ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов роботов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, а выход - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый косинусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого через второй синусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход - к второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход - с третьим входом пятого сумматора, пятый вход четвертого сумматора через седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, подключен к выходу второго датчика скорости, последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и третьему входу шестого сумматора, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий синусный функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а также последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый синусный функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения и десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго датчика ускорения, а выход - с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, одиннадцатый сумматор, второй вход которого через последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь и двенадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, соединен с выходом девятого сумматора, и тринадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора (см. патент России №2272312, БИ №8, 2006 г.).

Его недостатком является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку здесь рассматривается робот с другой кинематической схемой.

Известен также электропривод робота, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель, электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый синусный функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий вход через последовательно соединенные третий синусный функциональный преобразователь и третий квадратор - к входам второго усилителя и второго функционального преобразователя, последовательно соединенный пятый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого подключен к первому входу девятого блока умножения, соединенного выходом с четвертым входом второго сумматора, а вторым входом - с выходом первого датчика скорости, со вторым и через релейный элемент - с третьим входами второго сумматора, а также со вторым входом десятого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом девятого сумматора, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, а также двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а выход - с пятым входом второго сумматора (см. патент России №2423225, БИ №19, 2011 г.).

Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому решению.

Недостатком прототипа также является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку в нем рассматривается робот с кинематической схемой, имеющей лишь четыре степени подвижности.

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 конкретного робота с заданной кинематической схемой по всем его пяти степеням подвижности.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает формирование моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод робота, содержащий первый сумматор, последовательно соединенные первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель, электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый синусный функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика сигнала, а третий вход через последовательно соединенные третий синусный функциональный преобразователь и третий квадратор - к входам второго усилителя и второго функционального преобразователя, последовательно соединенный пятый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу девятого сумматора, пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу четвертого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора, второй вход - к выходу девятого сумматора, вторым входом подключенного к выходу пятого блока умножения, и восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора, выход которого подключен к первому входу девятого блока умножения, соединенного выходом с четвертым входом второго сумматора, а вторым входом - с выходом первого датчика скорости, со вторым и через релейный элемент - с третьим входами второго сумматора, а также со вторым входом десятого сумматора, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом девятого сумматора, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, а также двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя, а выход - с пятым входом второго сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, соединенный входом с выходом первого датчика положения, тринадцатый блок умножения, четырнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом одиннадцатого блока умножения, а выход - с первым входом двенадцатого блока умножения.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию «новизна».

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

На фиг.1 дана блок-схема предлагаемого электропривода робота, а на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа этого робота.

Электропривод робота содержит первый сумматор 1, последовательно соединенные первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, первый усилитель 4, электродвигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 - с первым датчиком 8 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик 9 положения, третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 11 сигнала, первый квадратор 12, четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика 14 сигнала, пятый сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика 16 сигнала, второй блок 17 умножения и шестой сумматор 18, последовательно соединенные третий датчик 19 положения, второй усилитель 20, первый синусный функциональный преобразователь 21 и третий блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, а выход - к второму входу второго блока 17 умножения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь 24, второй квадратор 25, четвертый блок 26 умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 13, и седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика 28 сигнала, а третий вход через последовательно соединенные третий синусный функциональный преобразователь 29 и третий квадратор 30 - к входам второго усилителя 20 и второго функционального преобразователя 24, последовательно соединенный пятый задатчик 31 сигнала, восьмой сумматор 32, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 10 и первому входу девятого сумматора 33, пятый блок 34 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 35 массы, и шестой блок 36 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 32, а выход - к третьему входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные седьмой блок 37 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго квадратора 25, второй вход - к выходу девятого сумматора 33, вторым входом подключенного к выходу пятого блока 34 умножения, и восьмой блок 38 умножения, второй вход которого соединен с выходом третьего датчика 39 скорости, а выход - с вторым входом шестого сумматора 18, выход которого подключен к первому входу девятого блока 40 умножения, соединенного выходом с четвертым входом второго сумматора 3, а вторым входом - с выходом первого датчика 6 скорости, со вторым и через релейный элемент 42 - с третьим входами второго сумматора 3, а также со вторым входом десятого сумматора 41, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора 1, а выход - с первым входом первого блока 2 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 27, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь 43, вход которого подключен к выходу первого датчика 8 положения, десятый блок 44 умножения, второй вход которого соединен с выходом девятого сумматора 33, одиннадцатый блок 45 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 46 ускорения, а также двенадцатый блок 47 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго функционального преобразователя 24, а выход - с пятым входом второго сумматора 3, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь 48, соединенный входом с выходом первого датчика 8 положения, тринадцатый блок 49 умножения, четырнадцатый блок 50 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 51 ускорения, и одиннадцатый сумматор 52, второй вход которого соединен с выходом одиннадцатого блока 45 умножения, а выход - с первым входом двенадцатого блока 47 умножения. Объект управления 53.

На фиг.1 и 2 введены следующие обозначения: q_ВХ - сигнал с выхода программного устройства; ε - сигнал ошибки привода; U^*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 5; q₁, q₂, q₃, q₄, q₅ - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота; - скорости изменения соответствующих обобщенных координат; - скорость вращения ротора электродвигателя; , - ускорения четвертой и пятой обобщенных координат робота соответственно; m₁, m₂, m_Г - соответственно, массы первого, второго звеньев исполнительного органа и захваченного груза; - расстояние от оси вращения второго звена до его центра масс при q₃=0; l₂ - расстояние от центра масс второго звена до средней точки схвата.

В изобретении рассматривается электропривод робота, обеспечивающий вращение исполнительного органа относительно вертикальной оси. То есть он управляет обобщенной координатой q₁.

Устройство работает следующим образом. На вход подается управляющее воздействие q_ВХ, обеспечивающее требуемый закон управления электроприводом. При этом на выходе сумматора 1 вырабатывается сигнал ошибки ε, который после коррекции в блоках 2, 3 и 41, усиливаясь, поступает на электродвигатель 5 с редуктором, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала и внешнего моментного воздействия M_B.

Рассматриваемый 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. Моментные характеристики электропривода зависят от изменения координат q₁, q₂, q₃, , , , и m_Г. В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q₁, q₂, q₃, , , , , а также переменной массы груза m_Г на динамические свойства рассматриваемого электропривода.

Датчики 8, 19 и 9 установлены соответственно в первой, второй и третьей степенях подвижности исполнительного органа (см. фиг.2) и измеряют величины q₁, q₂ и q₃ соответственно. Датчики 6, 23 и 39 также установлены соответственно в первой, второй и третьей степенях подвижности исполнительного органа (см. фиг.2) и измеряют величины , и соответственно, датчики 46 и 51 - в четвертой и пятой степенях подвижности исполнительного органа и измеряют величины , соответственно.

На выходе квадраторов 30 и 25 формируются сигналы sin²q₂, cos²q₂.

Усилитель 20 имеет коэффициент усиления, равный 2. Следовательно, на выходе блока 22 формируется сигнал .

Задатчики 11 и 31 формируют сигналы , l₂ соответственно. Положительные входы сумматоров 10 и 32 имеют единичные коэффициенты усиления. Следовательно, на их выходах соответственно формируются сигналы и , на выходах квадратора 12 и блока 34 - сигналы , соответственно, а на выходе блока 36 - сигнал , так как датчик 35 измеряет массу захваченного груза m_Г.

Задатчик 14 подает на второй положительный вход сумматора 13 с единичным коэффициентом усиления сигнал, равный J_N2, третий (со стороны блока 36) и первый положительные входы сумматора 13 имеют коэффициенты усиления, соответственно равные единице и m₂. В результате на выходе блока 26 формируется сигнал где J_N2 - момент инерции второго звена исполнительного органа относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс.

Задатчик 28 подает на второй положительный вход сумматора 27, имеющий единичный коэффициент усиления, сигнал, равный , где J - момент инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу электродвигателя; i_p - передаточное отношение редуктора 7. Третий (со стороны квадратора 30) и первый положительные входы этого сумматора соответственно имеют коэффициенты усиления, равные J_s2 и единице. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал

.

На выходе задатчика 16 формируется сигнал J_s2. Первый отрицательный (со стороны сумматора 13) и второй положительный входы сумматора 15 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 17 формируется сигнал .

Второй (со стороны блока 34) и первый положительные входы сумматора 33 соответственно имеют коэффициенты усиления, равные 2 и В результате на выходе сумматора 33 формируется сигнал на выходе блока 38 - сигнал

,

на выходе блока 44 - сигнал , на выходе блока 50 - сигнал а на выходе блока 47 - сигнал так как сумматор 52 имеет положительные входы с единичными коэффициентами усиления.

Положительные входы сумматора тоже 18 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 40 формируется сигнал .

Первый положительный (со стороны сумматора 1) и второй отрицательный входы сумматора 41 соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный K_ω/K_y. В результате на его выходе формируется сигнал , а на выходе блока 2 - сигнал , где K_ω, K_y - соответственно коэффициент противо-ЭДС электродвигателя 5 и коэффициент усиления усилителя 4.

Первый (со стороны блока 2), второй (со стороны датчика 6), третий (со стороны релейного элемента 42), четвертый (со стороны блока 40) положительные и пятый отрицательный входы сумматора 3 имеют коэффициенты усиления, равные , , , соответственно, где R - активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя 5, J_H - номинальное значение приведенного к валу электродвигателя 5 момента инерции, K_B - коэффициент вязкого трения, K_M - коэффициент крутящего момента электродвигателя 5. В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

т.к. релейный элемент 42 имеет характеристику

где M_T>0 - величина сухого трения движения.

Из уравнения Лагранжа 2 рода несложно определить, что моментное воздействие M_B на рассматриваемый электропривод со стороны других степеней подвижности исполнительного органа робота имеют вид

С учетом соотношения (2), а также уравнений электрической и механической

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

где M_CTP - момент сухого трения, приведенный к валу электродвигателя, i - ток в якорной обмотке электродвигателя. Причем .

Очевидно, что уравнение (3) при движении исполнительного органа робота за счет существенного изменения составляющих A, B, C и Р имеет переменные параметры, следовательно, электропривод, описываемый этим уравнением, имеет переменные динамические свойства и качественные показатели. Однако сформированный сигнал управления U^* (1) обеспечивает превращение дифференциального уравнения нагруженного электропривода (3) с существенно переменными параметрами в уравнение с номинальными постоянными параметрами , обеспечивающими рассматриваемому электроприводу заданные динамические свойства и качественные показатели работы.