃+q₃)+m_г(l^*₃+q₃+l₃)]/i_p,
а на выходе блока 18 умножения сигнал

т. к. датчик 19 установлен в первой степени подвижности робота (см. фиг. 2) и измеряет координату .

Датчики ускорения 23 и 27 установлены соответственно в первой и третьей степенях подвижности роботов. В результате на выходе блока 25 формируется сигнал

На выходе задатчика 28 постоянного сигнала формируется сигнал m₃. Первый и второй положительные входы сумматора 29 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 3 с учетом того, что формируется сигнал

Первый отрицательный (со стороны блока 25) вход сумматора 26 имеет коэффициент усиления 2L/K_mK_y, его третий отрицательный вход (со стороны блока 31) коэффициент усиления Lr/i²_pK_мK_у, а второй положительный вход - коэффициент усиления LK_Bi_p/K_mK_y. В результате с учетом того, что , на четвертый положительный вход сумматора 11, имеющий единичный коэффициент усиления, поступает сигнал

Первый положительный (со стороны блока 10) и третий отрицательный (со стороны блока 18) входы третьего сумматора 11 имеют коэффициенты усиления R/K_mK_y, а второй положительный вход (со стороны датчика 6) - коэффициент усиления
Входной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

где М_т величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления r²/(i²_pI_н) его третий положительный вход (со стороны сумматора 11) единичный коэффициент усиления, а второй положительный вход - коэффициент усиления (I+m₃r²/i²_p)/I_н.
В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Несложно показать, что поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_стр., то подставив полученное значение U^* в соотношение (2), получим уравнение

которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть предложенное устройство, управляющее координатной g₃, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями, которые определяются выбором желаемых значений I_н и K_y.

Формула изобретения

Устройство для управления приводом робота, содержащее 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 горизонтальном звене робота, и движок датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и первому входу первого сумматора, а выход к второму входу второго сумматора, последовательно соединенные первый задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика положения, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, выход к первому входу четвертого блока умножения, а также третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, датчик массы, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения, седьмой сумматор, первый вход которого является входом устройства, а выход соединен с вторым входом первого сумматора, третий задатчик постоянного сигнала, выход которого соединен с первым входом восьмого сумматора, пятый блок умножения и квадратор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены первый и второй датчики ускорения, шестой и седьмой блоки умножения, девятый сумматор и второй датчик скорости, выход которого через квадратор подключен к первому входу третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, и к первому входу шестого блока умножения, выход датчика массы соединен с вторым входом первого блока умножения и с вторым входом восьмого сумматора, выход датчика положения подключен к второму входу седьмого сумматора, первый и второй входы пятого блока умножения подключены соответственно к выходу второго датчика скорости и к выходу четвертого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, первый вход девятого сумматора подключен к выходу второго датчика ускорения, второй и третий входы к выходам соответственно пятого и седьмого блока умножения, а выход к четвертому входу третьего сумматора, второй вход шестого блока умножения соединен с выходом восьмого сумматора, а его выход подключен к первому входу седьмого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, второй вход второго сумматора подключен к выходу первого сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2