Устройство для управления приводом робота

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ 25,) 13/О ОсУДАРстВЕннОе ПАтЕДОМСТВО СССРОСПАТЕНТ СССР) н(54) УСТ,РОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ РОБОТА(57) Устройство для управления приводом хнический ин- робота. Использование; изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов. Сущность СССРизобретения: устройство дополнительйо со. держит два фрикционных преобразователя идатчик ускорения, обеспечивающие повыщение точности устройства. 2 ил. 1(56) Авторское свидетельствВ 1484702, кл. В 25 ) 13/00 Изобретеййе. относится к робототехни- - вход которого соединен с выходом интегра;кеиможетбытьиспользованоприсоздании тора, вход которого соединен с выходом систем управления приводами роботов.первого сумматора, выход блока умноженияИзвестно. уСтройство для управлениясоединен с первым входом третьего сумма- приводом робота, содержащее блок умно- тора, второй вход которого соединен с выжения, последовательно соединенные уси-.ходом апериодического звена, а выход - со литель, электродвигаТель, датчик тока, входомусилителя,первый .сумматор второй выход электро- Недостатком этого устройства является двигателя соединен исполнительным меха- неучет моментов скоростных сил, возникаюниэмом, .датчиком положения и датчиком щих при движении манипулятора, что при.скорости, выходы датчиков. положения и водит к снижению его точности. Здесь скоростйсоединены соответственно со вто- осуществляется -лищь компенсация перерыми входами второго сумматора и блока менного момента инерции.деления, второй вход первого сумматора со- . Известно также устройство для управединен с выходом измерителя внещнего мо- ления приводом робота. содержащее пермента. Кроме того, оно содержит третий вый сумматор, выход которого через сумматор, интегратор, апериодическое зве- . апериодическое звено соединен с первым но и инерционное дифференцирующее зве-входом второго сумматора; выход которого но, причем выход второго сумматора соединен с первым входом первого блока соединен со входом апериодического звена: умножения, второй вход которого соединен и инерционного дифференцирующего зве- " с первым выходом вычислительного блока, на, выход которого соединен с первым вхо-а выход-с последовательносоединенными домблокаумножения,второйвходкоторого первым усилителем, электродвигателем с соединен с выходом блока деления, первый редуктором и.датчиком положения, выходкоторого соединен со вторым отрицательным входом первого сумматора, выход которого через инерционное диФференцирующее звено и второй блок умножения соединен со вторым входом второго сумматора, второй вход второго блока умножения соединен с выходом первого блока деления, вход делимого и делителя которого соединены соответственно со вторым и третьим выходамй вычислительного блока, вход датчика положения соединен через датчик скорости со скоростным входом вычислительного блока, первый идентиФицирующий вход которого соединен с выходом первого источника опорного напряжения, а входы момента и ускорения этого блока подключены соответственно к выходам датчика тока двигателя и датчика ускорения, вход которого соединен с входом датчика положения и обьектом управления, причем вычислительный блок выполнен в виде третьего сумматора, выход которого через интегратор соединен с входом делимого второго блока деления, выход которого соединен со вторым выходом вычислительного блока и первым входом третьего блока умножения, выход которого соединен с первым отрицательным входом четвертого сумматора, второй вход которого соединен со входом интегратора, а выход - со входом делимого третьего блока деления, выход которого соединен с первым входом пятого сумматора, второй вход которого. соединен с первым входом (идентифицирующим) вычислительного блока, а выход - с третьим выходом вычислительного блока и через второй усилитель - с первым выходом этого блока, вход делениявторого блока деления соединен со скорО- стным входом вычислительного блока, первым отрицательным входом третьего сумматора, с входом делителя третьего блока деления и через релейный элемент - со вторым отрицательным входом третьего сумматора, вход ускорения и моментный вход вычислительного блока соединен соответственно со вторым входом третьего блока умножения и третьим входом третьего сумматора,Недостатком этого устройства является малая точность и ри большихскоростях движения манипулятора, когда параметры при вода нельзя считать квазистационарными.Известно также устройство дляуправления приводом робота, содержащее йоследовательно соедйЪенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно подключенные усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенносо вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, 5 четвертый сумматоо, первый квадратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соеди ненного вторым входом с.выходом первогозадатчика сигнала, а третьим входом;. с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соеди ненного 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 вхо дом с выходом второго задатчика сигнала,выход третьего задатчика сигнала подключен к второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умноже ния, Кроме того оно содержит пятый блокумножения, сеДьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и вось-.мой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, соеди ненного выходом с входом усилителя, выходпервого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен 35 с выходом второго сумматора, а выход - спервым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пя. того сумматора, первый вход пятого блокаумножения соединен с выходом четвертого 40 блока умножения, второй вход - с выходомпервого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора.ДанйОе устройство по своей техничеСкой сущности является наиболее близким 45 к предлагаемому изобретению. Его недостатком является то, что оно предназначено только для конкретного привода конкретного робота, Дляйриводов других степеней подвижности других роботов (с другой кине матикой) зто устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивостьработы.В результате возникает задача построения такой самонастраивающейся коррек ции, которая обеспечила бы высокуюточность и устойчивость работы привода робота с другой кинематической схемой исполнительного органа.Целью изобретения является устранение указанного выше недостатка, то естьобеспечение высокой точности привода другой степени подвижности другого робота.Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель связанный с приводом датчиком скорости непосредственно и через редуктор с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом со входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен ко входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и со второго по пятый блоки умножения, . дополнительно вводятся датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого иэ которых соединен с выходом датчика положения; . выход датчика массы подключен ко второму входу первого блока умножения, первому входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен, соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их выходы - соответственно ко второму входу шестого сумматора и пер вому входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, а выход второго сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора,На фиг 1 дана блок-схема предлагаемого устройства для управления приводом робота; на фиг.2 - конструкционная схема робота.Устройство содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, второй сумматор 2, первый блок умножения 3, третий сумматор 4, усилитель 5 и двигатель 6, связанный с первым датчиком 7 скорости непосредственно и через редуктор 8 с датчиком 9 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, соединенного вторым входом со входом ус 5 тройства, последовательно подключенные релейнце элемент 10 и четвертый сумматор 11, второй входкоторого подключен ко входу релейного элемента 11, второму входу второго сумматора 2 и выходу первого дат 10 чика 7 скорости, выход - ко второму входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные первый эадатчик 12 сигнала и пятый сумматор 13, а также второй датчик 14 скорости, датчйк 15 массы, второй эадат 15 чик 16 сигнала, квадратор 17, шестой сумматор 18 исо второго по пятый блоки умножения 19-22, Кроме того оно содержит датчик 23 ускорения, а также первый 24 и второй 25 функциональные.преобразовате 20 ли, вход каждого из которых соединен с выходом датчика 9 положения, выход датчика 15 массы подключен ко второму входу первого блока 3 умножения, первому входу шестого сумматора 18 и второму входу пя 25 того сумматора 13, соединенного выходом с первыми входами второго 19 и третьего 20 блоков умножения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого 24 и второго 25 функционального30 преобразователя, а"их выходы - соответст. венно ко второму входу шестого сумматора 18 и первому входу четвертого блока 21 умножения, соединенного вторым входом через квадратор 17 с выходом второго датчика35 14 скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора 11, четвертый вход которого подключен к выходу пятого блока . 22 умножения, соединенного первым входом с выходом датчика 23 ускорения, а вто 40 рым входом - с выходом шестого сумматора 18, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика 16 сигнала, а выход второго сумматора 2 соединен с третьим входом третьего сумматора 4. Объект управ 45 ления 26 соединен с выходным валом редуктора 8,На фиг.2 представлена кинематическаясхема исполнительного органа робота.50 На рисунках введены следующие обозначения:а,х - сигнал желаемого положения;Ц 1,ц 2,цз - соответствующйе обобщенные координаты исполнительного органа 55 робота;Ф, ц 2,Чз - скорости изменения соответствующих обобщенных координат;е-ошибка привода (величина рассогла, сования);7 1782721 8 пе в гв 1,аг,аз,ар - соответственно массы воспользуемся уравнен е Ли м агранжа 2-горвого, второго; третьего звеньев испол- рода. Кинетическаяя энергия всех движуТнительного органа и захваченного груза; щихся масс исполнительно ог органа (см.г, 3 - расстояние от осей вращения го- фиг.2) представляется в ви еРизонтальных звеньев до их центров масс; 5 2в виде12,1 з - длины соответствующих горизон- Т +13+ а 2 12тельных звеньев;2сЬ -"скорость вращения ротора двига тЕЛя; . + 13+аЗ 13 +ар 32, цг+С 1 З0.О - соответственно усиливаемый 10 2сигнал и сигнал управления двигателем 5.УстРойство Работает слеДУюЩим обРа- аз+ аг 2зом, Сигнал ошибки е сумматора 1 после 2 а" 3"п)1коррекции в блоках 2,3,4, усиливаясь, поступает на электродвигатель б, приводя его вал 15ВО Вращательное ДВижение с напраВлением + . 2а 1 + аг + гпз + аи скоростью (ускорением), зависящими отвеличины поступающего сигнала), м - где 12 13 - моменты инерции соответствуютов трения и внешнего моментного воздей- щих горизонтальных звеньев Относительноствия Мзз. Электропривод при работе с 20 По.сч вз отенциальная энергия является функмовлияния степеней подвижности исполнительного органа обладает переменнымимоментными характеристиками, которые . я з+озз)з +их)з)Оз+Оз)+)дтзз+могут меняться в широких пределах. Это 25 31снижает качественные показатели электро+ вр 13) совприводаи даже прйводит к потере устойчи- - ( - .)= (13 + аз 3 + ар 3 ) цз -вости его работы. В результате возникает + ЦЗ 2 задача, связанная с обеспечением инвари(аз 1) эи (цз)цгцз +Из + аз 1 з + аг 132 + антности динамических свойств электро- З 0 газ + ар 3) соэ цз)цгпривода к непрерывным и быстрым - =-12(аз 3+аг 13)э 1 п(цзКцг +цгцз);изменениям его моментных нагрузочных ха;рактеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качество системы на основе уравнения Лагранжа 2-го рода управления: д 5 можно записать, что моментное воздейст Рассматриваемый привод управляет вие на выходной вал привода, управляющеобобщенной координатой цз. Конструкция го координатой цз" ,при движении робота робота является наиболее типовой для оте- (см. фиг,2) с грузом имеет вид чественных и зарубежных промышленных М = (13 + аз 3 + пауз ) цз + 12(вз 1 3 + Роботов (смнапример, роботы типа эщаа 40 айаг 3) э 1 п(цз)цг +13+аз 3 +вг 13 +12(а 21 3+ (ЯЯ, ЯВ-ЗЛЯ, ТУР, гранат - 2,5 и т,д.). Эта + аг 3) соэ Язцг(1) конструкция позволяет осуществлять верти- С учетом соотношения (1), а также уравкальное прямолинейное перемещение гру нений электрической зэ (координата ц 1 и два Вращательных в 1 11+,КфФ гоРизонтальной плоскости (координаты ц. и 45 и механическойцз) 1 Км=0+(13+аз 3+ар 3) 1 Р) аз+ КвйМоментные характеристики привода, +Мат +(3+аз 3 +а2+1( 1 + )управляющего координатой цз существенно цз 3 цг /1 р+ 12(аз 3+ вг 13)з 1 пцзц 2 /1 Р, .зависят от изменения координат цз 42,ц 2 ивр. В связи с этим для качествЕнного управ цепей электродвигателя постоянного тока скомпления координатой цз необходимо точно постоянными магнитами или независенсировать отрицательное влияние из- возбуждения рассмативаВисимогоменения кос инат им триваемыи привод, упрдинат цз,ц 2 и цг, а также пере- равляющий координатой цз, можно описатьменной массы груза аг на динамические следу)ощим дифференциальным уравненисвойства рассматриваемого привода пово емрота(координата цз)," "" КУКМО=Щ+(13+ вз 13 г+ а 1321/12Дая ооредеяенных моментных еоздей- . Ккики +Йка)аз + раяй , +ствий наН раССМатрИВВЕМЫй ПрИВОд (ОбОб- . +гт(аЗ 3+ ар 3) СОЗцЗ 342 1 р+ Вг(аз 3+.щенных моментов неконсервативных сил) +а 1 з) э 1 п цз)ц /1 Ьхм(цЖцгцз)+где й - активное сопротивление якорной заданные динамические свойства и показа- цепи двигателя; тели качества.1 - момент инерции якоря двигателя и . . Первыйположительныйвходсумматора вращающихся частей редуктора, приведен (со стороны датчика 15) имеет коэффициных к валу двигателя; 5 ент усиления 1 гз/1 р, а его второй положиКм - коэффициент крутящего, момента; тельный вход (со стороны задатчика 12) - .К -коэффициент противо-ЭДС;: единичный коэффициент усиления, Сигнал с Кв - коэффициент вязкого трения; выхода задатчика сигнала 16 - (3+ а 33 )/1 р. р - передаточное отношение редукто- Первый (со стороны блока 19 умножера; 10 ния) и третий (со стороны задатчика 16 сигМтр- момент сухого трения; нала) положительные входы сумматора 18 Ку - коэффициент усиления усилителя 5; имеют единичные коэффициенты усиления,- токякоря;а второй црложительный вход(со стороны ад - ускорение вращения вала двигате- датчика 15) - коэффициент усиления 13 /1 р. ля третьей степени подвижности, . 15 Таким образом, на выходе сумматора 13Из(2) видно, что параметры этого урав- Формируется сигнал 1 г(аз 1 з+ ау 3)/1 р. Понения, а следовательно, и параметры приво- . скольку функциональный преобразователь да, управляющего координатой цз, 24 Формирует сигнал соз цз, то на выходе являются существенно переменными, зави-блока умножения 19 появляется сигнал сящими от величин аг,цз цг,цг. В результате. 20 1 г (аз з+ ау 3) соз (цз)/р, а на выходе сумма- в процессе работы привода меняются тора 18 - сигнал(13+ аз 1 з +ау 13+газ 1 3+. (притом существенно) его динамические+аг 13)х соз (с 3/1 р. свойства, В результате для реализации " Датчик 23 ускорения измеряет ускорепоставленной выше задачи необходимо ние вращения второй степейи подвижности сформировать такое корректирующее уст робота (координату яг), поэтому на выходе ройство, которое застабилизировало бы па- блока 22 умножения фЬрмируется сигнал раметры привода таким образом, чтобы он - . Оз+ аз 3 +аг 1 з + 1 г(аз з+ аг 3)хсоз цз)цг/1 р. описывался дифференциальным уравнени- Датчик 14 скорости измеряет скорость ем с постоянными желаемыми параметра-. вращения во второй степени подвижности ми: 30 (координату цг), а функциональный преобПолагается, что первый положительный разователь 25 Формирует сигнал зп цз. Павход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) этому на выходе блока 20 умножения единичный, а его второй отрицательный . появляетсясигнал 1 г(аз 1 з+ауз)зп(цз)/1 р, вход имеет коэффициент усиления К з /Ку а на выходе блока 21 умножения - сигнал Первый, третйй и четвертый положительные 35 г (аз 1 з+ аг 1 з) 31 п (цз) цг /1 р. входысумматора 11(соответственнососто- . С учетом отмеченных выше коэффициронырелейногоэлемента 10,блока 21 умно-ентов усиления соответствующих входов жения и блока 22 умножения) единичные,- . сумматора 11 на его выходе формируется второй его положительный вход(со сторонысигнал датчика 7 скоРости) имеет коэффициентУси. (кмкоИ + кв) аз+ мт здп аз+юг (аз 1 3+ ления (КмКр/Я+ Кв). Причем выходной сиг- +аг 3) зп (цз) цг /р + (13 + аг 3+азз + НаЛ рЕЛЕйНОГО ЭЛЕМЕНта 10 С НуЛЕВОй +г(а 31 З+ аг 1 З) СОЗцзЯг /р нейтральной точкой имеет вид. На выходе сумматора 2 формируетсяМуаз)0 ".- Кя- 10 = - М при аз ( 0 45 сигнал е - К аз а на выходе блока 3 где Мт- величина момента сухоготрзния- . Умножения - сигнал аг (е -- аз), при движении. Таким образом, с учетом указанных коПервый положительный вход суммато-., эффициентов усиления соответствующих ра 4 (со стороны блока умножения 3) имеет. 50 входов сумматора 4 на его выходе окончакоэффициент усиления 1 з /(1 нр ), второй по- тельно будет сформирован сигнал О видаг гложительный (со стороны сумматора 11)- 1+ 13+а 313 Р / +а 1 А коэффициент усиления й/ККу), а третий по.х ложительный (со стороны сунматора фкозффиииент усиления+ (1 з+ етз 1 з )Р 5 о к(з - т)Г ККнкнуя+ Кт)аз+.)/у .гМКу К К где 1 н - номинальное (желаемое) значениеМт з 1 Дп сЬ+1 г (азз +аг 1 з) зп (цз) цг /р+ 3+ приведенного момента инерции. обеспечи- +аз 3 +арз + 1 г(аз 3+ аг 1 з) созцз )цг/ 1 р, вающее рассматриваемому приводу робоаНесложно показать, что посколькуМтз 19 ппри движении привода достаточно точно соответствует Метр, то подставив полученное значение 0(3) в соотношение (2), получим уравнение81 н ЙЗ+ Км КдсЬ КуКмекоторое имеет постоянные желаемые параметры. То есть сам привод, управляющий координатой цз будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.Таким образом, за счет введения указанных в заявке элементов и связей удалось обеспечить полную инвариантность привода к эффектам взаимовлияния между степенями подвижности и моментам трения. Это позволяет получить стабильное высокое качество.управления в любых режимах работы привода.Практическая реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений, так как в нем использованы только типовые электронные элементы. Формула изобретения Устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно.соединенный первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные релейный элемент и четвертый сумматор, второй вход которого подключен к входу релейного элемента, второму входу второго сумматора и выходу первого датчика скорости, выход - к второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные 5 первый задатчик сигнала и пятый сумматор,а также второй датчик скорости, датчик массы, второй задатчик сигнала, квадратор, шестой сумматор и с второго по пятый блоки умножения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, 10 с целью повышения точности устройства,оно содержит датчик ускорения, а также первый и второй функциональные преобразователи, вход каждого из которых соединен с выходом датчика положения, выход 15 датчика массы подключен к второму входупервого блока умножения, первом входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоком умно жения, второй вход каждого из которыхподключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их восходы соответственно - ко второму входу шестого сумматора и перво му входу четвертого блока умножения, соединенного вторым входом через квадратор с выходом второго датчика скорости, а выходом - с третьим входом четвертого сумматора, четвертый вход которого подключен к 30 выходу пятого блока умножения, соединенного первым входом с выходом датчика ускорения, а вторым входом - с выходом шестого сумматора, третий вход которого подключен к выходу второго задатчика сиг нала, а выход сумматора соединен с третьимвходом третьего сумматора.1782721 иг. 2 Корректор М,1 кач Заказ 4477 Тираж : Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/б роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 1тор Г. Бельска Составитель В. филаретоТехред М.Моргентал