Устройство для управления приводом робота

 

Устройство для управления приводом робота. Использование: изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов. Сущность изобретения: устройство дополнительно содержит два фрикционных преобразователя и датчик ускорения, обеспечивающие повышение точности устройства. 2 ил.

„„ЯЦ(,, 1782721 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ сОциАлистичесКих

РЕСПУВЛИК (Я)5 В 25 J 13/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СС СР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (54) УСТ,РОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

ПРИВОДОМ РОБОТА (57) Устройство для управления приводом робота. Использование:изобретениеотносится к робототехнике и может быть использовано при создании приводов роботов. Сущность . изобретения: устройство дополнительйо содержит два фрикционных преобразователя и. датчик ускорения, обеспечивающие повышение точности устройства. 2 ил;

1 (2 1.) 4837779/08 (22) 12,06.90 (46) 23.12.92, Бюл. Зф 47 (71) Дальневосточный политехнический институт им. В.В.Куйбышева (72) В.Ф.Филаретов (56) Авторское свидетельство СССР

Ю 1484702, кл. В 25 J 13/00, 1987.

Ф

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 умножения

: Известно. уСтройство для управления соединен с первым входом третьего сумма- Я 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 ©р 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 -лишь компенсация перерыми входами второго сумматора и блока менного момента инерции. деления, второй вход первого сумматора со- . Известно также устройство для управединен с выходом измерителя внешнего 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, Н9, ВЫХОД КОТОРОГО СОЕДИНЕН С llOPBblNl ВХО- " 9 ВЫХОД С ПОСЛЕДОВЭТОЛЬНО СОЕДИНЕННЫМИ домблокаумножения,второйвходкоторого первым усилителем, электродвигателем с соединен с выходом блока деления, первый редуктором и.датчиком положения, выход

1782721 которого соединен со вторым отрицательным динен с первым входом второго сумматора, входом первого сумматора, выход которого подключенносо вторым входом к входу устчерез инерционное дифференцирующее зве- ройства, последовательно соединенные

Но и второй блок умножения соединен со второйдатчик положения, третий сумматор, вторым входом второго сумматора, второй 5 четвертый сумматор, первый квадратор и втовход второго блока умножения соединен с рой блок умножения, второй вход которого выходом первого блока деления, вход дели- подключен к выходу датчика массы и первомого и делителя которого соединены соот- мувходутретьего блокаумножения, а выход ветственно со вторым и третьим выходамй — к первому входу пятого сумматора со вычи л слительного блока, вход датчика поло- 10 ненного вторым входом с.выходом первого жения соединен через датчик скорости со задатчика сигнала, а третьим входом...;. с скоростным входом вычислительного блока, выходом второго квадратора, вход которого первый идентифицирующий вход которого подключен к. выходу третьего сумматора и соединен с выходом первого источника первому входу шестого сумматора, соедиопорного напряжения, а входы момента и 15 ненного выходом с первым входом четверускорения этого блока подключены соответ- того блока умножения, а вторым входом — C ственно к выходам датчика тока двигателя и выходом третьего блока умножения, второй датчика ускорения, вход которого соединен . вход которого подключен к выходу четверс входом датчика положения и обьектом уп- того сумматора, соединенного вторым вхоравления, причем вычислительный блок вы- 20 дом с выходом второго задатчика сигнала, полнен в виде третьего сумматора, выход выход третьего задатчика сигнала подклюкоторого через интегратор соединен с вхо- чен к второму входу третьего сумматора, а дом делимого второго блока деления, выход выход второго датчика скорости соединен с которого соединен со вторым выходом вы- вторым входом четвертого блока умножечислительного блока и первым входом 25 ния. Кроме того оно содержит пятый блок третьего блока умножения, выход которого умножения, сеДьмой сумматор и последовасоединен с первым отрицательным входом тельно соединенные релейный блок и восьчетвертого сумматора, второй вход которо- мой сумматор, выход которого подключен к го соединен со входом интегратора, а выход второму входу первого сумматора, соеди— co входом делимого третьего блока деле- 30 ненного выходом с входом усилителя, выход ния, выход которого соединен с первым вхо- первого датчика скорости подключен к входом пятого сумматора, второй вход дурелейногоблока,квторомувходувосьмо- . которого. соединен с первым входом (иден- го сумматора и первому входу седьмого тифицирующим) вычислительного блока, а сумматора, второй вход которого соединен выход — с третьим выходом вычислительно- 35 с выходом второго сумматора, а выход — с го блока и через второй усилитель — с пер- первым входом первого блока умножения, вым выходом этого блока, вход деления подключенного вторым входом к выходупявторого блока деления соединен со скоро- . того сумматора, первый вход пятого блока стным входом вычислительного блока, пер- умножения соединен с выходом четвертого вым отрицательным входом третьего 40 блока умножения, второй вход — с выходом

- сумматора, с входом делителя третьего бло- первого датчика скорости, а выход — с третька деления и через релейный элемент — со им входом восьмого сумматора. вторым отрицательным входом третьего ДанйОе устройство по своей техничесумматора, вход ускорения и моментный Ской сущности является наиболее близким вход вычислительного блока соединен сооТ 45 к предлагаемому изобретению. Его недоветственно со вторым входом третьего бло- статком является то, что оно предназначено ка умножения и третьим входом третьего только для конкретного привода конкретносумматора, го робота, Для йриводов других степеней едостатком этого устройства является подвижности других роботов(сдругой кинемалая точность при больших скоростях дви- 50 матикой) зто устройство не будет обеспечижения манипулятора, когда параметры при- вать требуемую точность и устойчивость вода нельзя считать квазистационарными. работы.

Известно также устройство для управ- В результате возникает задача построеления приводом робота, содержащее йосле- ния такой самонастраивающейся коррекдовательно соедийенные первый блок 55 ции, которая обеспечила бы высокую умножения и первый сумматор, последова- точность и устойчивость работы привода ротельноподключенныеусилительидвигатель, бота с другой кинематической схемой иссвязанный с первым датчиком скорости не- полнительного органа. посредственно и через редуктор с первым Целью изобретения является устранедатчиком положения, выход которого сое- ние указанного выше недостатка, то есть

1782721 обеспечение 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 ус5 тройства, последовательно подключенные релейные элемент 10 и четвертый сумматор

11, второй вход которого подключен ко входу релейного элемента 11, второму входу второго сумматора 2 и выходу первого дат10 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 эадат15 чик 16 сигнала, квадратор 17, шестой сумматор 18 и со второго по пятый блоки умножения 19-22. Кроме того оно содержит датчик 23 ускорения, а также первый 24 и второй 25 функциональные.преобразовате20 ли, вход каждого из которых соединен с выходом датчика 9 положения, выход датчи. ка 15 массы подключен ко второму входу первого блока 3 умножения, первому входу шестого сумматора 18 и второму входу пя25 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 функционального

30 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 датчика

35 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 вто40 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 управ45 ления 26 соединен с выходным валом редуктора 8.

На фиг.2 представлена кинематическая схема исполнительного органа робота.

50 На рисунках введены следующие обозначения: а,» — сигнал желаемого положения;

g1,ц2,цз — соответствующйе обобщенные координаты исполнительного органа

55 робота;

Ф, ц2,цз — скорости изменения соответствующих обобщенных кооодинат; а-ошибка привода (величина рассогла, сования);

7 1782721 8 пе в г

fA1,fA2,ITl3,п)р — соответственно массы воспользУемсЯ УРавнен е Л и м агранжа 2-го рвого, второго; третьего звеньев испол- рода. Кинетическая я энергия всех движуТ нительного органа и захваченного груза; щихся масс исполнительно о г органа (см.

2, 3 — расстояние отосей вращения го- фиг.2) представляется в ви Е ризонтальных звеньев до их центров масс; 5 3 2 *2 в виде

12,13 — длины соответствующих горизон- Т +

13 + m2 12 тальных звеньев;

2 сЬ -"скорость вращения ротора двигателя; . ... + !3+п)3!3 +п)г13 . ц2+цЗ

U*.U — соответственно усиливаемый 10 2 сигнал и сигнал управления двигателем 5.

Устройство работает следующим обра- m3 + mã 12 ц2 * зом. Сигнал ошибки е сумматора 1 после 2 +(т)31 3 @@" (ц ц2(ц2)цз)+ коррекции в блоках 2,3,4, усиливаясь, поступает на электродвигатель 6, приводя его вал 15 во вращательное движение с направлением +

m1 + п12 + п з + п1 и скоростью (ускорением), зависящими or г .. где 12,13 — моменты инерции соответствуюТоВ трения и BHeLUHGro MGMeHTHoro воздеЙствия М<. Электропривод при работе с 20 По. сч отенциальная энергия является функмовлияния степеней подвижности исполнительного органа обладает переменными моментными характеристиками, которые ., рз+тз|з + mr)a )(tj2+ ja)+ l2(mal s+ могут меняться в широких пределах. Это 25 снижает качественные показатели электро+ п)г13) соэ

-привода и даже прйводит к потере устойчи- . —. (—.)= (13 + аз!3* + п1г13 ) цз— вости его работы. В результате возникает + ЦЗ *2 задача, связанная с обеспечением инвари- (*3 антности динамических свойств электро- 30 привода к непрерывным и быстрым . — =-12(m31 3+mr!3)s!A(q3)(q2 +ц2цз); изменениям его моментных нагрузочных ха; рактеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качество системы на основе УРавнениЯ ЛагРанжа 2-го Рода равлеН1ия Д5 можн за иса ь, ч о мо ен н е воздейс— рассматриваемыЙ привод управляет вие на Выходной вал привода управляющеобобщенной координатой цз. Конструкция . го кооРдинатой Цз, пРи движении Робота робота является наиболее типовой для оте- . (. *2 че,твенных и зарубежных промышленных Мв = (13+ m313* + щХ!3) g3+ 12(m3! + ов(см н пример роботы типа sk11>m 40 Р-2, SR-3 SR-4 ТУР гранат — 2.5 sr p.). Эта и г13) соэ Яз) Й . . (1) конструкция позволяетосуществлять верти- С учетом соотношения(1), а такжеуравкальное прямолинейное перемещение rpy» нений электрической за (координата q> и два вращательных в горизонтальной плоскости (координаты q2 и 45 " механическои цз).. ": 1Км — (1+(13+ п)313 2+п1г132) /12Р) I23+ 1f f23 +

Моментные характеристики привода, +Мат +(!3+ п13!3* + п1 1 2+1 (1* + ) ав к ди т и щ тве .. )ц2 1+12(313+ 13) зависят от изменения координат q3,ц2,ц2 и

mf. В связи с этим для качествЕнного управ- 50 цепей электродвигателя постоянного тока с комп ления координатой q3 необходимо точно постоянными магнитами или независ енсировать отрицательное влияние из- возбуждения рассмат ива висимого менения igloo инат и м триваемыи привод, упрдинат цз,ц2 и ц2, а также пере- равляющий координатой цз, можно описать менной массы груза mr на динамические следующим дифференциальным уравненисвойства рассматриваемого привода пово- 55 ем рота(координата q3). " " К К О*=%+(!3+ m313 + mfI3 >/1 р + дая ооредеяенных моментных еоздеа- . +(KmK +RKs)m+RM +R(l + ствий на

Н раССМатрИВаЕМЫй ПрИВОд (ОбОб- . + !2т(П)З! 3+ П)р!3) СОзцЗ)ц2 1р+ R12(m31*3+ щенных моментов неконсервативных сил) +m !3) $1П q3)q /!

1782721

10 где R — активное сопротивление якорной заданные динамические свойства и показацепи двигателя; тели качества.

I — момент инерции якоря двигателя и . . Первый положительный вход сумматора вращающихся частей редуктора, приведен- 13 (со стороны датчика 15) имеет коэффициных к валу двигателя; 5 ент усиления Izl3/Ip, à 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 — (!з+ п}з!з* )/Ip.

1р — передаточное отношение редукто- Первый (со стороны блока 19 умноже ра; 10 ния) и третий (со стороны задатчика 16 сигМ тр момент сухого трения; нала) положительные входы сумматора 18

: K> — коэффициент усиления усилителя 5; имеют единичные коэффициенты усиления, I — токякоря; .. а второй црложительный вход(со стороны аз — ускорение вращения вала двигате- датчика 15) — коэффициент усиления 1з /Ip. ля третьей степени подвижности.. 15 Таким образом, на выходе сумматора 13

Из (2) видно, что параметры этого урав- формируется сигнал 12((пз1*з + mr!3)/ip. Понения, а следовательно, и параметры приво- . скольку функциональный преобразователь да, управляющего координатой цз, 24 формирует сигнал cos цз, то на выходе являются существенно переменными, зави- блока умножения 19 появляется сигнал сящими от величин mr,ñð,ñð,ñð. В результате 20 Ii(ез! з+ я}г1з) cos (цз)/Ip, а на выходе суммав процессе работы привода меняются тора 18- сигнал (!з+ гпз1з* +mrls + 4msl з+ (притом существенно) его динамические +гпг1з)хсоэ(цз))/1р. свойства. В результате для реализации " Датчик 23 ускорения измеряет ускорепоставленной выше задачи необходимо ние вращения второй степейи подвижности сформировать такое корректирующее уст- 25 робота (координату ср). поэтому на выходе ройство, которое застабилизировало бы па- блока 22 умножения фЬрмируется сигнал раметры привода таким образом, чтобы он - . (13+ (т}з1з* +вг1з + 12(ез! з+ гпг!з)хсоэ цз!ц2/1р. описывался дифференциальным уравнени- Датчик 14 скорости измеряет скорость ем с постоянными желаемыми параметра- . вращения во второй степени подвижности ми..: 30 (координату (jz), а функциональный преобПолагается, что первый положительный разователь 25 формирует сигнал sin цз. Павход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) этому на выходе блока 20 умножения единичный, а его второй отрицательный . появляетсясигнал 12(п}з1*з+(т}г!з)sin(qç)/Iр, вход имеет коэффициент усиления К } /Ку.. а на выходе блока 21 умножения — сигнал

Первый, третйй и четвертый положительные 35 !2 (ез! з+ mrb) sin (цз) ср /ip. входы сумматора 11(соответственнососто- . С учетом отмеченных выше коэффицироны релейногоэлемента10,блока21 умно- ентов усиления соответствующих входов жения и блока 22 умножения) единичные,- . сумматора 11 на его выходе формируется второй его положительный вход(со стороны сигнал датчика 7 скорости) имеет коэффициентуси- 40 (К} КОИ + К8) аз+ MT sign Йз+1 (вз!*з+ ления(К((Кр/R+ К ). Причем выходной сиг- - +вг1з) sin (цз) цг /!р + (1з + mr!a*+mais + нал релейного элемента 10 с нулевой +1 (тз1*з+ mrb) соэцз Яз /ip нейтральной точкой имеет вид .. - На выходе сумматора 2 формируется

М аз >0:, :.-: — Кя при, <0 - — -, . 45 сигнал е — — K .W, а-на выходе блока 3 где! Мт — величина момента сухоготрения . умножениЯ вЂ” сигнал mr (e — + 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 1з /(!г(1р ), второй по- тельно будет сформирован сигнал U вида г * ложительный (со стороны сумматора 11) — + + !р р + 1 !2 коэффициент усиления R/К(}К}/), а третий по- U * . з з з x ложительный (со стороны сунматора фкоеффиииент усиления (I + (1з+ етз(з }/ 5о к(е — т)+ ((Кнкн/R+ Кт}аз+.

/(р )/!н, .г т *му 2

К}, К К. Мт si n с(з Ь ((т}з1з +.mãÜ) э!г} (цз) с@ /1р + (1з+ приведенного момента инерции. обеспечи- + з з +(пг з } @ з з п}г@ cosq3 >q IP вающее рассматриваемому приводу робота Несложно показать, что поскольку

M>sign a при движении привода достаточ1782721

12 но точно соответствует Мпр, то подставив полученное значение U*(3) в соотношение (2), получим уравнение

Rla ЙЗ+ KM K @3 KyK@ 8 которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть сам привод, управляющий координатой оз 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 входу первого блока умножения, первом входу шестого сумматора и второму входу пятого сумматора, соединенного выходом с первыми входами второго и третьего блоком умно20 жения, второй вход каждого из которых подключен соответственно к выходу первого и второго функционального преобразователя, а их вйходы соответственно — ко

- второму входу шестого сумматора и перво25 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 сиг35 нала, а выход сумматора соединен с третьим входом третьего сумматора.

1782721

Фиг. 2

Заказ 4477 Тираж : Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета rio изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Редактор Г. Бельская

Составитель В. Филаретов

Техред М.Моргентал .: Корректор М. ткач