Устройство для управления приводом робота

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов. Технический результат - обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении робота по всем его степеням подвижности с учетом электрической постоянной времени электродвигателя. В изобретении дополнительно введены последовательно соединенные шестой задатчик сигнала и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - к вторым входам девятого, двадцатого и двадцать второго блоков умножения. Введение новых элементов и связей между ними позволило сформировать дополнительный сигнал управления, подаваемый на вход электропривода, который обеспечивает получение необходимого моментного воздействия, при наличии электрической постоянной времени электродвигателя. 2 ил.

 

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

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, а выход - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый косинусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого через второй синусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход - к второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход - с третьим входом пятого сумматора, третий вход шестого сумматора соединен с выходом датчика массы, пятый вход четвертого сумматора через седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, подключен к выходу второго датчика скорости, последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий синусный функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора, а также последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый синусный функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные десятый сумматор, первый вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения, а второй - к выходу девятого блока умножения, и десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго датчика ускорения, а выход - с восьмым входом четвертого сумматора (см. патент РФ №2235014, БИ №24, 2004 г.).

Его недостатком является то, что в нем не учитывается, считаясь малой, электрическая постоянная времени электродвигателя.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом ко входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен ко входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения (см. патент РФ №2258601, БИ №23, 2005 г.).

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому решению.

Недостатком прототипа является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку в нем дан робот с другой кинематической схемой.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении робота по всем его степеням подвижности с учетом электрической постоянной времени электродвигателя.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение необходимого моментного воздействия, при наличии электрической постоянной времени электродвигателя.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом ко входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен ко входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения, дополнительно вводятся последовательно соединенные шестой задатчик сигнала и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - к вторым входам девятого, двадцатого и двадцать второго блоков умножения.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую точность и устойчивость работы привода робота в условиях существенного изменения его параметров нагрузки.

На фиг.1 дана блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота, а на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота.

Устройство для управления приводом робота содержит последовательно соединенные первый 1 и второй 2 сумматоры, первый блок 3 умножения, третий сумматор 4, усилитель 5 и двигатель 6, связанный с первым датчиком 7 скорости непосредственно и через редуктор 8 - с первым датчиком 9 положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора 1, подключенного вторым входом ко входу устройства, последовательно соединенные релейный блок 10 и четвертый сумматор 11, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика 7 скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала 12 и пятый сумматор 13, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика 14 массы, а выход - к второму входу первого блока 3 умножения, последовательно соединенные второй датчик 15 скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок 16 умножения и третий блок 17 умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 7 скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора 11, а также второй датчик 18 положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора 2 соединен с выходом первого датчика 7 скорости, а выход четвертого сумматора 11 подключен ко второму положительному входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные второй задатчик сигнала 19, шестой сумматор 20, четвертый блок 21 умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь 22 соединен с выходом второго датчика 18 положения, седьмой сумматор 23, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика 24 сигнала, и пятый блок 25 умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 26 ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора 11, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь 27, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя 22, и шестой блок 28 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 20, а выход - ко второму входу второго блока 16 умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора 11 подключен к выходу седьмого блока 29 умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика 15 скорости, а второй вход - с выходом второго блока 16 умножения, третий положительный вход пятого сумматора 13 соединен с выходом четвертого блока 21 умножения, третий положительный вход седьмого сумматора 23 подключен к выходу датчика 14 массы и второму положительному входу шестого сумматора 20, последовательно соединенные восьмой сумматор 30, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика 18 положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика 9 положения, третий синусный функциональный преобразователь 31, восьмой блок 32 умножения, девятый сумматор 33 и девятый блок 34 умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора 11, а также второй датчик 35 ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик 36 сигнала, десятый сумматор 37, десятый блок 38 умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь 39 подключен к выходу первого датчика 9 положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора 33, последовательно соединенные пятый задатчик 40 сигнала и одиннадцатый сумматор 41, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика 14 массы и ко второму положительному входу десятого сумматора 37, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока 32 умножения, последовательно соединенные третий датчик 42 ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя 6, и одиннадцатый блок 43 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 16 умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора 44, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика 42 ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные первый дифференциатор 45 и двенадцатый блок 46 умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора 23, а также тринадцатый блок 47 умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока 28 умножения, второй вход - к выходу первого датчика 26 ускорения и входу первого дифференциатора 45, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора 48, выход которого подключен ко входу четырнадцатого блока 49 умножения, последовательно соединенные квадратор 50, пятнадцатый блок 51 умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока 21 умножения, и шестнадцатый блок 52 умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор 53, семнадцатый блок 54 умножения и восемнадцатый блок 55 умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора 41, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь 56, вход которого соединен с выходом первого датчика 9 положения, девятнадцатый блок 57 умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора 37, двадцатый блок 58 умножения и двадцать первый блок 59 умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 7 скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора 53 и вторым входом четырнадцатого блока 49 умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь 60, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора 30, и двадцать второй блок 61 умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока 54 умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор 62, подключенный входом к выходу второго датчика 35 ускорения, и двадцать третий блок 63 умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока 32 умножения, а также двадцать четвертый блок 64 умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока 38 умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора 62, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора 44, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока 63 умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока 55 умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока 59 умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока 49 умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока 52 умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока 46 умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока 65 умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока 47 умножения, а второй вход - с выходом второго датчика 15 скорости, входом квадратора 50, вторым входом шестнадцатого блока 52 умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора 53, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора 48 подключен к выходу пятнадцатого блока 51 умножения, последовательно соединенные шестой задатчик 66 сигнала и пятнадцатый сумматор 67, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика 35 ускорения, а выход - к вторым входам девятого 34, двадцатого 58 и двадцать второго 61 блоков умножения, объект управления 68.

На чертежах введены следующие обозначения: q_вх - сигнал желаемого положения; q₁, q₂, q₃, q₄ - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота; - скорости изменения соответствующих обобщенных координат; - ускорения изменения соответствующих обобщенных координат; ε - ошибка привода (величина рассогласования); m₁, m₂, m₃, m₄ - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза; - расстояния от осей вращения горизонтальных звеньев до их центров масс; l₂, l₃ - длины соответствующих горизонтальных звеньев; - соответственно скорость и ускорение вращения ротора двигателя; U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 6.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε с сумматора 1 после коррекции в блоках 2, 3, 4, усиливаясь, поступает на электродвигатель 6, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U, моментов трения и внешнего моментного воздействия М_в. 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 изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой q₂.

Конструкция рассматриваемого робота (см. фиг.2) позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение вращающихся звеньев и груза (координата q₁), два вращательных движения в вертикальной плоскости (координаты q₂ и q₃) и горизонтальное линейное перемещение (координата q₄) в направлении, перпендикулярном плоскости, в которой вращаются второе и третье звенья робота.

Моментные характеристики привода, управляющего координатой q₂, существенно зависят от изменения координат q₂, q₃, , , , и груза m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₂ необходимо компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат, а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода (координата q₂).

На основе уравнений Лагранжа 2 рода можно записать, что моментное воздействие на выходной вал привода, управляющего координатой q₂ с грузом, имеет вид

где

g - ускорение свободного падения.

С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений механической и электрической цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₂, можно описать следующим дифференциальным уравнением:

где

где L - индуктивность якорной цепи двигателя; R - активное сопротивление якорной цепи двигателя; J - 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_p - передаточное отношение редуктора; М_стр - момент сухого трения; k_у - коэффициент усиления усилителя 5; i - ток якоря.

Из уравнения (3) видно, что его параметры, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой q₂, являются существенно переменными, зависящими от величин q₂, q₃, m_г. В результате в процессе работы привода меняются (притом существенно) его динамические свойства. Для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными параметрами.

Полагается, что первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления k_ω/k_у. Следовательно, на выходе сумматора 2 формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 20 имеет единичный коэффициент усиления, а задатчик 19 сигнала подает на него сигнал Второй положительный вход этого сумматора имеет коэффициент усиления l₂l₃. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

Датчик 18 положения измеряет обобщенную координату q₃, a функциональный преобразователь 22 реализует функцию cosq₃. В результате на выходе блока 21 умножения формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 13 имеет единичный коэффициент усиления, а задатчик 12 сигнала подает на этот вход сигнал где J_н - номинальное значение приведенного момента инерции. На его второй положительный вход с коэффициентом усиления датчик 14 массы подает сигнал m_г. Третий положительный вход этого сумматора имеет коэффициент усиления В результате на его выходе формируется сигнал

а на выходе блока 3 умножения - сигнал

Функциональный преобразователь 27 реализует зависимость sin q₃. В результате на выходе блока 28 умножения формируется сигнал

Датчик 15 скорости измеряет скорость изменения обобщенной координаты q₃. В результате на третий отрицательный вход сумматора 11 (со стороны блока 17 умножения) с коэффициентом усиления поступает сигнал а на пятый отрицательный вход этого сумматора (со стороны блока 29 умножения) с коэффициентом усиления 1/i_p - сигнал

Первый и второй положительные входы сумматора 23 (соответственно со стороны блока 21 умножения и задатчика 24 сигнала) имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий положительный вход - коэффициент усиления Задатчик 24 сигнала формирует сигнал а датчик 26 ускорения измеряет ускорение обобщенной координаты q₃. В результате на выходе блока 25 умножения формируется сигнал который поступает на четвертый положительный вход сумматора 11, имеющий коэффициент усиления 1/i_p. Первый и второй положительные входы сумматора 11 (соответственно со стороны релейного элемента 10 и датчика 7 скорости), соответственно, имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный k_мk_ω/R+k_в.

Первый положительный вход сумматора 37 имеет единичный коэффициент усиления, и задатчик сигнала 36 подает на него сигнал а его второй положительный вход - коэффициент усиления l₂/i_p. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал Функциональный преобразователь 39 реализует функцию sin q₂. В результате на выходе блока 38 умножения формируется сигнал Задатчик сигнала 40 подает на первый положительный вход сумматора 41 с единичным коэффициентом усиления сигнал а его второй положительный вход имеет коэффициент усиления, равный l₃/i_p. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал Сумматор 30 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. В результате на его выходе формируется сигнал q₂+q₃. Функциональный преобразователь 31 реализует функцию sin(q₂+q₃). В результате на выходе блока 32 умножения формируется сигнал

Положительные входы сумматора 67 имеют единичные коэффициенты усиления. Поэтому на его выходе формируется сигнал Сумматор 33 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления, поэтому на шестой положительный вход сумматора 11 с единичным коэффициентом усиления поступает сигнал

Выходной сигнал релейного элемента 10 имеет вид

где - величина момента сухого трения при движении. В результате на выходе сумматора 11 формируется сигнал

Отрицательные входы сумматора 48 имеют коэффициенты усиления В результате на седьмой положительный вход сумматора 44, имеющий единичный коэффициент усиления, поступает (со стороны блока 49 умножения) сигнал

Поскольку для исполнительного органа рассматриваемого робота выполняется условие а датчик 42 измеряет то на первый отрицательный вход сумматора 44, имеющий коэффициент усиления со стороны блока 43 умножения поступает сигнал Второй положительный вход этого сумматора (со стороны датчика 42) имеет коэффициент усиления k_в. На девятый положительный вход этого сумматора (со стороны блока 46 умножения) поступает сигнал на его десятый отрицательный вход, имеющий коэффициент усиления 3/i_p, (со стороны блока 65 умножения), - сигнал на восьмой отрицательный вход (со стороны блока 52 умножения) - сигнал на шестой положительный (со стороны блока 59 умножения) - сигнал на третий положительный (со стороны блока 64 умножения) - сигнал а на четвертый положительный (со стороны блока 63 умножения) - сигнал

Первый (со стороны датчика 7) положительный вход сумматора 53 имеет коэффициент усиления 1/i_p, а его второй положительный вход - единичный коэффициент усиления. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал а на пятый положительный вход сумматора 44 (со стороны блока 55 умножения) подается сигнал Причем третий, четвертый, пятый и шестой входы сумматора 44 имеют единичные коэффициенты усиления, а восьмой и девятый - коэффициенты усиления 1/i_p. В результате на выходе сумматора 44 формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока 3 умножения) имеет единичный коэффициент усиления, его второй положительный вход (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления R/(k_мk_у), а третий положительный вход - коэффициент усиления L/(k_мk_у). В результате на выходе сумматора 4 формируется сигнал U^*, равный

Поскольку при движении рассматриваемого привода достаточно точно соответствует М_стр, то сигнал U^* (4), как несложно убедиться, обеспечивает превращение уравнения (3) с существенными переменными параметрами в уравнение с постоянными номинальными желаемыми параметрами, обеспечивающими рассматриваемому приводу заданные динамические свойства и качественные показатели.

Таким образом, за счет введения дополнительных элементов и связей удалось обеспечить инвариантность рассматриваемого привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности исполнительного органа робота и моментам трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы этого привода. Практическая реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений, так как в нем использованы только типовые электронные элементы.

Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым положительным входом первого сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый положительный вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а его второй положительный вход - к выходу первого датчика положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения, девятый сумматор и девятый блок умножения, выход которого подключен к шестому положительному входу четвертого сумматора, а также второй датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, и последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму положительному входу десятого сумматора, а его выход - ко второму положительному входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом двигателя, и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, а выход - с первым отрицательным входом двенадцатого сумматора, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, а также тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а выход - к первому отрицательному входу тринадцатого сумматора, выход которого подключен к входу четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, двадцатый блок умножения и двадцать первый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный вводом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, выход которого соединен со вторым входом семнадцатого блока умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения, и двадцать третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом восьмого блока умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, первый вход которого соединен с выходом десятого блока умножения, а его второй вход - с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, четвертый положительный вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, пятый положительный вход - к выходу восемнадцатого блока умножения, шестой положительный вход - к выходу двадцать первого блока умножения, седьмой положительный вход - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный вход - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения, отличающееся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные шестой задатчик сигнала и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко вторым входам девятого, двадцатого и двадцать второго блоков умножения.