Устройство для управления роботом

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНРЕСПУБЛИК1228074 05 В 1918 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ А ВТОРСИОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 1 11 00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(56) ВегИпо М., РигхЫ М С 0016 М. М 1 сгосошри 1 ег соп 1 го 1 Гог а 5 ахая шапрц 1 а 1 ог НЬ сог 1 езап раСЬ соп 1- го 1.- Ргос. 1 пС. СопГ. СУЬегп, апй Яос., Воз 1 оп, 1980, р. 1078-1084.Херманн и др. Управление щомьппленным роботом с помощью микропроцессора. Перевод Г, ВЦПНГЛД. М., 1981.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РОБОТОМ(57) Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники, в частности к устройствам с самоконтролем, и может найти применение при проектировании микропроцессорных систем управления промышленными роботами. Решается задача повьппения надежности управления роботом путем восстановления процесса управления роботом при случайных сбоях в устройстве с помощью специального программного блока, а при отказе микроЭВМ - путем экстренного останова робота за счет обнуления управляющих сигналов. Микро ЭВМ по программе, привнесенной в первое запоминающее устройство, последовательно опрашивает через первую группу шинных формирователей датчики состояния робота и заносит информацию о положении робота во второй и третии запоминающие блоки. Обучение робота производится с помощью переключателей, подключенных к входам переключения устройства, опрашиваемыхтакже микроЭВМ через вторую группушинных формирователей. Группы уставок для каждого кадра управления роботом по команде от микроЭВМ передаются из второго и третьего запоминающих блоков через группу регистровна выходы устройства, подключенныекроботу. Управление группами шинныхформирователей, запоминающими блокамии группой регистров производится спомощью первого, второго и третьегодешифраторов. Контроль правильностиработы устройства производится путемконтроля временных интервалов междуимпульсами на выходах дешифраторов,для чего эти импульсы с помощью мультиплексора, управляемого двумя счетчиками и компаратором, последователь-но подаются на вход сброса регистрасдвига. Если в результате сбоя временные интервалы увеличиваются, тоимпульсы сдвига от генератора импульсов приводят к возникновению на выходе регистра сдвига сигнала, подаваемого на вход прерывания микроЭВМ.Если сбой бып случайным, то микроЭВМ восстанавливает работу устройства. В случае отказа микроЭВМ последующий сдвиг в регистре сдвига приводит к обнулению группы выходныхрегистров и блокировке с помощьюэлемента И поступления импульсов нарегистр сдвига. 3 ил.Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, в част ности к устройствам с самоконтролем, и может найти применение при проектировании микропроцессорных систем , 5 управления промышленными роботами.Целью изобретения является повышение надежности устройства.На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства; на фиг. 2 - структура микроЭВМ; на фиг. 3 - граф- схема алгоритма работы устройства.Устройство для управления роботом содержит микроЭВМ 1, первый запоминающий блок 2, первую группу шинных 5 формирователей 3, информационные входы 4 устройства, входы 5 переключения устройства, вторую группу шинных формирователей 6, группу регистров 7, выходы 8 устройства, первыи 9, 20 второй 10 и третий 11 дешифраторы, второй 12 и третий 13 запоминающие блоки, первый 14 и второй 15 счетчики, компаратор 16, мультиплексор 17, генератор 18 импульсов, эле 25 мент И 19, регистр 20 сдвига, шину 21 управления, шину 22 данных и адресную шину 23 устройства.МикроЭВМ 1 содержит микропроцессор 24, генератор 25 синхроимпульсов, системный контроллер 26.Входы 4 и выходы 8 устройства представляют собой совокупность проводников (линий) и предназначены для связи его с объектом управления - 35 роботом.Граф-схема алгоритма работы устройства содержит блоки ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ и ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ, выходы которых связаны с входом логического блока: ОБУЧЕНИЕ, выход ДА которого связан с входом логического блока ЗАПИСЬ, выход ДА которого, в свою очередь, связан с входом блока ПЕРЕПИСАТЬ КАДР В ПАМЯТЬ, а вы ход НЕТ - с входом блока СФОРМИРОВАТЬ УСТАВКУ, выходы двух последних блоков связаны с входом блока ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ, выход которого связан с входом логического блока ОБУЧЕНИЕ, 50 выход НЕТ которого связан с входом логического блока КАДР ОТСЛЕЖЕН, выходы НЕТ и ДА которого связаны соответственно с входами блоков ОБНОВИТЬ УСТАВКУ и ВЫБРАТЬ СЛЕДУЮЩИЙ КАДР,55 выходы которых связаны с входом блока ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ. Все блоки графскемы представлены в устройстве программой, размещенной в первом запоминающем .блоке 2.Устройство для управления роботомработает следующим образом,После включения питания микроЭВМисполняет программный блок ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ. В процессе выполненияэтого блока микроЭВМ 1 выставляет навыходах адреса адрес первого шинногоформирователя первой группы шинныхформирователей 3. Младшие разрядыэтого адреса декодируются первым дешифратором 9, и с его выхода разрешающий сигнал поступает на разрешающий вход первого шинного формирователя первой группы шинных формирователей. 3, Старшие разряды адресафдекодируются вторым дешифратором 10.Затем микроЭВМ 1 вырабатывает сигнална выходе чтения (Чт), который поступает на управляющий вход второго дешифратора 1 О. В результате этого активный уровень появится на четвертомвыходе второго дешифратора 10. Этотсигнал поступит на управляющий входпервого шинного формирователя первойгруппы шинных формирователей 3. В результате совпадения сигналов на разрешающем и управляющем входах первогошинного формирователя первой группышинных формирователей 3 он пропускаетсигналы датчика положения робота свходов 4 на выходы, откуда они поступают черезшину 22 данных вмикро-ЭВМ 1,Затем микроЭВМ 1 выставляет насвоих выходах адреса адрес первойячейки блока 12 и вырабатывает сигнална выходе записи (Зп), Младшие разряды адреса обеспечивают выборку первой ячейки блока 12, а старшие разряды декодируются дешифратором 11, который пропускает на второй выходсигнал записи, Этот сигнал поступаетна вход записи блока 2 и обеспечивает запись в него кода положения сшины 22 данных.Затем микроЭВМ 1 выставляет на выходах адреса адрес первой ячейки блока 13 и вырабатывает сигнал записи.В результате этого та же информацияо положении робота записывается такжев первую ячейку блока 13. Процесс записи протекает аналогично описанному,однако сигнал записи поступает наблок 13 в соответствии с адресом стретьего выхода третьего дешифратора 11. Затем весь этот процесс по 1 вторяется для остальных шинных форми-.3 12 рователей 3. В результате в блоках 12 и 13 будет подготовлена уставка - . массив данных, описывающих положение робота по каждой степени свободы. Кроме того, при исполнении программного блока ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ мик- роЭВМ 1 взводит. внутренний флаг "За,претить прерывание", производит очистку счетчика кадров, расположенного в одном из регистров общего назначения микроЭВМ 1 и вьцтолняет другие подготовительные операции. Затем управление передается логическому блоку ОБУЧЕНИЕ. В процессе исполнения блока ОБУЧЕНИЕ микроЭВМ 1 производит опрос одного из шинных формиро вателей второй группы шинных формирователей 6, входы которого связаны с переключателями группы переключателей, подключенных к входам 5 переключения, определяющим режим работы устройства: ОБУЧЕНИЕ или ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ. Считывание данных с шинных формирователей происходит так же, как это происходит при исполнении блока ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ. В зависимости от положения переключателя управление передается логическому блоку ЗАПИСЬ или КАДР ОТСЛЕЖЕН.Пусть переключатель был уртановлен в положение ОБУЧЕНИЕ. В этом случае исполняется. логический блок ЗАПИСЬ аналогично блоку ОБУЧЕНИЕ, однако анализу в микроЭВМ 1 подвер" гается информация, соответствующая переключателю ЗАПИСЬ. Если он не был нажат, то управление передается блоку 33 СФОРМИРОВАТЬ УСТАВКУ. В процессе выполнения этого блока микро-ЭВМ 1 производит описанным образом последовательный опрос второй группы шинных формирователей 6 и получает информацию об указаниях оператора, производящего обучение. Сначала считывается указание оператора по первой степени подвижности робота. Сущность его может сводиться к следующим моментам: "Переместить степень вперед", или "Переместить степень назад", или "Стоп". Далее мик- роЭВМ 1 выставляет на своих выходах адреса адрес первой ячейки второго запоминающего блока 12, а на выходе чтения (Чт) - активный уровень, В результате этого во втором запоминающем блоке 12 производится выборка ячейки, где хранится уставка по первой степени подвижности робота, а на втором выходе второго дешифрато 28074 . 4ра 1 О появляется активный потенциал, Данные уставки по первой степениподвижности через шину 22 данньа поступают в микроЭВГ 1 1. В зависимости5от указаний оператора принятых микУроЭВМ 1 на предыдушем шаге, уставкабудет инкрементирована, декрементирована или оставлена без изменений,Сформированную по указанию операторауставку микроЭВМ 1 записывает во второй 12 и третий 13 запоминающие блоки, Запись этой информации производится так же, как описано при выполнении блока ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ.Аналогично производится формированиеуставок по остальным степеням подвижности робота. В результате исполненияблока СФОРМИРОВАТЬ УСТАВКУ во втором 12 и третьем 13 запоминающих блоках будет сформирован новый наборуставок по всем степеням подвижностиробота (КАДР),Если же при анализе состояния переключателя ЗАПИСЬ в программном логическом блоке ЗАПИСЬ будет установлено, что оператор нажал на кнопкупереключателя, то управление передается блоку ПЕРЕПИСАТЬ КАДР В ПАМЯТЬ.В этом случае оператор дал указание.запомнить очередной кадр движения30. робота для последующего воспроизведения. Это реализуется микроЭВМ 1путем последовательного считыванияинформации из блока 12 и записи еев последовательные ячейки блока 2;Этот процесс реализуется микроЭВМ 1путем выставления на выходах адресасоответствующих адресов и формирования сигналов чтения (Чт) и записи(Зп). Сигналы чтения поступают на40блок 12 с второго выхода дешифратора 10, а сигналы записи на блок 2поступают с первого выхода третьегодешифратора 11. За время выполненияпрограммного блока ПЕРЕПИСАТЬ КАДР В45 ПАМЯТЬ весь набор уставок (КАДР) оказывается переписанным из блока 12 вблок 2, причем расположен. там вследза ранее записанным кадром.Если при выполнении ранее .описанного программного блока ОБУЧЕНИЕбудет обнаружено, что переключательсоответствует режиму ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ,то управление передается блоку КАДРОТСЛЕЖЕН. В процессе выполнения это 55 го блока микроЭВМ 1 анализирует состояние внутреннего флага "Конец1кадра , вырабатываемого в процессевыполнения блока ОБНОВИТЬ УСТАВКУ.Если значение флага логический ноль, то управление передается блоку ОБНОВИТЬ УСТАВКУ, если - логическая единица, то блоку ВЫБРАТЬ СЛЕДУЮЩИЙ 5 КАДР.Операционный блок ОБНОВИТЬ УСТАВКУ выполняется следующим образом, Вначале инкрементируется регистр общего назначения микроЭВМ 1, который содер- О жит информацин. о номере степени подвижности робота, уставка по которой 1была обновлена в предыдущем цикле.Если при этом номер цикла равен максимальному, то устанавливается внутренний флаг "Конец кадра". Затем согласно содержимому этого регистра общего назначения формируется адрес, по которому хранится уставка указанной степени из нового кадра в блоке 2. При обращении микроЭВМк блоку 2 формируется сигнал чтение (Чт), который через второй дешифратор 10 с первого его выхода поступа 25 ет на вход чтения блока 2, где опрашивает выбранную адресом ячейку.Содержимое ячейки через выводы данных загружается в микроЭВМ 1, которая переписывает его в соответствующие ячейки блоков 12 и 13. Этот процесс происходит так Же, как в блоке ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ.Операционный блок ВЫБРАТЬ СЛЕДУЮЩИЙ КАДР выполняется микроЭВМ 1 путем инкрементирования регистра обще го назначения, в котором хранится номер кадра. Кроме того, в процессе исполнения указанного операционного блока сбрасывается внутренний флаг "Конец кадра". 40Все рассмотренные четыре операционных блока ПЕРЕПИСАТЬ КАДР В ПАМЯТЬ, СФОРМИРОВАТЬ УСТАВКУ, ОБНОВИТЬ УСТАВКУ, ВЫБРАТЬ СЛЕДУЪЩИЙ КАДР передают управление блоку 36 ОТСЛЕДИТЬ 45 УСТАВКУ, Основной задачей, которую решает этот блок, является формирование таких управляющих сигналов, чтобы робот двигалсяв точку, соответствующую текущей уставке, храни мой во втором 2 и третьем .3 запоминающих блоках. Эта задача решается микроЭВМ 1 последовательно по каждой степени подвижности путем выполнения следующих операций: чте ние уставки по данной степени подвижности из блоков 12 и 13; сравнение данных, считываемых нз блоков 12 н 13, в случае обнаружения их неравенства (" Ошибка" ), управление передается блоку ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ; ввод данных о положении степени подвижности через соответствующий шинный формирователь первой группы шинных Формирователей 3; расчет сигнала рассогласования между уставкой и текущим положением соответствующей степени подвижности робота; вывод сигнала рассогласования через соответствующий регистр группы регистров 7 на выходы 8 устройства.Во время выполнения этих операций микроЭВМ 1 формирует соответствующие адреса обращения, а также сигналы чтения (Чт) н записи (Зп). Согласно описанным операциям из этих сигналов будут сформированы сигналы с второго и третьего выходов дешифратора 10 (чтение уставки), затем с четвертого выхода дешифратора 1 О (ввод данных о положении) и, наконец, с четвертого выхода дешифратора 11 (вывод сигнала рассогласования).По окончании выполнения этих операций микроЭВ 11 определяет равно ли рассогласование нулю; если равно, то устанавливается признак (Флаг) окончания отслеживания в одном из регистров общего назначения; если рассогласование не равно нулю, то признак (флаг) сбрасывается.Указанные операции повторяются по каждой. степени подвижности, что достигается микроЭВМ 1 путем инкрементирования младших разрядов адреса. После того, как обслужены все степени, микроЭВМсбрасывает флаг "Запретить прерывание" и опрашивает состояние флагов окончания отслеживания. Если все опрашиваемые флаги равны 1, т.е. отслеживание закончено, то управление передается блоку ОБУЧЕНИЕ, если нет, то выполнение блока ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ повторяется.Таким образом, при правильной работе устройства выход программы из блока отслеживания возможен только при полной обработке текущих значений уставки. При искажении уставки инициируется блок ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ.МикроЭВМ 1, выполняя блок ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ, вначале взводит флаг "Запретить прерывание" и производит074 8ра 7 появляется импульс при опросе микроЭВМ 1 блока 13, т.е. потенциально открытым в этот раз будет второй информационный вход мультиплексора 17, Первый счетчик 4 переходит в следующее состояние.Далее выделяется импульс опроса первого шинного формирователя первой группы шинных формирователей 3, затем импульс вывода данных на первый регистр группы регистров 7. Последний вызывает переполнение двухразрядного счетчика 14 и инкремент счетчика 15. Состояние последнего обеспечивает выделение последовательности импульсов, соответствующих обработке данных по очередной степени подвижности робота (номер указанной степени.и содержится в счетчике 15). Этот процесс продолжается до конца выполнения блока ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ, т.е., если устройство функционирует нормально, то на выходе мультиплексора 7 наблюдается непрерьвная последовательность импульсов, максимальный интервал между которыми не превышает времени выполнения самого длинного из программных блоков.В случае отклонений в функционировании устройства в результате сбоя или отказа последовательность сигналов нарушается, в результате чего мультиплексор 17 сигналов не пропускает, а первый 14 и второй 15 счетчики останавливаются. На выходе мультиплексора 17 импульсы отсутствуют. Эти импульсы перестают поступать и на вход сброса регистра 20 сдвига, в результате чего он начинает воспринимать импульсы сдвига с выхода генератора 18 импульсов. Для нормальной работы устройства его период выбирается несколько большим, чем максимально возможный интервал времени между импульсами с выхода мультиплексора 17. Первый импульс сдвига приводит к появлению логической единицы на выходе первого разряда. При этом никаких изменений в схеме устройства не происходит. Второй импульс сдвига с выхода генератора 18 приводит к тому, что единичный потенциал появляется и на выходе второго разряда регистра 20 сдвига. Это приводит к появлению сигнала на входе прерьвания микроЭВМ 1. Если микроЭВМ 1 исправна, а отклонения в ее работе обусловлены сбоями, то нормальная работа устройства восстанавливается путем выполне 7228 переписывайие данных о состоянии датчиков положения робота из первой группы шинных формирователей 3 в блоки 12 и 3, Это производится так же, как в блоке ПОДГОТОВИТЬ УСТАВКУ. Сле 5 довательно, если произошел сбой информации в блоках 12 и 3, то она будет возобновлена путем выполнения блока ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ и нормальная работа устройства может быть про- О должена.Из структурной схемы программы работы устройства видно, что нормальная его работа заключается в многократном циклическом воспроизведении рабочих5 блоков, причем блок ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ повторяется в любом из четырех возможных циклов, а выполнение остальных блоков определяется положением органов управления группы переключателейф 20 подключенных к входам 5 и положением робота. Ввиду конечности всех рабочих блоков блок ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ при нормальном функционировании устройства должен повторяться через гаранти рованный промежуток времени. Это необходимо для обеспечения точности динамических параметров движения робота. Если же происходит отклонение от нормальной работы устройства, то необходимо восстановить программно30 его нормальную работу, а в случае отказа микроЭВМ 1 - остановить движение робота, выдав на выходную шину 8 нулевые управляющие сигналы.Если устройство функционирует в соответствии с граф-схемой, то пе- риодически будет выполняться блок ОТСЛЕДИТЬ УСТАВКУ. Пусть первый 14 и второй 5 счетчики находятся в обнуленном состоянии, а микроЭВМ 1 начинает выполнение отслеживания по степени номер О. В этом случае код на младших разрядах выходов адреса микроЭВМ 1 совпадает с кодом во втором счет-ике 15, Это приводит45 к срабатыванию компаратора 6. Сигнал с выхода последнего разрешает работу мультиплексора 17. Поскольку на адресные входы мультиплексора поступает нулевой код с выхода первого счетчика 14, то потенциально открыт первый информационный вход. Следовательно, во время чтения мик- роЭВМ 1 блока 12 на выходе мультиплексора 17 появляется импульс, который увеличивает на единицу содержимое первого счетчика 14. В результате на выходе мультиплексо45 9 , . 12280ния блока ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ и перехода к нормальному рабочему циклу,При этом на выходе мультиплексора 17возобновляются импульсы и регистрсдвига 20 обнуляется,Если же микроЭВМ 1 в результатеотказа не может восстановить нормальную работу устройства, то импульсына выходе мультиплексора 17 не появляются, а регистр 20 сдвига сдвигаетинформацию еще на один разряд. Логическая единица, поступающая с выходатретьего разряда регистра сдвига 20,воздействует на инверсный вход элемента И 19, благодаря чему поступление импульсов на вход сдвига регистрапрекращается и его состояние фиксируется. Кроме того, эта логическаяединица поступает на входы сбросагруппы регистров 7. Это приводит кустановке нулевых управляющих сигналов на выходах 8 устройства и, следовательно, аварийному останову робота.Первоначальная установка первого 14 и второго 15 счетчиков и регистра 20 сдвига не нужна, так как принормальной работе устройства до окончания первого цикла отслеживания запрещено аварийное прерывание. В процессе же исполнения первого циклаотслеживания при совпадении адресаи нужной фазы процесса на выходемультиплексора 17 появляется импульс.При этом первый 14 и второй 15 счет-,чики входят в синхронизм, а регистр 20сдвига сбрасывается, Аналогичная ситуация возникает и в процессе. обработки аварийного прерывания, когдасостояние первого 14 и второго 15счетчиков произвольно, а выход второго разряда регистра 20 сдвига активирован.Таким образом, устройство осуществляет эффективнОе управлениероботом с самоконтролем основныхсвоих функций,Применение устройства обеспечивает значительно более надежное функционирование робота, так как в случае сбоя программного счетчика илиискажения уставок устройство осуществляет восстановление процессауправления роботом путем исполненияспециального программного блока ВОССТАНОВИТЬ УСТАВКУ. Кроме того, устройство защищено от отказов микроЭЯМ 1, являющейся центральным элементом системы. В случае отказа послед 74 10ней устройство обеспечивает экстренный останов робота за счет обнуленияуправляющих сигналов, поступающих наприводы робота и вызывающих его перемещения. формула изобретения Устройство для управления роботом, содержащее микроЭВМ, адресные выходы и выводы данных которой соединены соответственно с адресной шиной и шиной данных устройства, первый дешифратор, входы которого подключены к адресной шине устройства, а выходы - к шине управления устройства, первый запоминающий блок, первую и вторую группы шинных формирователей и группу регистров, выходы которых являются выходами устройства, а разрешающие входы и разрешающие входы первой и второй групп шинных формирователей подключены к шине управления устройства, причем выходы первой и второй групп шинных формирователей, выводы первого запоминающего блока и информационные входы группы регистров соединены с шиной данных устройства, информационные входы первой группы шинных формирователей являются информационными входами устройства, а информационные входы второй группы шинных формирователей - входами переключения устройств.", о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, в него введены второй и третий дешифраторы и три запоминающих блока, последовательно соединенные первый и второй счетчики, мультиплексор, компаратор и последовательно соединенные генератор импульсов, элемент И и регистр сдвига, первый выход которого соединен с входом прерывания микроЭВМ, второй выход - с вторым инверсным входом элемента И и входами сброса регистров группы, вход сброса регистра сдвига объединен со счетным входом первого счетчика и подключен к выходу мультиплексора, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, а адресные входы - с разрядными выходами первого счетчика, первые входы компаратора подключены к адресной шине устройства, вторые входы - к разрядным выходам второго счетчика, первый дешифратор управляющим входом соединен с выходом чтения микроЭВМ, первым12выходом -с входом чтения первого запоминающего блока, вторым выходом с входом чтения второго запоминающего блока и с первым информационным входом мультиплексора, третьим выходом. - с входом чтения третьего запоминаю.- щего блока и вторым информационным входом мультиплексора, четвертый выход второго дешифратора подключен к третьему управляющему входу мультиплексора и к управляющим входам первой и второй групп шинных формирователей, третий дешифратор управляющим входом соединен с выходом записи 28074 2микроЭВМ, первым, вторым и третьимвыходами - с входами записи соответственно первого, второго и третьего запоминающих блоков, четвертый выходтретьего дешифратора подключен к четвертому входу мультиплексора и к синхронизирующим входам группы регистров,причем адресные входы второго и третьего дешифраторов и первого, второго 1 О и третьего запоминающих блоков подключены к адресной шине устройства,а выводы второго и третьего запоминающих блоков соединены с шиной данных устройства.е 130 ивводственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул,Проектная ИИПИ Госудпо деламМосква,аж 836 Подписственного комитета СССРобретений и открытий35, Раушская наб., д. 4/5 ф Ф