Устройство для управления приводом робота

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 3/О 5)5 В ОБРЕТЕН И ПИСАН ЕТЕЛЬСТВУ К АВТОРСКОМУ С нии высоко- ость изобрено содержит нальных преожения, что ь и устойчи- кинематичек робототехнио при создании ми роботов, ется обеспечечивости приво- ности другого ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРЬВ 1484702, кл. В 25 3 13/00, 1987. Изобретение относится ке и может быть использован систем управления приводаЦелью изобретения явл ние высокой точности и устои да другой степени подвиж робота,На фиг.1 дана блок-схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота; на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа робота,Самонастраивающийся злектропривод содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с первым датчиком 8 положения, выход которого соединен с первым отрицательным входом третьего сумматора 9, подключенного вторым положительным входом ко входу устройства, последовательно соединенные релейный блок 10 и четвертый сумматор 11, второй вход которого Ж, 181 бб 84 А 1(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕН ПРИВОДОМ РОБОТА(57) Использование: при созда точных приводов робота. Сущн тения: устройство дополнитель датчик ускорения, два функцио образователя и два блока умн обеспечивает высокую точност вость привода при выбранной ской схеме манипулятора. 2 ил. соединен с выходом первого датчика 6 скорости и входом релейного блока 10, последовательно соединенные первый эадатчик 12 сигнала и пятый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом датчика 14 массы, а выход - с вторым входом первого блока 2 умножения, последовательно соединенные второй датчик 15 скорости, второй блок 16 умножения и третий блок 17 умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика 6 скорости, а О выход- с третьим входом четвертого сумма- (Ь тора 11, а также второй датчик 18 положе- (,"О ния, причем выход третьего сумматора 9 ф подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, выход фф четвертого сумматора 11 подключен ко второму входу второго сумматора 3. Кроме того он содержит последовательно соединенные второй задатчик 19 сигнала, шестой сумматор 20, четвертый блок 21 умножения, второй вход которого через первый функциональный преобразователь50 55 22 соединен с выходом второго датчика 18 положения, седьмой сумматор 23, второй вход которого соединен с выходом третьего зэдэтчика 24 сигнала, и пятый блок 25 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 26 ускорения, а выход подключен к четвертому входу четвертого сумматора 11, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь 27, вход которого соединен со входом первого функционального преобразователя 23, и шестой блок 28 умножения, в второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 20, а выход - ко второму входу второго блока 16 умножения, пятый 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 вход пятого сумматора 13 соединен с выходом четвертого блока 21 умножения, третий вход седьмого сумматора 23 подключен к выходу датчика 14 массы и второму входу шестого сумматора 20. Объект управления 30 механически соединен с выходным валом редукторэ 7,Нэ фиг.1 и фиг.2 введены следующие обозначения:авх - сигнал желаемого положения; Ч 1,Чг,Чз - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;Чг 4 з; скорости изменения соответствующих обобщенных координат;е- ошибка привода (величинэ рассогласования);в 1,вг,вэ,ег - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;Рг, з - расстояния от осей вращения горизонтальных звеньев до их центров масс;Ь,Ь - длинЬ соответствующих горизонтальных звеньев;о - скорость вращения ротора двигателя;0, . - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки я сумматора 9 после коррекции в блоках 1,2,3, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала, О. моментов трения и внешнего моментного воздействия Мн, Электропривод при работе с 20 25 30 35 различнымигрузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа, обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах, Это снижает качественные показатели электро- привода и даже приводят к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств электро- привода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления,Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой Чг. Конструкция робота (см,фиг,2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов (см. например, роботы типа зИэв (ЯВ, ЗВ-З, 38-4), ТУР-Ь гранат,5 и т,д,). Эта конструкция позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение груза (координата Ч) и два вращательных в горизонтальной плоскости (координаты Чг и Чэ),Моментные характеристики привода, управляющего координатой Чг существенно зависят от изменения координат Чз,Чэ,Чэ и аг, В связи с этим для качественного управления координатой Чг необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат Чэ,Чэ и Чз, а также переменной массы груза в на динамические свойства рассматриваемого привода поворота (координата Чг),Для определения моментных воздействий на рассматриваемый привод(обобщенных моментов неконсервативных сил) используют уравнение ЛагранжародаКинетическая энергия Т всех движущихся масс исполнительного органа (см,фиг,2) представляется в видег + 02 2 ) Чг 2з + аз э + аг б ) (.)г1816684 выходной вал привода. управления координатой Рг при движении робота (см.фиг,2) сгрузом имеет вид щих горизонтальных звеньев относительно их центров масс.Потенциальная энергия является функцией только координаты Ръ. 5 МВ=Н(РЗ)Р 2+ъ(РЗ.РЗ)Р 2+Мвн, (1) Учитывая, что ГДЕ Н(С 3)=12+3+В 2 Ъ 2 +В 2 ЪЗ +(ВЗ+Вг)2 +2 2 2+ вгИЗ+(взРЗ+вгЬ)сгсоз(РЗ)РЗ - (в 33+вг 3)сгэ п(РЭ)Р 3,дТ- =О.д Р 2 описа с ду щ д фф РНа основе уравнений Лагранжа 11 рода можно записать, что моментное воздействие науправлением.КуКМО=Щ 1+(2+13+ГП 2 В 2+ВЗ 1 3+(ВЭ+Вг)22+ВгРЗ+2 ЫВЗР"3+ВЫСОЗ(РЭ)/2 р) СХ 2+ВМлр+ + ( Км Ктм+ ЩКВ - 212(гпз 1 з+вг 1 з)зп(РЗ)РЗ/р)аг+ (Им Ка+ВКВЬ (взс.э+вг 3) зъп (рз) Рэ/р ) аг++ Ч 13+взРз+вгЕ 3+2(взР 3+вг 3)соэРЗРЗ/р-В 2(взЬ+вгЬ)зъп(РЗ)Ргз/р=В(+Н) аг+ + (Км К а+В(КВ+ъ) аг+В(Истр+МВн) где Н=Н/ р, ъ=ъ/ р. Мвн=МВн/р.В - активное сопротивление якорнойцепи двигателя;1 - момент инерции якоря двигателя ивращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя;Км - коэффициент крутящегося момента;Ктг - коэффициент противо-ЭДС;КВ - коэффициент вязкого трения;1 р - передаточное отношение редуктора:Мстр - момент сухого трения;Ку - Коэффициент усиления усилителя 4;1 - ток якоря;"а 2 - ускорение вращения вала двигателя второй степени подвижности,Иэ уравнения (3) видно, что параметрыэтого уравнения, а следовательно и параметры привода, управляющего координатойР 2, являются существенно переменными,зависящими от величин Рз.Рз,Рз,вг, Врезультате в процессе работы привода С учетом соотношений (1) и (2), а также 20 уравнений электрической О=В+Ка аги механическойКМ=(Н+1) -аг+(Ъ+КВ) аг+МстрмВНцепей электродвигателя постоянного тока 25 с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой Р 2, можноть ле ю им и е енциальным меняются (притом существенно) его динамические свойства, В результате для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными параметрами.Полагается, что первый положительный вход сумматора 1 (со стороны сумматора 9) единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления Кт/Ку. Следовательно на выходе сумматора 1 форКмируется сигнал е -- аг,КуПервый вход сумматора 20 единичный, а задатчик 19 сигнала подает на него сигнал 2 сзвз. Второй вход этого сумматора имеет коэффициент усиления ЬЬ. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал Ь(вз"э+вгЬ).1816684 10 Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид15 20 30 35 Второй датчик 18 положения измеряет обобщенную координату Рз робота, а функциональный преобразователь 22 реализует сов Рз. В результате на выходе блока 21 умножения формируется сигнал айвз.3+в 43)созРЗ.Первый вход сумматора 13 имеет единичный коэффициент усиления, а задатчик 12 сигнала погдает на этот входг сигнал (1+(12+3+В 2 Г 2 +В ГЗ +В 312 )/12 1/1 нНа второй его вход с коэффициентом УСИЛЕНИЯ (12 +13 )/(1 р н) ДатЧИК 14 МаССЫ ПОдает сигнал вг. Третий вход сумматора 13 имеет коэффициент усиления 2/(1 р 1 н). В 2 результате на его выходе формируется сигнал+ вг(6+(3 )+2 Ывз(,"звгСз) хх сов(РЗ)1/1 р)/1 н=А,а на выходе блока 2 умножения - сигнал А(е -- айаг) Функциональный преобразоК,Куватель 27 реализует функциональную зависимость з 1 пР 3, В результате на выходе блока 28 умножения формируется сигнал Цвзй+3+вгЬ)з 1 пЧз,Датчик 15 скорости измеряет скорость изменения обобщенной координаты Рз и, как и датчик 18 положения, установлен в третьей степени подвижности робота. В результате на третий отрицательный вход сумматора 11 (со стороны блока 17 умножения) с коэффициентом усиления 2/ р поступает2сигнал Г 2(ВЗГ" 3+Вг(3)З 1 П(РЗ)ЧЗ а 2,а на пятый отрицательный вход этого сумматора (со стороны блока 29 умножения) с коэффициентом усиления 1/1 р - сигналУг(взад"3+вгЬ)31 П(ЧЗ)Р 3 Первый и второй входы сумматора 23 (соответственно со стороны блока 21 умножения и задатчика 24 сигнала) имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий вход - коэффициент усиления гз, Задатчик сигнала 24 формирует сигнал 13+взЬ, а датчик 26 ускорения измеряет ускорение изменения обобщенной координаты Рз и установлен в третьей степени подвижности робота. В результате нэ выходе блока 25 умножения формируется сигнал 40 45 50 55(13+взЬ +вг 3+12(взад 3+вг 3)соЗР 3333 который поступает на четвертый положительный вход сумматора 11, имеющий коэффициент усиления 1/1 р, Первый и второй положительные входы сумматора 11 (соответственно со стороны релейного элемента 10 и датчика 6 скорости) соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный КМК/й+Кв. Мт аг 0 Овыхю= - Мтри аг00 аг = О,гдеМ - величина момента сухого трения при движении. В результате на выходе сумматора 11 формируется сигнал+вгЫсозРз)ЧЗ/1 р Цвзз+вгб)81 п(РЗ)/1 р=В,Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2 умножения) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления В/(КмКу). В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал 3, рав- ный 0=-А(г -- а 2)+К, вПоскольку при движении привода Мз 19 П аг достаточно точно соответствует Метр, то сиг нал 1.1(4), как несложно убедиться, обеспечивает превращение уравнения (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с постоянными номинальными желаемыми параметрами, обеспечивающими приводу заданные динамические свойства и качественные показатели й 1 н аг +КмКв а 2 =-КуКм еТаким образом за счет дополнительного введения второго 19 и третьего 24 задатчиков сигнала, шестого 20 и седьмого 23 сумматоров, четвертого 21, пятого 25, шестого 28 и седьмого 29 блоков умножения, первого 22 и второго 27 функциональных преобразователей и датчика 26 ускорения удалось обеспечить полную инвариэнтность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения, Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы привода.Практическая реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений, так как в нем использованы только типовые электронные элементы,ф ар мул а и зоб рете н и я Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора, второй вход - с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, а третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения .и выходу первого датчика скорости, последовательно соединенные датчик момента и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход - к второму входу первого блока умножения, а также второй датчик положения, второй и третий задатчики сигнала, шестой и седьмой сумматоры, четвертый и пятый блоки умножения. от л и ч а ю ще е с я тем, что, с целью расширения функциональных 5 возможностей устройства. оно содержитдатчик ускорения, первый и второй функциональные преобразователи, шестой блок умножения и седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу вто рого блока умножения, второй вход - квыходу второго датчика скорости, а выход - к четвертому входу четвертого сумматора, соединенного пятым входом с выходом пятого блока умножения, первый вход которо го подключен к выходу датчика ускорения, авторой вход - к выходу седьмого сумматора, соединенного первым входом с выходом третьего задатчика сигнала, вторым входом - с выходом четвертого блока умножения и 20 вторым входом пятого сумматора, а третьимвходом - с выходом датчика момента и первым входом шестого сумматора, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала. а выход - к первому вхо ду шестого блока умножения и четвертогоблока умножения, соединенного вторым входом с выходом первого функционального преобразователя, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и 30 входу второго функционального преобразователя, соединенного выходом с вторым входом шестого блока умножения, выход которого подключен к второму входу второго блока умножения.35ина Корректор А. Обруча едактор О роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгор л,Гагарина, 101 каэ 17 ВНИ оставитель С. Грибоехред М,Моргентал Тираж ПодписноеИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5