Устройство для управления приводом манипулятора

(и)з В 25 ,) 13/00 ГОСУДАРСТВЕ 1+Ь(Й КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Дальневосточный политехнический институт им. В,В, Куйбышева(56) Авторское свидетельство СССРМ 1496999, кл. В 25 3 13/00, 1988,Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов манипулятора,Целью изобретения является повышение быстродействия и улучшение качества переходных процессов за счет компенсации влияния быстроизменяющихся параметров нагрузки.На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - кинематическая схема манипулятора.Устройство содержит сумматор 1, выпрямитель 2, первый блок 3 умножения, первый усилитель 4, двигатель 5, редуктор 6, объект 7 управления, датчик 8 положения, датчик 9 скорости, второй сумматор 10, первый релейный элемент 11, третий сумматор 12, первый задатчик 13 сигнала, первый квадратор 14, второй усилитель 15, четвертый сумматор 16, второй задатчик 17 сигнала, третий усилитель 18, второй блок 19 умножения, пятый сумматор 20, третий задатчик 21 сигнала, второй квадратор 22, третий блок 23 умножения, четвертый блок 24 умножения, шестой сумматор 25, четвертый и пятый усилители 2 б и 27 соответственно, пятый блок 28 умножения, шестой усили 2(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ МАНИПУЛЯТОРА(57) Изобретение относится к робототехнике. Целью изобретения является повышение быстродействия и улучшение качества переходных процессов. Для этого в устройство введены два сумматора, релейный элемент, интегратор, три блока умножения, корректор и блок деления, обеспечивающие подстройку параметров регулятора, 2 ил. тель 29, седьмой сумматор 30, четвертый задатчик 31 сигнала, первый функциональный преобразователь 32, шестой блок 33 умножения, восьмой сумматор 34, блок 35 деления, девятый сумматор 36, интегратор 37, второй функциональный преобразователь 38, седьмой блок 39 умножения, восьмой блок 40 умножения,Устройство работает следующим образом.Устройство управляет обобщенной координатой ц 1. Приведенная на фиг. 2 схема построения наиболее типична для роботов, работающих в цилиндрической системе координат. При данной конструкции манипулятора возможны также вертикальное перемещение груза (обобщенная координата цг) и его горизонтальное перемещение (обобщенная координата цз),Моментные характеристики привода, управляющего координатой ц 1, существенно зависят от координат цз и цз. Запишем уравнение динамики привода поворота, Для этого воспользуемся уравнением Лагранжа 2-го рода. Кинетическая энергия Т движу щихся масс исполнительного органа робота при ц 2=сопы может быть представлена ввиде: т = -Ь 41 + -)нц + -рээ + цэИ + уп Оэ + цз +зЯ + фа - грэ)цэ 1, 1, 1 е . 1э, 2 2 2 где 1 з - момент инерции вертикального зве на исполнительного органа массой тг относительно продольной оси;1 ч - момент инерции горизонтального звена исполнительного органа массой п 1 з относительно поперечной оси, проходящей 10 через центр масс;1 - момент инерции робота двигателя и вращающихся частей редуктора;з - исходное расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра 15 масс (при аз=О);1 з - расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата; тг - масса захваченного груза. С учетом того, что 20дт .г ; =1 за 1+ма 1+гпз(з +аз) Ц 1+гпЛ 1 з +аз+ Ж 3) Ц 1 б дТг" - =(1 з+1 м)ц 1+гпз(1 з +цз) ц 1+2 п 1 з(1 з +бт ОС 1 аз); Ц 1 цз+гп (1 з+цз+1 з) ц 1+2 п 1 г(1 з+цз + з)Ц 1 цз"дТ х - =030 можно записать, моментное воздействие на привод поворота имеет вид;Мь=Н(аз)ц 1+)(Цз,цз)Ц 1, (1)где Н=Н(цз)=п 1 з(э+ай +и) г(1 з+Чз+э) +1 з+1 ч, ь=йаз,цз)=2(п) з(з +аз)+гпЛз +аз+эцз . (2)Учитывая соотношения (1) и (2), исполнительный двигатель постоянного тока с независимым возбуждением достаточно точно можно описать передаточной функцией45эгэ/ (Р) - где Км - моментный коэффициент двигате ля;Кв - коэффициент противоЭДС;Вя - активное сопротивление цепи яко- ря; Р - символ дифференцирования. 55 Для большего удобства передаточную функцию перепишем в виде:(4) где Кд=( Ка +ВяЬ/Км)- коэффициент передачи двигателя по скорости, Тд=Вя(Н+ 1)/Вя+КмКв )-его постоя н ная времени,Соотношения (3) и (4) справедливы длядвигателей постоянного тока с достаточномалой электрической постоянной времени,что имеет место для большинства современных исполнительных двигателей.При ненулевых начальных условиях илипри подаче ступенчатого задающего сигнала в рассматриваемом устройстве возникает скользящий процесс за счет сменыструктуры, которая происходит при переключении релейного элемента 11, реализующего функцию з 19 пХ, Уравнение линиипереключения имеет видЯ =.к+я=О, (5)где е, е - сигнал рассогласования и егопроизводная.с - наклон линии переключения.Для )ого, чтобы прямая Я=О являласьлинией скольжения, требуется, чтобы в ееокрестности выполнялось условие;ЯЯ О (6)Динамика устройства с учетом (4) описывается следующей системой дифференциальных уравнений;Я 1 =Еге 2 = - агг 2 - Ь/О/з 19 п Я, (7)где Р =к аг=1/Тд,Ь=К 1 гКдК р/Тд,Ку,Кд -коэффициенты передачи усилителя 4 и редуктора 6 соответственно,При учете воэможности непрерывнойнастройки параметра С из (5) получаем;Я =сб+6+со,или согласно (7);5=(с-с +агс - Ьз 19 ПЗее (8)Из (8) следует, что условие (6) выполняется, если выполнено условие:С=С -агС+ЬЗ 19 пЯЕ (9)где Ь - коэффициент, удовлетворяющий соотношению ЬЬ)0,На основе уравнения (9) в устройствевыполняется непрерывная подстройка параметра С, Дпя этого требуется сформировать сигналы, соответствующие Тд и Кд,Формирование этих сигналов осуществляется следующим образом. Вычисленнаяв сумматоре 12 сумма сигналов цз, измеряемого датчиком положения горизонтального звена манипулятора, и 1 з, поступающегос блока 13 через квадратор 14 и усилитель15, имеющий коэффициент передачи вз, подается на сумматор 16. Этот же суммарныйсигнал цз+1 з складывается в сумматоре 20с сигналом 1 з, поступающим с блока 21, ичерез квадратор 22 подается на блок умножения 23, где он умножается на сигнал тактильного датчика схвата, соответствующиймассе груза аг, и складывается в сумматореф 216 с сигналом гпз(1 з +цз) и сигналом 1 з+1 и+1,поступающим с выхода блока 17.В результате на выходе сумматора 16получается сигнал, равный:пауз(1 з +рз) +пег (1 э+рз+1 ЗР+1 з+1 ч+1,т.е. Н+ см. (2).Выходной сигнал рз+з+з сумматора20, умножаясь в блоке умножения 24 насигнал гпг, суммируется с сигналом рз+1 з,усиленным в вз раэ усилителем 26. В результате выходной сигнал сумматора 25 равен вз(рз+1 з)+иг(рз+1 з+13), Этот сигнал,усиленный вдвое усилителем 27, умножается в блоке 28 умножения на сигнал рз, снимаемый с датчика скорости горизонтальногозвена манипулятора.Таким образом, на выходе блока 28 умножения формируется сигнал Ь(см. выражение(2. Сигнал Ь, усиленный в усилителе 29ЬВя/Км раз, складываясь в шестом сумматоре 30 с сигналом К, поступающим сблока 31, подается на вход функционального преобразователя 32, реализующего вы, числение зависимости 1(Х)=Х . Поэтому навыходе функционального преобразователя32 сигнал имеет еид: (К,д+ВяЬ/Км), т.е. Кя(см. (4. На этот сигнал в блоке умножения19 умножается сигнал Н+1, предварительноусиленный е Вя/Км раз усилителем 18.Таким образом, выходной сигнал блокаумножения 19 определяется какВя(1+Н)/(КмКц)=Вя(Н+1)/(Км(К +ВяЬ/Км)- =Ту,Одновременно на выходе релейногоэлемента 40 формируется сигнал здля, который умноженный в блоке 41 умноженияна выходной сигнал здпБ релейного элемента 11, поступает на вход блока умножения 33. На другой вход этого блока подаетсясигнал Кд с выхода функционального преобразователя 32, Выходной сигнал блока умножения 33, имеющий вид Кп з 9 пЯЕ,складывается в сумматоре 34 с сигналом"С", поступающим с выхода интегратора 37,и подается на вход блока деления 35, навторой вход которого поступает сигнал Т свыхода блока умножения 19,Анализ и моделирование показывает,что для более быстрой настройки "С" требуется выбирать коэффициент Ь достаточноблизким к Ь. Для устранения возможностинарушения скользящего режима иэ-эа погрешностей в работе устройства выберемЬ=(0,8 - 0,95)Ь, т.е. с определенным запасом,который может быть тем меньше, чем меньше погрешности используемых блоков. Всвязи с этим коэффициент передачи по первому входу сумматора 34 выбирается равным (0,8 - 0,95)КуКр.В итоге на выходе блока деления 35сигнал имеет вид -а 2 с+Ьз 19 пЯе далее сум 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 мируется в сумматоре 36 с сигналом С, поступающим с выхода квадратора 42, Поэтому на взходе интегратора 37 формируется сигнал с -арс+Ьз 19 пЯе, т.е. согласно (9), С, в на выходе интегратора 37 - сигнал С, Таким образом, в блоках 34-37 и 42 реализуется определение С.С выхода интегратора 37 через функциональный преобразователь 38 сигнал С поступает на блок умножения 39, Второй функциональный преобразователь 38 описывается соотношением: Смин ССмину=( ",с смин (10) где сиин0 значение С, которое при любых Кв и Тц обеспечивает возникновение скользящего режима и может быть равным, например 0,01-0,005. Значение Смин)0 требуется для того, чтобы при нулевых начальных условиях на интеграторе 37 сигнал е передавался через блок умножения 39 к релейному элементу 11 для его правильного переключения, Сигнал на выходе функционального преобразователя 38, как видно из (10), практически равен С (при смин близком к нулю), Умножение его на е в блоке умножения 39 и сложение с сигналом датчика скорости 9 в сумматоре 10 дает на выходе последнего сигнал Я (при надлежащем выборе коэффициентов передачи входов сумматора 10),Таким образом, е устройстве обеспечивается такая подстройка положения линии переключения, при которой возникает скользящий режим работы, переходные процессы имеют апериодический характер. В прототипе настройка С выполняясь в предположении кеазистационарности параметров, е связи с чем синтез прототипа основывался на алгебраических операциях, Работоспособность прототипа могла нарушаться при достаточно быстром изменении параметров Тц и Кп, которое весьма характерно для манипуляторов, В предлагаемом устройстве нестационарность укаэанных параметров учитывается введением дополнительного контура динамического определения С,Формула изобретения Устройство для управления приводом манипулятора, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, выпрямитель, первый блок умножения, первый усилитель и двигатель, связанный с датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входомс первым входом устройства, выход датчика скоростьР через последовательно подключенные второй сумматор и первый релейный элемент соединен с вторым входом первого блока умножения, э также последовательно подключенные третий сумматор, соединенныЯ первым входом с выходом первого задатчика сигнала, э вторым входом - с вторым входом устройства, первый квэдратор, второй усилитель, четвертый сумматор, подключенный вторым входом к выходу второго задатчикэ сигнала, третий усилитель и второй блок умножения, кроме того, пятый сумматор, первый вход которого подсоединен с выходу второго сумматора, второй вход - к выходу третьего задатчика сигнала, э выход через последовательно подключенные второй квадратор и третий блок умножения - к третьему входу четвертого сумматора, а также последовательно соединенные четвертый усилитель, шестой сумматор, подключенный вторым входом к выходу четвертого блока умножения, пятый усилитель, пятый блок умножения, соединенный вторым входом с третьим входом устройства, шестой усилитель, седьмой сумматор, подключенный вторым входом к выходу четвертого задатчика сигнала, и первый функциональный преобразователь, выход которого соединен с вторым входом второго блока умножения, вход четвертого усилителя подключен к выходу третьего сумматора, выход пятого сумматора соединен с первым входОм четвертого блока умножения, подключенного вторым входом к второму входу третьего блока умножения, подключенныЯ вторым входом к второму 5 входу третьего блока умножения и четвертому входу устройства, и, кроме того, восьмоЯ и девятый сумматоры, блок деления, шестой блок умножения и второй функциональный преобразователь, о т л и ч э ю щ е е с я тем, 10 что, с целью повышения быстродействия иулучшения качества переходных процессов, оно дополнительно содержит интегратор, третиЯ квадратор, седьмоЯ блок умножения и последовательно соединенные второЯ ре лейный элемент и восьмой блок умножения,второй вход которого подключен к выходу первого релейного элемента, а выход - к первому входу шестого блока умножения, соединенного вторым входом с выходом 20 первого функционального преобразователя, а выходом через последовательно подключенные восьмой сумматор, блок деления, девятый сумматор, интегратор и второй функциональный преобразовэтель - 25 к первому входу седьмого блока умножения,выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, а второй вход - с выходом первого сумматора и входом второго релейного элемента, а выход интегратора 30 подключен к второму входу восьмого сумматора и входу третьего квадратора, соединен- НОГО выходом с вторым входом девятоГО сумматора, 1673433,Мозжечкова Техред М.Моргентал ректор М. Максимиши омбинат "Пэтант", г. Ужгород, уа,гагарина зводственно-иэдател аказ 2888 Тираж 444 Подписное 8 НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская нэб., 4/5