Способ управления манипулятором промышленного робота

,) 11/00,(5)5 ЗОБ ТЕНИ ский и мов, А титутЧер СССР87.МАНИРОБОТАуляторахть изонипуля УЛ ро" теГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯТОРОМ ПРОМЫШЛЕННОГО(57) Использование: в манипмышленных роботов. Сущносния: е способе управления ма Изобретение относится к машиностроению и может найти применение в манипуляторах промышленных роботов, в частности для механизации вспомогательных операций процессов сборки, окраски и т.п,Цель изобретения состоит е повышении точности отработки закона движения схвата и повышение надежности за счет возможности формирования расчетных силовых и скоростных характеристик отдельных приводов с учетом их кинематики, а также с учетом массово-геометрических характеристик всех подвижных звеньев при отработке требуемого закона движения схвата.Поставленная цель достигается тем, что в манипуляторе предусматривается возможность получения для каждого из приводных двигателей четырех величин в виде напряжения, два из которых изменяются прямопропорционально расчетной (номинальной) мощности Рр и расчетной (номинальной) частоте вращения двигателя вр, а вторые два напряжения измеряются прямопромышленного робота определ ные (номинальные) законы измен щенных скоростей всех и двигателей, а также мощности эт ных двигателей, получают дейс (измеренные) обобщенные ско приводных двигателей, а такж тельные (измеренные) мощности водных двигателей. сравнивают мощности с действительными (и ми) и по сигналу рассогласова ними формируют сигнал управл водными двигателями. 15 ил. яют расчет- ения обобриводных их приводтвительные рости всех е действиэтих прирасчетные змеренныния между ения припропорционально деиствительной (измеренной) мощности приводного двигателя Рмех и действительной(измеренной) частоте вращения данного двигателя й)мех эти четыре сигнала попарно сравниваются и сигналом их рассогласования производится выравнивание действительных (измеренных) мощности и частоты вращения двигателя относительно расчетных (номинальных) ф их значений. ООНа фиг. 1 изображена схема манипуля- а тора с тремя степенями подвижности; на (Л фиг. 2 - схема сил и моментов, действующих на звено 3 манипулятора с деталью 6 (перемещаемым грузом), расположенной в схвате 4; на фиг. 3 и 4 - схемы сил и моментов, действующих на звено 2 и звено 1 соответственно; на фиг. 5 - схема, поясняющая выбранный закон изменения скорости схвата а 4 манипулятора; на фиг. 6, 7 и 8 - законы изменения обобщенных скоростей, в соответствии с выбранным законом движения схвата 4 манипулятора вдоль заданной тра1815209 Саставитель И.ФилоноРедактор Г.Бельская Техред М.Моргентал рректор С,Лисина Заказ 1615 ВНИИПИ Го ет ГКНГ СССР Производстве цо иадаеяьсии комбина "Патент", г, ужгород, ул.Гагарина, 10 Тираж судаггс гвонногп комит 113035, Г,тоскеПодписноеа по изобретениям и открытиям приЖ, Раушская нэб 4,/51815209 ли 6, например, центры масс детали, установленной в схвате 4 неподвижно.Движение точки О вдоль выбранной траектории задается координатами Хо, Уо, 2 о, а 5 также радиусом-вектором го и его углами поворота прецессии Ч и нутации Йо.В основу функциональной взаимосвязиобобщенных координат с координатами точки 0 траектории схвата 4 положено пред ставление вектора го=Хо+Уо)+2 оГв неподвижной системе координат с помощью углов (см, фиг, 1).Как известно, перемещение объекта впространстве может быть реализовано тремя обобщенными координатами. В качестве 2обобщенных координат выбирают угловыеили линейные перемещения звеньев. В лю-.бом сочетании вращательных и поступательных кинематических пар может бытьреализовано перемещение тела в пространстве. Оно может быть реализовано и приналичии только 3-х поступательных или 3-хвращательных. Таким. образом, если рассмотреть манипулятор со степенями подвижности 3, например 5, то выбирают 3 3основные (любые, как указано выше), остальные (в данном случае 2) "замораживают" или используют для ориентации тела впространстве или других целей,Неподвижная система координатХоУо 2 о с началом в точке О, совпадающей сцентром вращения кинематической пары,образованной звеном 1 со станиной 5, подвижная система координат Х 1 У 121 связанасо звеном 1 таким образом, что начало ее(точка 01) совпадает с точкой О, а ось 21направлена вдоль звена 1, система координат Х 2 У 222 выбрана таким образом, что ееначало (точка 02) совпадает с центром вращения кинематической пары В, образованной звеном 2 со звеном 1, а ось 22направлена вдоль направляющих звена 2, вкоторых движется звено 3 поступательно,так что оси 22 и 2 з совпадают, а начало(точкаОз) системы координат ХзУз 2 з движется 5вдоль оси 22, таким обраэрм, манипулятор(фиг. 1) имеет возможность реализоватьдвижение схвата 4 в пространстве с помощью трех обобщенных координат а 1 о -угла поворота звена 1 относительно станины 5, аз 1=а 21 - угла поворота звена 2относительно звена 1 и Зз 2 - перемещениезвена 3 в направляющих звена 2. На фиг, 1изображена также траектория точки О детаЯЗ 2 =0 21+во -о- агссоэ1 во. точки О Чо=Хрии соответс40 лов Чо и Оь 45 могут быть полм уравнений (2) пований получают Хр 1 -1 И хр астр,е..-ее.,.е".1 ектории; на фиг. 9, 10 и 11- законы изменения управляющей силы й" Р 2 з и управляющих моментов каналах приводных двигателей (звена 2 манипулятора Ми"12, звена 1 МУпРо 1, обес. печивающих относительные движения соответствующих подвижных звеньев в соответствии с выбранной траекторией схвата 4 и закона изменения его скорости; на фиг, 12, 13 и 14 - расчетные (номинальные) законы изменения мощностей трех приводных двигателей с учетом постоянных потерь (кривые 2); на фиг. 15 - блок-схема системы управления по мощности.Манипулятор содержит подвижные звенья 1, 2 и 3, схват 4, установленный неподвижно на звене 3, станину 5, а также перемещаемую деталь 6. Как видно из фиг, 1 обобщенные координаты а 1 о, Зз 2, аз 1 могут быть определе ны из условия го=Т 1+Тво замкнутости векторного. контура, которое выполняется в каждой точке О траектории схвата 4. После некоторых преобразований получают следующие соотношения: 5ф Л Й аю = -- %Ь = -- агстд (Уо/Хо)2 2 закону изменения скоростио 7+Уо)+2 о% вдоль ее траектовует свой закон изменения уг.во времени, т.е,Обобщенные скоростены дифференцированиремени. После преобразоЕо бз=гпзЯ; бо=гпо 9,где ц - ускорение свободногоЯз - точка центра масс зв одной обобис производ Хяз, Уяз, 7)яз - прое ыеускорения ускорения аяг точки на осисистемы координат ХоУо 7 о8 се компоненты уравненивижной системе координат.10 Ускорение аяз точки Яз првиде падения;ена 3; ии вектора подвижной я(7) в неподедставляют в= - Й 1+ оаоЧо2 = - 32 +ЧоаоЧо Ч бЧогде ао= б ускорение точки О;йбЗ - приращение пути (перемещения) точки О вдоль траектории;Таким образом, исходными данными для определения реактивных силы и моментов в подвижных звеньях манипулятора являются скорость Чо и ускорение ао точки О центра масс детали 6 при перемещении по заданной траектории, а также его массовые и геометрические характеристики, Это позволяе-. положить в основу силового анализа метод кинетостатики. Равенство нулю главного вектора сил, действующих на звено 3 манипулятора (см. фиг. 2) дает следующие уравнения равновесия в неподвижной системе координат;Ягз+рф +6з+Р(ио+фо)о 0 (6) где й(о) - сила реакции в соединении звена233 со звеном 2;Рз - сила инерции звена 3;6(о з - сила тяжести звена 3;Ро - сила инерции детали 6;6 о - сила. тяжести детали 6;Все компоненты уравнения (6) заданы в неподвижной системе координат ХоУоЕоУравнение (6) в координатной форме представляют в виде5 где й(о)гзх, йфгзу, Я реакции в соединени на оси неподвижно где Мо=г(о)о х Оодетали 6;М о=глох Р"оРио аетали 6;55 М яз-гяз х ОзОз звена 3М"яз-гяз х Риз зг - проекции силы звена 3 со звеномсистемы координа ом момент силы инерци ХоУо 2 о; вз- масса звена 3 ао - масса детали Хо, Уо, 2 о - прае ния точки О на оси н координаты ХоУвЪ- момен- момен и вектора ускордвижной систем илы инерцииХо Хо + Уо Уо + Ео где го -Используя связь произ щенной координаты по време ной по параметру Я, обобщен представляют в виде ао б а)ю а 1 о = - а 1 о + Чо -Чо бЯа)Яз= -а Я +2% Ч") + бтг а гя+ Зхб ЗхЮ Зхг ЯЗ+ Е)хг)ЯЗ де гяз - радиус-вектор точкивен.а 3,30 матрица преобразования векторовданных координатами в системе коорд ХзУз 2.з в координаты, заданные в непод ной системе координат ХоУоЛо, Юз - угл скорость звена 3, Чгяз. - скорость пост 35 тельная точки Яз, в координатной формеи Чгв е з=бРI з/бт- угловое ускорение зве -(о) (о).на 3.Реактивный момент Йгз, действующий 5 на звено 3 со стороны звена 2, в неподвижной системе координат определяют из урав- нения(10) М 23=(ЙОЗМ 23,енади коя ун- ноате Мз=РЧзоБ)эзе 3+ЧЧЗ х (эзЮЗ)- инерционный момент звена 3 неподвижной системы координатэз - тензор инерции звена 3 относительно его центра масс Яз. 5Полученные значения проекций реактивных сил и моментов звена 3 по формулам (7) и (8) в неподвижной системе координат ХоУо 2 о не дают представления о распределении реактивных сил и моментов в системе 10 координат ХЗУ 323, связанной со звеном 3. Поэтому производится преобразование векторов Во)гз и МО 2 з вычисленных в неподвижной системе координат ХоУоЕо в систему координат ХЗУ 323 следующим 15 образом: где (йозКМзо - матрица преобразования векторов, заданных координатами в системе координат ХоУо 2 о в координаты, задан ные в системе координат ХЗУЗЕ")Преобразование вектора В )2 з, получаемого из уравнения (7), в проекциях на оси неподвижной системы координат ХоУоЕо в систему координат ХЗУЗЕЗ урав нение (9) позволя(ет выделить его движ У щу ю В гз=В 237 (3) и собственно реактивную В гз= составляющие. Определяют законы измене ния В 23 и В 23 в функции от пути (длиныВ траектории точки Р) посредством решения уравнения (9) в фиксированных точках траектории. Аналогично, решая уравнение (10), в фиксированных точках траектории точки, 40 выделяют реактивные составляющие М("гзх, М )гзу, М( )гзг и получают закон изменения собственно реактивной составляющей в функции от пути45 Определение законов изменения д жущих и реактивных сил и моментов зв 3 в функции от пути позволяет оценить намическую нагруженность звена 3 при ремещении схвата 4 вдоль траекто заданной с заданными ускорениями и ростями,Определяют заксен изменения упра ющей силы Вупргз=-Я 2 З в функции от и УпР В В Для этого график ВЭ 23, построенный в ф кции от пути, отражают симметрично о сительно оси Я. Полученный в результотражения график представляет собой управляющую силу звена 3,Аналогично определяют значения движущихся и реактивных сил и момент ов в соединении звеньев 2 и 1, определяют законы их изменения функции от пути. Для звена 2 (смфиг, 3) уравнения равновесия в векторной форме в неподвижной системе координат представляют в виде Учитывая, что Яз 2=-Вгз и Мз 2=-М 2 з, то(11) записывают в виде где В 12 -сила реакции в соединении звена2 со звеном 1; В 23 - находят из уравнения (7); 62 - сила тяжести звена 2; М 1 г - момент, действующий на звено 2со стороны звена 1: М 2 з - момент, действующий на звено 3со стороны звена 2, ходят из уравнения (8); Ми 2 - МОМЕНТ СИЛЫ ИНЕрцИИ ЗВЕНа 2,Миг=(Й 20 52 ЕЗ+УЧЗ х ЗгЮЗ)зг - тензор инерции звена 2 относительно его центра масс Яг.Векторы 812 и М 12, вычисленные поформулам (12) в неподвижной системе координат ХоУОЕо, преобразовывают в систему координат Х 2 У 222 следующим образом: В =РЦ В(сф)М( )12=(МогМ(12 (13) где (йогКйго - матрица преобразования векторов, заданных координатами в системе координат ХоУоЕо в координаты, задан-, ные в системе координат Х 2 У 22.Выделяют движущую М 12=М 12 х и собственно реактивную М 12=В М (г) 2+М(2)12 гщие мот законы жеВ 1 г= в функции от пути. Определяют закон извинения управляющего момента МУ"Р 12=-М 12 в функции от пути. Для этого график М 12, построенЭв ный в функции от пути, отражают симметрично относительно оси 3. Полученный в результате отражения график представляет= ( 12 у) ( г) составляю мента звена 2. Определяю изменения Мэ 1 г, М 1 г, а такВны вдоль звеньев; координаты центров масс -подвижных звеньев расположены в их середине; координаты центра масс детали 6 рас- . положены на линии Он-Ок; быстродействие (время отработки траектории Он - Ох) Т=6 с; длина траектории 3=0,6 м; движение схвата вдоль траектории Он-Ок задано в виде тра-пецеидального закона(см, фиг. 5) с участком разгона (тразг=1/4 Т) равномерного движения (тру=1/2 Т) и участком торможения (1 торм=1/4 Т), Чв=0,133 м/с,По полученным зависимостям (5), (9), (10), (13), (16),;определяющим функциональную взаимосвязь обобщенных координат, а также их скоростей и ускорений с движущими и реактивными силами и моментами, возникающими в подвижных звеньях манипулятора, составлена программа на ЭВМ. По результатам численного исследования рассматриваемого примера с помощью ЭВМ построены графики законов изменения обобщенных скоростей в соответствии с выбранным законом движения схвата вдоль заданной траектории (см, фиг, 6, 7 и 8),На фиг, 9 представлен график закона изменения управляющей силы ВУ 2 з=-й 2 з, обеспечивающей относительное движение звена 3 в соответствие с заданной траекторией .схвата и закона изменения его скорости. На фиг. 10 и 11 представлены графики законов изменения управляющих моментов на валах приводных двигателей (звена 2,манипулятора М" р 12=-М 12, звена 1 - М" ро 1=-М о 1) соответственно, обеспечивающие относительные движения соответствующих подвижных звеньев в соответствии с заданной траекторией схвата и закона изменения его скорости, На фиг; 12, 13 и 14 - представлены законы изменения мощностей трех приводных двигателей (кривые 1), а также законы изменения мощностей с учетом постоянных потерь, всегда присутствуют как в приводе, так и в передаточных механизмах (редукторах и т,д.) (кривые 2). На фиг, 15 представлена блок-схема системы управления по мощности, структуру и способ функционирования которой мы рассмотрим более подробно,Блок. схема системы управления по мощности одного из приводных двигателей, например, приводящего во вращение звено 1 (см. фиг. 2), представлена на фиг. 15. Данная схема содержит главный контур управления, состоящий из программируемого функционального генератора 1, электрически связанного с катушкой 2 электромагнита, имеющего сердечник 3 и подвижныйобщий якорь 4, который жестко соединен с50 движения схвата вдоль заданной траектории программируемый функциональный генератор 1 формирует электрический сигнал, напряжение которого О 1 прямопропорционально расчетному (номинальному) закону 55 изменения мощности рассматриваемогоприводного двигателя (рис, 9, кривая 1), а программируемый функциональный генератор 19 формирует электрический сигнал,напряжение 02 которого прямопропорционально расчетному (номинальному) закону 10152030 354045 планкой 5, изготовленной из магнитомягкого материала, которая перекрывает часть воздушного зазора магнитопровода в магнитной цепи, содержащей катушку 7, вклюценную последовательно в электрическую цепь обмотки управления 8, двухфазного асинхронного двигателя переменного тока 9, имеющего к тому же обмотку возбуждения 10, на валу приводного двигателя 9 размещен тахогенератор 11, электрически соединенный через реостат 12 с блоком перемножения аналоговых величин 13, а на выходном звене. редуктора электродвигателя 9 размещен тензодатчик 14, электрически соединенный с усилителем 15, который также электрически соединен через реостат 16 с блоком перемножения 13. Если относительное движение звена соответствующего приводного двигателя является возвратнопоступательным, тензодатчик 14 можетбыть заменен соответственно датчиком, вырабатывающим электрический .ток, прямо- пропорциональный движущей: силе, приложенной к этому звену, перемножитель13 электрически соединен с катушкой 17 электромагнита, имеющего сердечник 18 и общий подвижный якорь 4, вспомогательный контур управления состоит из программируемого функционального генератора 19,электрически связанного с катушкой 20 электромагнита, имеющего сердечник 21 и общий подвижный якорь 22, который жестко соединен с планкой 23, изготовленной из магнитомягкого материала, которая перекрывает часть воздушного зазора магнитопровода 24 магнитной цепи, содержащей катушку 25, включенную последовательно в электрическую цепь обмотки управления 8 двухфазного асинхронного двигателя 9, та- хогенератор 11 через реостат 12 электрически связан с катушкой 26 электромагнита, имеющего сердечник 27 и общий подвижный якорь 22, устройство управления двигателем 28 электрически связано с обмоткойуправления 8.Принцип работы блок-схемы системы управления по мощности состоит в следующем.В соответствии с необходимым закономизменения угловой скорости рассматриваемого приводного двигателя (рис, 6), тахогенератор 11 преобразует частоту вращения двигателя вмех в напряжение 04, которое при помощи реостата 12 выравнивается по величине с напряжением 02, тензодатчик преобразует крутящий момент двигателя в. ток; который проходит через усилитель 15 и при помощи реостата 16 выравнивается до такой величины, которая при перемножении с напряжением 04 в блоке 13 давала бы на его выходе сигнал, напряжение которого Оз изменялось бы прямопропорционально действующей (измеренной) мощности Рмех и по величине соответствовало бы напряжению 01. Устройство управления 28 изменяет напряжение Оу обмотки возбуждения в соответствии с требуемым жестким режимом работы приводного двигателя, Если по каким-либо внутренним причинам (уменьшением или увеличением переменной мощности потерь как в двигателе, так и в редукторе) произошло уменьшение (увеличение) действительной (измеренной) мощности двигателя Рмех по сравнению с расчетной (номинальной) Рр, тогда соответственно станет меньше (больше) по абсолютному значению напряжения Оз, поступающее с блока 13 и эапитывающеекатушку 17, по сравнению с напряжением 01, поступающим с блока 1 и запитывающим катушку 2, произойдет нарушение равновесия, тяговое усилие Г 2 станет меньше (больше) тягового усилия Р 1, под действием силы Е= 1 Г 1 + Г 2 общий якорь 4 начнет двигаться влево (вправо), в результате чего произойдет увеличение (уменьшение) воздушного зазора магнитопровода 6 магнитной цепи, что вызовет увеличение (уменьшение) магнитного сопротивления данной магнитной цепи и соответственно уменьшение (увеличение) реактивного сопротивления катушки 7, что приведет у уменьшению (увеличению) мощности теряемой на данной катушке и соответственно вызовет дополнительное увеличение (уменьшение) мощности, поступающей на обмотку возбуждения, что приведет к увеличению (уменьшению) мощности, подводимой непосредственно к двигателю и увеличению (уменьшению) мощности Рмех, снимаемой с двигателя, равновесие мощностей Рр-Рмех и соответствующих им напряжений 01=0 з восстановится,Однако равенство мощностей Рр=Рмех не означает,.что двигатель 9 будет вращаться с необходимой угловой скоростью вмех "вр, для их выравнивается и необходим вспомогательный контур управления, который работает следующим образом. Тахогенератор 11 преобразует частоту враще- ниЯ двигателЯ амех в напРЯжение 04, запитывающее катушку 26, если частота вращения ротора электродвигателя вмех станет меньше расчетной (номинальной) частоты в, тогда соответственно станет меньше (больше) по абсолютному значению напряжение 04 по сравнению с напряжением О 2, поступающим с блока 19 и запитыва 5 10 ющем катушку 20, произойдет нарушение равновесия, тяговое усилие одного электромагнита Г 2, станет меньше тягового усилия другого электромагнита Е 1, под действием115 силы Г = + Е 1+ Г 2 общий якорь 22 начнетдвигаться влево (вправо), в результате чего произойдет увеличение (уменьшение) воздушного зазора магнитопровода 24 магнитной цепи, что вызовет увеличение (уменьшение) магнитного сопротивления данной магнитной цепи и соответственно уменьшение (увеличение) реактивного сопротивления катушки 25, что приведет к. уменьшению (увеличению) напряжения, теряемого на данной катушке, и соответственно вызовет дополнительное увеличение 20 25(уменьшение) напряжения, поступающего на обмотку возбуждения, что приведет к увеличению (уменьшению) частоты враще ния двигателя л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности отработки закона движения и повышения надежности. измеряют фактичеТаким образом, приведенный способуправления манипулятором позволяет решить поставленную цель, заключающуюся в 35 повышении точности отработки закона движения и повышения надежности за счет воэможности определения расчетных (номинальных) законов изменения обобщенных скоростей всех приводных двигате лей и моментов (сил) всех приводовманипулятора, а также мощности этих приводных двигателей и измерения фактических моментов (сил) приводных двигателай, а также фактических мощностей, развивэе мых этими двигателями, сравнения расчетных и фактических мощностей, а также расчетных и фактических обобщенных скоростей и по сигналу рассогласования между ними формирования дополнительного сиг нала управления приводными двигателями.Формула изобретения Способ управления манипуляторомпромышленного робота, заключающййся в том, что посредством системы управления 55 формируют. закон движения схвата и отрабатывают его приводами манипулятора, о тские обобщенные скорости и фактические моменты приводных двигателей, а также фактические мощности, развиваемые этими двигателями, а сигнал управления привод- Кг ными двигателями формируют на основании результатов сравнения измеренных величин с их расчетными значениями,определенными заранее.