Патент на изобретение №2208242

(54) САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов. Технический результат заключается в обеспечении полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении манипулятора по всем четырем степеням подвижности и тем самым в повышении динамической точности управления. Электропривод содержит датчики положения, датчики скорости, задатчики сигналов, датчик массы, сумматоры, блоки умножения, квадраторы, функциональные преобразователи, релейный блок, усилитель, двигатель. 2 ил.

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные 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, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, 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, 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 второму 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 к второму входу первого сумматора, соединенного выходом с входом усилителя, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход – с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, второй вход – с выходом первого датчика скорости, а выход – с третьим входом восьмого сумматора (см. а.с. СССР 1484702, МКИ В 25 J 13/00, 1989 г.).

Недостатком данного устройства является то, что предназначено оно только для поворотного привода первой степени подвижности конкретного робота. Для приводов других степеней подвижности других роботов это устройство не будет обеспечивать требуемую точность и устойчивость работы.

Известен также самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора (см. патент РФ 2037173, БИ 16, 1995 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно также эффективно только для конкретной степени подвижности исполнительного органа конкретного робота, имеющего три степени подвижности. Однако при трех степенях подвижности у робота значительно сокращается рабочая зона (зона обслуживания). Например, при работе на конвейере желательно, чтобы робот мог перемещаться вдоль конвейера, сопровождая движущееся изделие и выполняя требуемые технологические операции. Однако при введении четвертой линейной степени подвижности в рассматриваемом приводе появляются возмущающие моментные воздействия, значительно ухудшающие его показатели качества. В результате возникает задача компенсации этого вредного моментного воздействия за счет введения соответствующих сигналов коррекции.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении манипулятора по всем четырем степеням подвижности и тем самым повышение динамической точности управления.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании нового сигнала управления, подаваемого на вход привода, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны второй и третьей степеней подвижности (см. координату q₁) на качественные показатели работы рассматриваемого привода.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, девятый сумматор, второй функциональный преобразователь и пятый блок умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, второй квадратор и шестой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора, а его второй вход через третий функциональный преобразователь – к выходу девятого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и второму входу девятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход – ко второму входу восьмого сумматора, последовательно соединенные первый датчик ускорения и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и к второму входу четвертого блока умножения, а его выход – ко второму входу пятого блока умножения, причем выход датчика массы подключен ко вторым входам четвертого и пятого сумматоров, выход второго блока умножения – к четвертому входу третьего сумматора, а выход четвертого сумматора – ко второму входу третьего блока умножения.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналогов и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию “новизна”.

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую точность и устойчивость работы рассматриваемого привода робота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.

На фиг.1 представлена схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота. На фиг.2 представлена кинематическая схема исполнительного органа робота.

Самонастраивающийся электропривод робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок умножения 2, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с шестерней 8, первый датчик 9 положения, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и к второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала и четвертый сумматор 13, последовательно соединенные второй задатчик 14 сигнала, пятый сумматор 15 и второй блок 16 умножения, последовательно соединенные шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик 19 скорости и первый квадратор 20, а также датчик 21 массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора 22, подключенного вторым входом к выходу первого датчика 9 положения, а выходом к первому входу первого сумматора 1, выход третьего сумматора 11 соединен со вторым входом второго сумматора 3, выход датчика 21 массы соединен со вторым входом первого блока 2 умножения, а выход первого сумматора 1 соединен с третьим входом второго сумматора 3, последовательно соединенные второй датчик 23 положения, первый функциональный преобразователь 24, четвертый блок 25 умножения и восьмой сумматор 26, выход которого подключен ко второму входу второго блока 16 умножения, последовательно соединенные третий датчик 27 положения, девятый сумматор 28, второй функциональный преобразователь 29 и пятый блок 30 умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора 17, последовательно соединенные третий датчик 31 скорости, десятый сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 19 скорости, второй квадратор 33 и шестой блок 34 умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора 17, а его второй вход через третий функциональный преобразователь 35 – к выходу девятого сумматора 28, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь 36, вход которого подключен к выходу второго датчика 23 положения и второму входу девятого сумматора 28, и седьмой блок 37 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора 20, а выход – ко второму входу восьмого сумматора 26, последовательно соединенные первый датчик 38 ускорения и одиннадцатый сумматор 39, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 40 ускорения и к второму входу четвертого блока 25 умножения, а его выход – ко второму входу пятого блока 30 умножения, причем выход датчика 21 массы подключен ко вторым входам четвертого 13 и пятого 15 сумматоров, выход второго блока 16 умножения – к четвертому входу третьего сумматора 11, а выход четвертого сумматора 13 – ко второму входу третьего блока 18 умножения.

На чертежах введены следующие обозначения:
q_вх – сигнал желаемого положения;
q_i – соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота ;
– скорости изменения соответствующих обобщенных координат (i=2, 3);
– ошибка привода (величина рассогласования);
m₁, m₂, m₃, m_г – соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза;
l*_i-const-(i= 2, 3) – расстояния от оси вращения соответствующего звена до его центра масс;
l_i-const-(i=2, 3) – длины соответствующих звеньев;
– скорость вращения ротора двигателя первой степени подвижности;
U*, U – соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки 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 U, моментов трения и внешнего моментного воздействия М_в. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый привод управляет обобщенной координатой q₁.

Конструкция робота (фиг.2) является наиболее типовой для отечественных и зарубежных промышленных роботов.

Эта конструкция позволяет осуществлять вертикальное прямолинейное перемещение груза (координата q₄) и вращения в горизонтальной плоскости (координаты q₂, q₃), а также горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q₁).

Моментные характеристики привода, управляющего координатой ₁ ,существенно зависят от изменения координат q₂, q₃, и груза m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат, а также переменной массы груза m_г на динамические свойства рассматриваемого привода (координата q₁).

Робот в горизонтальной плоскости перемещается по координате q₁ с помощью электропривода посредством передачи шестерня – рейка. Причем рейка установлена в горизонтальной плоскости на основании робота, а шестерня 8 – на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус r.

Несложно показать, что в процессе движения робота на указанную степень подвижности действует сила

Сила F в процессе движения робота создает на выходном валу редуктора 7 момент
M_в=Fr. (1)
С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической

и механической

цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый привод, управляющий координатой q₁, можно описать следующим дифференциальным уравнением:

где R – активное сопротивление якорной цепи двигателя; J – момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя; k_м – коэффициент крутящего момента; k – коэффициент противоЭДС; k_в – коэффициент вязкого трения; i_p – передаточное отношение редуктора; М_стр – момент сухого трения; k_y – коэффициент усиления усилителя 4; i – ток якоря двигателя 5; – ускорение вращения вала двигателя первой степени подвижности.

Из уравнения (2) видно, что его параметры, а следовательно, параметры и динамические свойства привода, управляющего координатой q₁, являются существенно переменными, зависящими от q₂, q₃, и m_г. В результате для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры привода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Первый положительный вход сумматора 1 единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления k/k_у. Следовательно, на выходе сумматора 1 формируется сигнал

Датчики положения 23 и 27 соответственно установлены во второй и третьей степени подвижности робота и измеряют обобщенные координаты q₂ и q₃ соответственно. Сумматор 28 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. Следовательно, на его выходе формируется сигнал, равный q₂+q₃. Датчики скорости 19 и 31 соответственно установлены во второй и третьей степенях подвижности робота и измеряют скорости и соответственно. Сумматор 32 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления. Следовательно, на его выходе формируется сигнал, равный . Датчики ускорения 38 и 40 соответственно установлены в третьей и второй степенях подвижности робота и измеряют ускорения и соответственно.

Функциональные преобразователи 24 и 29 реализуют функцию sin, a функциональные преобразователи 35 и 36 – функцию cos. В результате на выходе блока умножения 25 будет сформирован сигнал

на выходе блока умножения 37 –

на выходе блока умножения 30 – сигнал

а на выходе блока умножения 34 – сигнал

Сумматоры 17 и 26 имеют положительные входы с коэффициентами усиления r/i_p. В результате на их выходах формируются сигналы

и
соответственно.

На выходе задатчиков сигналов 12 и 14 формируются сигналы l*₃m₃ и l₂m₃+l*₃m₃, соответственно.

Первый (со стороны задатчика 12) положительный вход сумматора 13 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход – коэффициент усиления, равный l₃. В результате на его выходе формируется сигнал (m₃i*₃+m_rl₃).

Первый (со стороны задатчика 14) положительный вход сумматора 15 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход – коэффициент усиления, равный l₂. В результате на его выходе формируется сигнал [l₂(m₃+m_г)+l*₂m₂].

Первый, третий и четвертый положительные входы сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления, а второй положительный вход (со стороны датчика 6) – коэффициент усиления

В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид

где |M_т| – – величина момента сухого трения при движении.

Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления r²/(i_p ²J_н), его второй положительный вход (со стороны сумматора 11) – коэффициент усиления а третий положительный вход – коэффициент усиления (J(m₁+m₂+m₃)r²/i_p ²)/J_н. В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Несложно показать, что поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_cтр, то, подставив полученное значение U* в соотношение (2), получим уравнение

которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть предложенный самонастраивающийся привод, управляющий координатой q₁, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Формула изобретения

Самонастраивающийся электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор – с шестерней, первый датчик положения, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму входу первого сумматора, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и четвертый сумматор, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, пятый сумматор и второй блок умножения, последовательно соединенные шестой сумматор и третий блок умножения, выход которого подключен к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, а также датчик массы, причем вход устройства соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к выходу первого датчика положения, а выходом – к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения и восьмой сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, девятый сумматор, второй функциональный преобразователь и пятый блок умножения, выход которого подключен к первому входу шестого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, второй квадратор и шестой блок умножения, выход которого подключен ко второму входу шестого сумматора, а его второй вход через третий функциональный преобразователь – к выходу девятого сумматора, последовательно соединенные четвертый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения и второму входу девятого сумматора, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, а выход – ко второму входу восьмого сумматора, последовательно соединенные первый датчик ускорения и одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и второму входу четвертого блока умножения, а его выход – ко второму входу пятого блока умножения, причем выход датчика массы подключен ко вторым входам четвертого и пятого сумматоров, выход второго блока умножения – к четвертому входу третьего сумматора, а выход четвертого сумматора – ко второму входу третьего блока умножения, при этом первый и второй функциональные преобразователи реализуют функцию sin, а третий и четвертый функциональные преобразователи – функцию cos.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 26.01.2004

Извещение опубликовано: 20.04.2005 БИ: 11/2005