Устройство для управления приводом робота

ОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСК 764989 ЕСПУБЛИК 9) .ЬЫ 51)5 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТОТКРЫТИЯ ИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ О Я УПРАВЛЕНИЯ повышения точно- вода при больших раметров нагрузки улятора. Сущность ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Дальневосточный политехнический институт им. В,В,Куйбышева(56) Авторское свидетельство СССРМ 1484702, кл. В 25 Л 13/00, 1989.(54) УСТРОЙСТВО ДЛПРИВОДОМ РОБОТА(57) Использование: длясти и устойчивости прискоростях изменения пав процессе работы манип Изобретение относится к робототехние и может быть использовано при создании истем управления приводами роботов,Оно является усовершенствованием зобретения авт.св. СССР К. 1484702,По вышеуказанному основному изобреению известно устройство для управления риводом робота, содержащее последоваельно соединенные первый блок умножеия и первый сумматор, последовательно одключенные усилитель и двигатель. свяанный с первым датчиком скорости непоседственно и через редуктор - с первым атчиком положения, выход которого соедиен с первым входом второго сумматора, одключенного вторым входом к входу устойства, последовательно соединенные торой датчик положения, третий сумматор, етвертый сумматор, первый квадратор и торой блок умножения, второй вход котоого подключен к выходу датчика массы и изобретения: для формирования необходимых корректирующих сигналов дополнительно введены четвертый 28 и пятый 33 задатчики сигнала, девятый 29, десятый 32 и одиннадцатый 34 сумматоры, шестой 30, седьмой 31 и восьмой 35 блоки умножения, третий датчик 36 скорости, третий квадратор 37, третий датчик 38 положения, второй усилитель 39, первый 40 и второй 41 функциональные преобразователи, После корректировки привод становится инвариантным к изменению параметров нагрузки, а также к моментам сухого и вязкого трения, При этом стабилизируются его динамические свойства и качественные показатели работы. 2 ил,первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика сигнала, а третьим входом - с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом - с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика сигнала, выход третьего задатчика сигнала подключен к втоорму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения.Кроме того, оно содержит пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и восьмой сумматор, выход которого подключен квторому входу первого сумматора, соединенного с входом усилителя, выход первогодатчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого. сумматора, второй вход которого соединенс выходом второго сумматора, а выход - спервым входом первого блока умножения,подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блокаумножения соединен с выходом четвертогоблока умножения, второй вход - с выходомпервого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора.Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено только дляконкретного привода конкретного робота,Для приводов других степеней подвижности других роботов (с другой кинематикой)это устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивость работы.В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся коррекции, которая обеспечила бы высокуюточность и устойчивость работы привода робота с другой кинематической схемой исполнительного органа,Целью изобретения является устранение указанного выше недостатка, т.е, обеспечение высокой точности и устойчивостипривода другой степени подвижности другого робота,Цель достигается тем, что в устройстводля управления приводом робота по авт,св,М 1484702 предлагается дополнительноввести последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен свыходом пятого сумматора, шестой и седьмой блоки умножения и десятый сумматор,выход которого подключен к четвертомувходу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала,одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, и восьмой блок умножения, выходкоторого подключен ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третийквадратор, выход которого соединен со вторым входом шестого блока умножения, по.следовательно соединенные третий датчикположения, второй усилитель и первый функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу седьмогоблока умножения, а второй вход восьмогоблока умноженйя через второй функциональный преобразователь соединен с выходом третьего датчика положения. Блок-схема предлагаемого устройствадля управления приводом робота представлена на фиг,1,Устройство для управления приводом5 робота содержит первый блок 1 умножения,первый сумматор 2, первый усилитель 3,двигатель 4, первый датчик 5 скорости, редуктор 6, первый датчик 7 положения, второй сумматор 8, второй датчик 9 положения,10 третий сумматор 10, первый задатчик 11сигнала, четвертый сумматор 12, второй задатчик 13 сигнала, первый квадратор 14,второй блок 15 умножения, датчик 16 массы,пятый сумматор 17, третий задатчик 18 сиг 15 нала, второй квадратор 19, третий блок 20умножения, шестой сумматор 21, четвертыйблок 22 умножения, второй датчик 23 скорости, пятый блок 24 умножения, седьмой сумматор 25, релейный блок 26, восьмой20 сумматор 27, четвертый задатчик 28 сигнала, девятый сумматор 29, шестой блок 30умножения, седьмой блок 31 умножения, десятый сумматор 32, пятый задатчик 33 сигнала, одиннадцатый сумматор 34, восьмой25 блок 35 умножения, третий датчик 36 скорости, третий квадратор 37, третий датчик 38положения, второй усилитель 39, первыйфункциональный преобразователь 40, второй функциональный преобразователь 41,30 объект 42 управления,На фиг,2 представлена кинематическаясхема исполнительного органа робота,Введены следующие обозначения:йвх - сигнал желаемого положения;35 ц 1, цг, цз - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органаробота;Ц 1, Ц 2 = О 2 р, цз - скорости изменениясоответствующих обобщенных координат;40я - ошибка привода (величина рассогласования);щь в 2, вз, в - соответственно массыпервого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;45 Ь, Ь - расстояния от осей вращениявторого и третьего звеньев до их центровмасс;Ь - расстояние от центра масс третьегозвена до средней точки схвата;50 а 2 - скорость вращения ротора двигателя;О, О - соответственно усиливаемыйсигнал и сигнал управления двигателем 4;р - передаточное отношение редуктора,Устройство работает следующим образом, Сигнал ошибки я сумматора 8 послекоррекции в блоках 1, 2, 25, усиливаясь,поступает на электродвигатель 4, приводяего вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающегосигнала е, моментов трения и внешнегомоментного воздействия Мв. Электропривод при работе с различными грузами, атакже эа счет взаимовлияния степенейподвижности исполнительного органа,обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах, Это снижает качественныепоказатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы, Врезультате возникает задача, связанная собеспечением инвариантности динамических свойств электропривода и непрерывным и быстрым изменением его моментныхнагрузочных характеристик, что позволяетобеспечить стабильность заданного качества системы управления,Рассматриваемый привод управляетобобщенной координатой цг, Конструкцияробота (см, фиг.2) является типовой для промышленных роботов (смнапример "Юнимейт").Моментные характеристики привода,управляЮщЕгО кООрдинатсй цг, СущЕСтвЕнно зависят от изменения координат ц 2, цз,ц 1, цз и гпг В связи с этим для качественногоуправления координатой цг необходимоточно компенсировать отрицательное влияние изменения координат цг, цз, ц 1, цз, атакже переменной массы груза гпг на динамические свойства рассматриваемого привода поворота (координата цг),Для определения моментных воздействия на рассматриваемый привод(обобщенных моментов неконсервативных сил)воспользуемся равнением Лагранжа 1рода, Кинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (фиг,2)представляется в виде1Т = - (131 т 1 Я 2 + 33)з 1 п Ц 2 + 1 чг + ИЗ+2+ + Ь)22+ гпЗ + птг22где 1 чг, 1 чз - моменты инерций второго итретьего звеньев относительно поперечныхосей, проходящих через их центры масс;1 з 1, 1 зг, 1 зз - моменты инерций первого,второго и третьего звеньев относительно ихпродольных осей.Потенциальная энергия имеет видП = 9 п 12 12 + гпЗ (Ь + ЦЗ) + п 1 г (3 ++2 п 13(Ь + Цз)+ птг(Ь+ ЦЗ+ Ь)цз цг.На основе уравнений Лагранжа родаможно записать, что моментное воздействие на выходной вал привода, управляющего координатой ц 2 при движении робота+ цз)+ гпг(Ь+ цз+ Гз)соя цг, (2)9 - ускорение свободного падения.30 С учетом соотношений (1) и (2), а такжеуравнений электрической О = Я + К, аг имеханической Км = (1+ Н)аг+ (т" + К,) аг++ Мстр+ Мвн ЦЕПЕЙ ЭЛЕКТРОДВИГЭТЕЛЯ ПОСТОянного тока с постоянной магнитами или35 независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой цг,можно описать следующим дифференциальным управлениемКуКмО = В (1+ Н) а 2 + КмК, +40 + В (11+ КвЦ а 2+ В (Мстр+ Мвн ) (3)где Н = Н(цз)/1 р, 1 = 1 (Цз, цз)/1 р, Мвн == Мвн/рй - активное сопротивление якорнойцепи двигателя; 1 - момент инерции якоря45 двигателя и вращающихся частей редуктора. приведенных к валу двигателя; Км - коэффициент крутящегося момента; К,. -коэффициент противо - ЭДС: Кв - коэффициент вязкого трения; Мстр - момент сухоготрения; Ку - коэффициент усиления усилителя 3; - ток якоря; аг - ускорение вращениявала двигателя второй степени подвижноИз уравнения (3) видно, что параметры 55 этого уравнения, а следовательно, и параметры привода, управляющего координатой цг, являются существенно переменными,ЗЭВИСящИМИ От ВЕЛИЧИН цг, ЦЗ, ц 1, ЦЗ, П 1 г. В результате в процессе работы привода меняются (притом существенно) его динамические свойства. Таким образом, для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода так, чтобы он описывался 5 дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.Полагается, что первый положительный вход сумматора 25 (со стороны сумматора 8) единичный, а его второй отрицательный 10 вход имеет коэффициент усиления К. /Ку.Следовательно на выходе сумматора 25К,)формируется сигнал е -- а 2.КуПоложител ьн ые входы третьего 10 и чет вертого 12 сумматоров - единичные. Датчик положения 9 установлен на втором звене робота и измеряет обобщенную координату цз, так как его движок механически связан с третьим звеном. Задатчик 18 вырабатывает 20 сигнал з, а задатчик 13 - сигнал з.Таким образом, на выходе сумматора 10 формируется сигнал Ь+ цз, а на выходе сумматора 12 - сигнал Ь+ цз+ Ь. На выходе блока 15 умножения формируется сигнал 25 тг (Ь+ цз+ Ь), а на выходе квадратора 191 2. - сигнал(з +цз) . С выхода задатчика 11 на второй положительный единичный вход сумматора 17 поступает сигнал, равный 1 р + Ъ 2+ 1 чз+ п 12 г 2, поскольку первый (со 30 стороны блока 15) и третий (со стороны квадратора 19) положительные входы этого сумматора соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный щз, то на его выходе фор мируется сигнал Н+1 р (см,(2, а на выходе блока 1 умножения сигнал (1 р + Н)хК.Х(Я - С 2)КуНа выходе блока 20 умножения форми руется сигнал гпг (з+ цз + з). Первый сумматора 21 (со стороны сумматора 10) имеет коэффициент усиления 2 т 3, а его второй вход - коэффициентусиления 2. В результате на выходе сумматора 21 формируется сиг нал Ь (см.(2, т.к. датчик 23 измеряет скорость перемещения третьего звена цз, относительно второго, а на выходе блока 24 умножения - сигнал П а 2 .50На выходе задатчика 33 формируетсясигнал 2 гп 22, Первый и второй положительные входы сумматора 34 имеют коэффициенты усиления 9/2, поэтому на его выходе формируется сигнал 559 т 26+ гпз(1 з+ Цз)+ гпг(Ь+ ЦЗ+ 6),Датчик положения 38 измеряет оообщенную координату ц 2, на выходе функционального преобразователя 41 формируетсяМт гх 2 )О,- Мт при аг (О, 0 а 2 =О,1-1 вых 26 = 1 Мт - величина момента сухого трения при движении,Первый (со сторон ы рел ей ного блока 26), второй(со стороны датчика 5), третий(со стороны блока 24) и четвертый положительные входы сумматора 27 соответственно имеют следующие коэффициенты усиления -КмКм, 2единичный, + Кв, 1/р, 1/1 р. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигналКм К сов+ МвнПервый (со стороны блока 1) и второй положительные входы сумматора 2 соответственно имеют коэффициенты усиления 1/(1 н)р ), К/(Км Ку), В результате на выходе2этого сумматора формируется сигнал О ---- . - (е -- а + х1 +Н, КаВ 2Ку Км Ку Км К )Х ( + Кв) 2+ Мт ВЯП Й 2+ Ь ГХ 2+ Мвнйсигнал созц 2, а на выходе блока 35 умножения - сигнал9 гп 22 + п 13 (ГЗ + ЦЗ) + п 1 г (З + ЦЗ ++ Гз)созц 2,3 адатчик 28 вы рабаты вает сигнал 1 р 2 ++1 з 2 + 1 зз, Первый отрицательный (со стороны задатчика 28) и второй положительныйвходы сумматора 29 имеют коэффициенты1усиления - . В результате на его выходе2 .формируется сигнал11 ч 2 + 1 чз 152 1 Яз + п 12 Г 2 +г2+тз(Ь + цз)+ гпгМ+цз+ з)Датчик скорости 36 измеряет координату ц 1, усилитель 39 имеет коэффициентусиления 2, а функциональный преобразователь 40 реализует функцию э и, В результате на выходе блока 31 умноженияформируется сигнал1 2- 1.2 + 1 кз 152 1 зз + п 12 2 +2+ аз(б + цз) + п 1 г (б + цз + Гз)цз 1 п (2 ц 2),Положительные входы сумматора 32имеют единичные коэффициенты усиления.Поэтому на выходе этого сумматора формируется сигнал Мвн (см,(2.Выходной сигнал релейного блока 26 снулевой нейтральной точкой имеет видПоскольку при движении привода Мт здп аг достаточно точно соответствует Мстр, то сигнал (4) обеспечивает превращение уравнения (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными желаемыми параметрами, обеспечивающими приводу задан ные динамические свойства и показатели качестваВ, аг=+ Км К аг= Ку Км е.Таким образом, за счет дополнительного введения четвертого 28 и пятого 33 задатчиков сигнала, девятого 29, десятого 32 и одиннадцатого 34 сумматора, шестого 30, седьмого 31 и восьмого 35 блоков умножения, третьего датчика 36 скорости, третьего квадратора 37, третьего датчика 38 положения, второго усилителя 39, а также первого 40 и второго 41 функциональных преобразователей удалось обеспечить полную инвариантность привода робота к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения, Это позволяет получить стабильное высокое качество управления в любых режимах работы привода,Формула изобретения Устройство для управления приводомробота по авт,свид, М 1484702, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения 5 точности и устойчивости привода робота, онодополнительно содержит последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, девятыйй сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, шестой и 10 седьмой блоки умножения и десятый сумматор, выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала, одиннадцатый сумматор, вход которого соединен с 15 выходом шестого сумматора,и восьмой блокумножения, выход которого подключен ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третий квадратор, выход которого соединен со 20 вторым входом шестого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель и первый функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу седьмого 25 блока умножения, а второй вход восьмого блока умножения через второй функциональный преобразователь соединен с выходом третьего датчика положения.1764989 Составитель В.филаретаТехред М,Моргентал Е,Егор Реда ктор П.Гереш роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 10 аказ 3344 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5