САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНИПУЛЯТОРА

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

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым отрицательным входом первого сумматора, подключенного вторым положительным входом к входу устройства, последовательно соединенные релейный блок и четвертый сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом первого датчика скорости и входом релейного блока, последовательно соединенные первый задатчик сигнала и пятый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности робота, второй блок умножения и третий блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим отрицательным входом четвертого сумматора, а также второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности робота, причем второй отрицательный вход второго сумматора соединен с выходом первого датчика скорости, а выход четвертого сумматора подключен ко второму положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй задатчик сигнала, шестой сумматор, четвертый блок умножения, второй вход которого через первый косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом второго датчика положения, седьмой сумматор, второй положительный вход которого соединен с выходом третьего задатчика сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, установленного в третьей степени подвижности робота, а выход подключен к четвертому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с входом первого косинусного функционального преобразователя, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - ко второму входу второго блока умножения, пятый отрицательный вход четвертого сумматора подключен к выходу седьмого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом второго датчика скорости, а второй вход - с выходом второго блока умножения, третий положительный вход пятого сумматора соединен с выходом четвертого блока умножения, третий положительный вход седьмого сумматора подключен к выходу датчика массы и второму положительному входу шестого сумматора, последовательно соединенные восьмой сумматор, первый и второй положительные входы которого подключены, соответственно, к выходам второго и первого датчиков положения, третий синусный функциональный преобразователь, восьмой блок умножения и девятый сумматор, а также девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, установленного в четвертой степени подвижности робота, а его выход - к шестому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, десятый сумматор, десятый блок умножения, второй вход которого через четвертый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу первого датчика положения, а его выход - ко второму положительному входу девятого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу датчика массы и ко второму входу десятого сумматора, а его выход - ко второму входу восьмого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик ускорения, механически связанный с выходным валом электродвигателя, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, и двенадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к третьему положительному входу третьего сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, тринадцатый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, а второй вход - к выходу первого датчика ускорения и входу первого дифференциатора, последовательно соединенные тринадцатый сумматор, подключенный первым отрицательным входом к выходу тринадцатого блока умножения, и четырнадцатый блок умножения, последовательно соединенные квадратор, пятнадцатый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока умножения, и шестнадцатый блок умножения, последовательно соединенные четырнадцатый сумматор, семнадцатый блок умножения и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с выходом первого датчика положения, и девятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, а также двадцатый и двадцать первый блоки умножения, причем второй вход последнего соединен с выходом первого датчика скорости, первым положительным входом четырнадцатого сумматора и вторым входом четырнадцатого блока умножения, последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу восьмого сумматора, и двадцать второй блок умножения, последовательно соединенные второй дифференциатор, подключенный входом к выходу второго датчика ускорения и второму входу двадцатого блока умножения, и двадцать третий блок умножения, а также двадцать четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго дифференциатора, а выход - с третьим положительным входом двенадцатого сумматора, седьмой положительный - к выходу четырнадцатого блока умножения, восьмой отрицательный вход - к выходу шестнадцатого блока умножения, девятый положительный - к выходу двенадцатого блока умножения, а десятый отрицательный - к выходу двадцать пятого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом тринадцатого блока умножения, а второй вход - с выходом второго датчика скорости, входом квадратора, вторым входом шестнадцатого блока умножения и вторым положительным входом четырнадцатого сумматора, причем второй отрицательный вход тринадцатого сумматора подключен к выходу пятнадцатого блока умножения, последовательно соединенные двадцать шестой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения, а его второй вход - к выходу четырнадцатого сумматора, и пятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого через двадцать седьмой блок умножения подключен к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу двадцатого блока умножения, выход которого соединен с одиннадцатым отрицательным входом двенадцатого сумматора, а также шестнадцатый сумматор, первый положительный вход которого соединен с выходом двадцать второго блока умножения, второй положительный вход с выходом девятнадцатого блока умножения и первыми входами двадцать первого и двадцать четвертого блоков умножения, а выход - с первым входом девятого блока умножения, и двадцать восьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу двадцать третьего блока умножения, второй вход - к выходу одиннадцатого сумматора и второму входу двадцать второго блока умножения, а выход - к четвертому положительному входу двенадцатого сумматора, причем второй вход двадцать седьмого блока умножения соединен с выходом десятого блока умножения, а выход шестого косинусного функционального преобразователя - со вторыми входами семнадцатого и двадцать третьего блоков умножения, последовательно соединенные четвертый датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности робота, двадцать девятый блок умножения и семнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен ко второму входу двадцать девятого блока умножения и выходу девятого сумматора, а выход - к седьмому положительному входу четвертого сумматора, последовательно соединенные тридцатый блок умножения и восемнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу восемнадцатого блока умножения и второму входу тридцатого блока умножения, а выход - к пятому положительному входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные тридцать первый блок умножения и девятнадцатый сумматор, второй положительный вход которого подключен к выходу двадцать первого блока умножения и второму входу тридцать первого блока умножения, а выход - к шестому положительному входу двенадцатого сумматора, последовательно соединенные третий дифференциатор, вход которого соединен с выходом четвертого датчика ускорения и первыми входами тридцатого и тридцать первого блоков умножения, и тридцать второй блок умножения, второй вход которого соединен с выходом девятого сумматора, а выход - с двенадцатым положительным входом двенадцатого сумматора (см. патент РФ №2399479, Б.И. №26, 2010 г.).

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для электропривода манипуляционного робота, имеющего другую кинематическую схему. В результате это устройство не будет точно компенсировать все переменные нагрузочные характеристики рассматриваемого привода и обеспечивать требуемую динамическую точность его работы.

Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, первый усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен со вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом ко второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, а выход соединен со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход - ко второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход - с третьим входом пятого сумматора, третий вход шестого сумматора соединен с выходом датчика массы, 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 постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй усилитель, пятый функциональный преобразователь, десятый блок умножения, десятый сумматор и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого через квадратор подключен к выходу третьего датчика скорости, а выход - к восьмому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного сигнала, одиннадцатый сумматор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого через последовательно соединенные третий усилитель и шестой функциональный преобразователь подключен к выходу девятого сумматора, а его выход - ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные двенадцатый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам второго датчика положения и второго усилителя, седьмой функциональный преобразователь и тринадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а его выход - к третьему входу десятого сумматора, последовательно соединенные шестой задатчик постоянного сигнала и тринадцатый сумматор, второй вход которого подключен ко второму входу одиннадцатого сумматора и выходу датчика массы, а выход - ко второму входу десятого блока умножения, причем вход второго усилителя соединен с выходом первого датчика положения, последовательно соединенные третий датчик положения, восьмой функциональный преобразователь, четырнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и пятнадцатый блок умножения, выход которого подключен к девятому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные девятый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, шестнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, и четырнадцатый сумматор, выход которого подключен ко второму входу пятнадцатого блока умножения, последовательно соединенные десятый функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу девятого сумматора, и семнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход - ко второму входу четырнадцатого сумматора (см. Патент РФ №2372185, Б.И. №31, 2009).

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

Недостатком данного устройства является то, что оно не учитывает электрическую постоянную времени электродвигателя. В результате это устройство не будет точно компенсировать все переменные нагрузочные характеристики рассматриваемого электропривода и обеспечивать требуемую динамическую точность его работы.

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 с заданной кинематической схемой по всем его степеням подвижности с учетом электрической постоянной времени электродвигателя.

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

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, первый усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, соединенного вторым входом со входом устройства, последовательно соединенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен со вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом ко второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, а выход - ко второму входу третьего сумматора, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, а выход - ко 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 постоянного сигнала, и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, а выход - к четвертому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик постоянного 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, третий вход шестого сумматора соединен с выходом датчика массы, 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 постоянного сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий синусный функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора, 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, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные второй усилитель, пятый синусный функциональный преобразователь, десятый блок умножения, десятый сумматор и одиннадцатый блок умножения, второй вход которого через квадратор подключен к выходу третьего датчика скорости, а выход - к восьмому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного сигнала, одиннадцатый сумматор и двенадцатый блок умножения, второй вход которого через последовательно соединенные третий усилитель и шестой синусный функциональный преобразователь подключен к выходу девятого сумматора, а его выход - ко второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные двенадцатый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам второго датчика положения и второго усилителя, седьмой синусный функциональный преобразователь и тринадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а его выход - к третьему входу десятого сумматора, последовательно соединенные шестой задатчик постоянного сигнала и тринадцатый сумматор, второй вход которого подключен ко второму входу одиннадцатого сумматора и выходу датчика массы, а выход - ко второму входу десятого блока умножения, причем вход второго усилителя соединен с выходом первого датчика положения, последовательно соединенные третий датчик положения, восьмой косинусный функциональный преобразователь, четырнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и пятнадцатый блок умножения, выход которого подключен к девятому входу четвертого сумматора, последовательно соединенные девятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, шестнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, и четырнадцатый сумматор, выход которого подключен ко второму входу пятнадцатого блока умножения, последовательно соединенные десятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу девятого сумматора, и семнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, а выход - ко второму входу четырнадцатого сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные пятнадцатый сумматор, первый вход которого подключен к выходу седьмого задатчика постоянного сигнала, а второй вход подключен к выходу второго блока умножения, восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, установленного на выходном валу электродвигателя, а выход - к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные девятнадцатый блок умножения, двадцатый блок умножения, второй вход которого через одиннадцатый синусный функциональный преобразователь подключен к выходу третьего датчика положения, двадцать первый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу третьего сумматора, последовательно соединенные четвертый датчик скорости, шестнадцатый сумматор, двадцать второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, двадцать третий блок умножения, второй вход которого через двенадцатый косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу двенадцатого сумматора, семнадцатый сумматор, двадцать четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу квадратора, а выход - к пятому входу третьего сумматора, последовательно соединенные двадцать пятый блок умножения, первый вход которого через первый дифференциатор подключен к выходу второго датчика ускорения и первому входу девятнадцатого блока умножения, а второй - к выходу восьмого функционального преобразователя, и двадцать шестой блок умножения, второй вход которого подключен к второму входу двадцать первого блока умножения и выходу четырнадцатого сумматора, выход которого подключен к шестому входу третьего сумматора, последовательно соединенные двадцать седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения, восемнадцатый сумматор и двадцать восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу четырнадцатого блока умножения, а выход - к седьмому входу третьего сумматора, а также двадцать девятый блок умножения, выход которого подключен к восьмому входу третьего сумматора, последовательно соединенные четвертый датчик ускорения, тридцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика скорости и второму входу девятнадцатого блока умножения, и тридцать первый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора, а выход - к девятому входу третьего сумматора, последовательно соединенные девятнадцатый сумматор и тридцать второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу семнадцатого блока умножения, а выход - к десятому входу третьего сумматора, последовательно соединенные тридцать третий блок умножения, первый вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора, тридцать четвертый блок умножения, второй вход которого через тринадцатый косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу третьего усилителя, а выход - ко второму входу семнадцатого сумматора, последовательно соединенные тридцать пятый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу тринадцатого сумматора, и тридцать шестой блок умножения, второй вход которого через четырнадцатый косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго усилителя, а выход - к третьему входу семнадцатого сумматора, а также тридцать седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестнадцатого блока умножения, второй вход - к вторым входам двадцать седьмого и тридцать пятого блоков умножения и первому входу девятнадцатого сумматора, а выход - к одиннадцатому входу третьего сумматора, последовательно соединенные тридцать восьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, двадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу тридцать девятого блока умножения, первый вход которого через квадратор подключен к выходу второго датчика скорости, и сороковой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, а выход - к двенадцатому входу третьего сумматора, а также сорок первый блок умножения, первый вход которого подключен к выходу девятнадцатого сумматора и второму входу тридцать третьего блока умножения, второй вход - к выходу девятого блока умножения, а выход - ко второму входу восемнадцатого сумматора, последовательно соединенные сорок второй блок умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора, а второй - к выходу второго датчика скорости, к вторым входам шестнадцатого и девятнадцатого сумматоров, к первому входу двадцать девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу тридцать восьмого блока умножения, и сорок третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока умножения и второму входу тридцать девятого блока умножения, а выход - к тринадцатому входу третьего сумматора, а также сорок четвертый блок умножения, первый вход которого через второй дифференциатор подключен к выходу первого датчика ускорения и к второму входу тридцать восьмого блока умножения, второй вход - к выходу шестого сумматора, а выход - к четырнадцатому входу третьего сумматора.

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 электропривода 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.

Самонастраивающийся электропривод манипулятора содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, второй сумматор 2, первый блок 3 умножения, третий сумматор 4, первый усилитель 5 и электродвигатель 6, связанный непосредственно с первым датчиком 7 скорости и через редуктор 8 с первым датчиком 9 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, соединенного вторым входом с входом устройства, последовательно соединенные второй датчик 10 скорости, второй блок 11 умножения, третий блок 12 умножения и четвертый сумматор 13, второй вход которого соединен со вторым входом второго сумматора 2 и выходом первого датчика 7 скорости, третий вход - с выходом релейного элемента 14, подключенного входом ко второму входу третьего блока 12 умножения и выходу первого датчика 7 скорости, а выход - ко второму входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные датчик 15 массы и пятый сумматор 16, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 17 постоянного сигнала, а выход - ко второму входу первого блока 3 умножения, последовательно соединенные второй датчик 18 положения, первый косинусный функциональный преобразователь 19, четвертый блок 20 умножения, шестой сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика 22 постоянного сигнала, и пятый блок 23 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 24 ускорения, а выход - к четвертому входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные третий задатчик 25 постоянного сигнала, седьмой сумматор 26, второй вход которого подключен к выходу датчика 15 массы, и шестой блок 27 умножения, второй вход которого через второй синусный функциональный преобразователь 28 подключен к выходу второго датчика 18 положения, а выход - к второму входу второго блока 11 умножения, причем второй вход четвертого блока 20 умножения соединен с выходом седьмого сумматора 26, его выход - с третьим входом пятого сумматора 16, третий вход шестого сумматора 21 соединен с выходом датчика 15 массы, пятый вход четвертого сумматора 13 через седьмой блок 29 умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока 11 умножения, подключен к выходу второго датчика 10 скорости, последовательно соединенные четвертый задатчик 30 постоянного сигнала, восьмой сумматор 31, второй вход которого подключен к выходу датчика 15 массы, и восьмой блок 32 умножения, второй вход которого через третий синусный функциональный преобразователь 33 соединен с выходом первого датчика 9 положения, а его выход - с шестым входом четвертого сумматора 13, последовательно соединенные девятый сумматор 34, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого 9 и второго 18 датчиков положения, четвертый синусный функциональный преобразователь 35 и девятый блок 36 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 26, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные второй усилитель 37, пятый синусный функциональный преобразователь 38, десятый блок 39 умножения, десятый сумматор 40 и одиннадцатый блок 41 умножения, второй вход которого через квадратор 42 подключен к выходу третьего датчика 43 скорости, а выход - к восьмому входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные пятый задатчик 44 постоянного сигнала, одиннадцатый сумматор 45 и двенадцатый блок 46 умножения, второй вход которого через последовательно соединенные третий усилитель 47 и шестой синусный функциональный преобразователь 48 подключен к выходу девятого сумматора 34, а его выход - ко второму входу десятого сумматора 40, последовательно соединенные двенадцатый сумматор 49, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам второго датчика 18 положения и второго усилителя 37, седьмой синусный функциональный преобразователь 50 и тринадцатый блок 51 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 26, а его выход - к третьему входу десятого сумматора 40, последовательно соединенные шестой задатчик 52 постоянного сигнала и тринадцатый сумматор 53, второй вход которого подключен ко второму входу одиннадцатого сумматора 45 и выходу датчика 15 массы, а выход - ко второму входу десятого блока 39 умножения, причем вход второго усилителя 37 соединен с выходом первого датчика 9 положения, последовательно соединенные третий датчик 54 положения, восьмой косинусный функциональный преобразователь 55, четырнадцатый блок 56 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 57 ускорения, и пятнадцатый блок 58 умножения, выход которого подключен к девятому входу четвертого сумматора 13, последовательно соединенные девятый косинусный функциональный преобразователь 59, вход которого подключен к выходу первого датчика 9 положения, шестнадцатый блок 60 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 31, и четырнадцатый сумматор 61, выход которого подключен ко второму входу пятнадцатого блока 58 умножения, последовательно соединенные десятый косинусный функциональный преобразователь 62, вход которого подключен к выходу девятого сумматора 34, и семнадцатый блок 63 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 26, а выход - ко второму входу четырнадцатого сумматора 61, последовательно соединенные пятнадцатый сумматор 64, первый вход которого подключен к выходу седьмого задатчика 65 постоянного сигнала, а второй вход подключен к выходу второго блока 11 умножения, восемнадцатый блок 66 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика 67 ускорения, установленного на выходном валу электродвигателя 6, а выход - к третьему входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные девятнадцатый блок 68 умножения, двадцатый блок 69 умножения, второй вход которого через одиннадцатый синусный функциональный преобразователь 70 подключен к выходу третьего датчика 54 положения, двадцать первый блок 71 умножения, выход которого подключен к четвертому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные четвертый датчик 72 скорости, шестнадцатый сумматор 73, двадцать второй блок 74 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 26, двадцать третий блок 75 умножения, второй вход которого через двенадцатый косинусный функциональный преобразователь 76 подключен к выходу двенадцатого сумматора 49, семнадцатый сумматор 77, двадцать четвертый блок 78 умножения, второй вход которого подключен к выходу квадратора 42, а выход - к пятому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные двадцать пятый блок 79 умножения, первый вход которого через первый дифференциатор 80 подключен к выходу второго датчика 57 ускорения и первому входу девятнадцатого блока 68 умножения, а второй - к выходу восьмого функционального преобразователя 55, и двадцать шестой блок 81 умножения, второй вход которого подключен к второму входу двадцать первого блока 71 умножения и выходу четырнадцатого сумматора 61, выход которого подключен к шестому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные двадцать седьмой блок 82 умножения, первый вход которого подключен к выходу восьмого блока 32 умножения, восемнадцатый сумматор 83 и двадцать восьмой блок 84 умножения, второй вход которого подключен к выходу четырнадцатого блока 56 умножения, а выход - к седьмому входу третьего сумматора 4, а также двадцать девятый блок 85 умножения, выход которого подключен к восьмому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные четвертый датчик 86 ускорения, тридцатый блок 87 умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика 43 скорости и второму входу девятнадцатого блока 68 умножения, и тридцать первый блок 88 умножения, второй вход которого подключен к выходу десятого сумматора 40, а выход - к девятому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные девятнадцатый сумматор 89 и тридцать второй блок 90 умножения, второй вход которого подключен к выходу семнадцатого блока 63 умножения, а выход - к десятому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные тридцать третий блок 91 умножения, первый вход которого подключен к выходу одиннадцатого сумматора 45, тридцать четвертый блок 92 умножения, второй вход которого через тринадцатый косинусный функциональный преобразователь 93 подключен к выходу третьего усилителя 47, а выход - ко второму входу семнадцатого сумматора 77, последовательно соединенные тридцать пятый блок 94 умножения, первый вход которого подключен к выходу тринадцатого сумматора 53, и тридцать шестой блок 95 умножения, второй вход которого через четырнадцатый косинусный функциональный преобразователь 96 подключен к выходу второго усилителя 37, а выход - к третьему входу семнадцатого сумматора 77, а также тридцать седьмой блок 97 умножения, первый вход которого подключен к выходу шестнадцатого блока 60 умножения, второй вход - ко вторым входам двадцать седьмого 82 и тридцать пятого 94 блоков умножения и первому входу девятнадцатого сумматора 89, а выход - к одиннадцатому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные тридцать восьмой блок 98 умножения, первый вход которого подключен к выходу шестого блока 27 умножения, двадцатый сумматор 99, второй вход которого подключен к выходу тридцать девятого блока 100 умножения, первый вход которого через квадратор 101 подключен к выходу второго датчика скорости 10, и сороковой блок 102 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 7 скорости, а выход - к двенадцатому входу третьего сумматора 4, а также сорок первый блок 103 умножения, первый вход которого подключен к выходу девятнадцатого сумматора 89 и второму входу тридцать третьего блока 91 умножения, второй вход - к выходу девятого блока 36 умножения, а выход - ко второму входу восемнадцатого сумматора 83, последовательно соединенные сорок второй блок 104 умножения, первый вход которого подключен к выходу квадратора 101, а второй - к выходу второго датчика скорости 10, ко вторым входам шестнадцатого 73 и девятнадцатого 89 сумматоров, к первому входу двадцать девятого блока 85 умножения, второй вход которого подключен к выходу тридцать восьмого блока 98 умножения, и сорок третий блок 105 умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока 20 умножения и второму входу тридцать девятого блока 100 умножения, а выход - к тринадцатому входу третьего сумматора 4, а также сорок четвертый блок 106 умножения, первый вход которого через второй дифференциатор 107 подключен к выходу первого датчика 24 ускорения и ко второму входу тридцать восьмого блока 98 умножения, второй вход - к выходу шестого сумматора 21, а выход - к четырнадцатому входу третьего сумматора 4. Объект 108 управления.

На чертежах введены следующие обозначения: α_вх - сигнал желаемого положения; ε - ошибка электропривода (величина рассогласования); q₁, q₂, q₃, q_{4 -} соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота; , - скорости изменения соответствующих обобщенных координат; , , - ускорения изменения соответствующих обобщенных координат; m₁, m₂, m₃, m_г - соответственно массы первого, второго, третьего звеньев исполнительного органа и захваченного груза; , - расстояния от осей вращения соответствующих звеньев до их центров масс; 1₂, 1₃ - длины соответствующих звеньев; , - соответственно, скорость и ускорение вращения ротора электродвигателя; U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 6.

Кроме того, принимается, что J_Si - моменты инерции соответствующих звеньев манипулятора относительно их продольных осей ; J_Ni - моменты инерции соответствующих звеньев манипулятора относительно поперечных осей, проходящих через их центры масс (i=2, 3).

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε с сумматора 1 после коррекции в блоках 2-4, усиливаясь, поступает на электродвигатель 6, 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 манипулятора 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 электропривод управляет обобщенной координатой q₂ манипулятора, конструкция которого позволяет осуществлять горизонтальное прямолинейное перемещение (координата q₄) и три вращательных движения (координаты q₁, q₂ и q₃).

На основании уравнений Лагранжа II рода можно записать, что моментное воздействие на выходной вал электропривода, управляющего координатой q₂, при движении манипулятора (фиг.2) с грузом имеет вид

где ,

,

g - ускорение свободного падения.

С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической и механической цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения, управляющего координатой q₂, можно описать этот электродвигатель следующим дифференциальным уравнением

где ,

,

L, R - соответственно, индуктивность и активное сопротивление якорной цепи электродвигателя; J - момент инерции ротора электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу электродвигателя; К_М - коэффициент крутящегося момента; K_ω - коэффициент противо-ЭДС; К_В - коэффициент вязкого трения; i_P - передаточное отношение редуктора; М_СТР - момент сухого трения; К_у - коэффициент усиления усилителя 5; i - ток якоря электродвигателя.

Очевидно, что параметры уравнения (3), а следовательно, и параметры электропривода, управляющего координатой q₂, являются существенно переменными, зависящими от величин q₂, q₃, , , , , , , , и m_Г. В результате в процессе работы электропривода меняются (и при том существенно) его динамические свойства. Для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать корректирующее устройство, стабилизирующее параметры этого электропривода и дифференциального уравнения, которым он описывается.

Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления К_ω/К_у. Следовательно, на выходе сумматора 2 формируется сигнал . Первый положительный вход сумматора 26 имеет единичный коэффициент усиления, а задатчик 25 подает на него сигнал . Второй положительный вход этого сумматора имеет коэффициент усиления 1₂1₃. В результате на его выходе формируется сигнал .

Датчик 18 измеряет обобщенную координату q₃ манипулятора, а функциональный преобразователь 19 реализует функцию cosq₃. В результате на выходе блока 20 формируется сигнал . Все входы сумматора 16 положительные. Его второй вход имеет единичный коэффициент усиления. Задатчик 17 подает на этот вход сигнал где J_H - желаемое значение суммарного момента инерции электродвигателя. На первый вход сумматора 16 с коэффициентом усиления датчик 15 подает сигнал m_Г. Третий вход этого сумматора имеет коэффициент усиления . В результате на его выходе формируется сигнал , а на выходе блока 3 - сигнал .

Функциональный преобразователь 28 реализует зависимость sinq₃. В результате на выходе блока 27 формируется сигнал .

Датчик 10 измеряет скорость q₃. В результате на первый отрицательный вход сумматора 13 (со стороны блока 12), имеющий коэффициент усиления , поступает сигнал , а на пятый отрицательный вход этого сумматора (со стороны блока 29), имеющий коэффициент усиления 1/i_P,- сигнал .

Первый и второй положительные входы сумматора 21 (со стороны блока 20 и задатчика 22) имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий положительный вход - коэффициент усиления . Задатчик 22 формирует сигнал , а датчик 24 измеряет ускорение . В результате на выходе блока 23 формируется сигнал , который поступает на четвертый положительный вход сумматора 13 с коэффициентом усиления 1/i_P. Третий и второй положительные входы сумматора 13 (соответственно, со стороны элемента 14 и датчика 7) соответственно имеют единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный К_MК_ω/R+K_B.

Выходной сигнал элемента 14 имеет вид

где М_Т - величина момента сухого трения при движении.

Первый и второй положительные входы сумматора 34 имеют единичные коэффициенты усиления, а функциональный преобразователь 35 реализует зависимость sin(q₂+q₃). В результате на выходе блока 36 формируется сигнал , который поступает на седьмой положительный вход сумматора 13 с коэффициентом усиления g/(1₂i_P).

Задатчик 30 вырабатывает сигнал и подает его на первый положительный вход сумматора 31, имеющий единичный коэффициент усиления, второй положительный вход этого сумматора имеет коэффициент усиления 1₂. Функциональный преобразователь 33 реализует зависимость sinq₂. В результате на выходе блока 32 формируется сигнал , который поступает на шестой положительный вход сумматора 13, имеющий коэффициент усиления g/i_P.

Положительные входы сумматора 49 имеют единичные коэффициенты усиления. Усилители 37 и 47 имеют коэффициенты усиления, равные 2. Функциональные преобразователи 38, 48 и 50 реализуют функцию sin. В результате на выходе блока 51 формируется сигнал .

Задатчик 44 вырабатывает сигнал . Первый (со стороны этого задатчика) положительный вход сумматора 45 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный . В результате на выходе блока 46 формируется сигнал .

Задатчик 52 вырабатывает сигнал, равный . Первый (со стороны этого задатчика) положительный вход сумматора 53 имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный . В результате на выходе блока 39 формируется сигнал .

Первый (со стороны блока 39) и второй (со стороны блока 46) положительные входы сумматора 40 имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий положительный вход - коэффициент усиления, равный 2.

Датчик 43 измеряет скорость изменения координаты . В результате на выходе блока 41 формируется сигнал , который с коэффициентом усиления 1/(2i_P) подается на восьмой отрицательный вход сумматора 13.

Датчик 54 измеряет координату q₁. Функциональные преобразователи 55, 59 и 62 реализует функцию cos. Датчик 57 измеряет ускорение . В результате на выходе блока 56 формируется сигнал cos q₁ на выходе блока 60 - сигнал , а на выходе блока 63 - сигнал . Первый (со стороны блока 60) и второй положительные входы сумматора 61 имеют, соответственно, единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный 1/1₂. В результате на выходе блока 58 формируется сигнал , который идет на девятый положительный вход сумматора 13, имеющий коэффициент усиления, равный 1/i_P. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал .

На выходе задатчика 65 формируется сигнал К_в, который подается на первый положительный вход сумматора 64, имеющий единичный коэффициент усиления. Его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления, равный . В результате на выходе сумматора 64 формируется сигнал (2h*+K_в), а на выходе блока 66 - сигнал , который подается на третий положительный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_у).

На выходе блока 100 формируется сигнал , а на выходе блока 98 - сигнал . Первый и второй отрицательные входы сумматора 99 имеют коэффициенты усиления, равные . В результате на выходе блока 102 формируется сигнал , поступающий на двенадцатый положительный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_у).

Датчик 67 измеряет ускорение , датчик 72 - скорость , датчик 86 - ускорение . Дифференциаторы 80 и 107 используются для получения сигналов и , соответственно. На выходе блоков 106 и 105 формируются сигналы и , поступающие на четырнадцатый положительный и тринадцатый отрицательный входы сумматора 4, соответственно, имеющие коэффициенты усиления, равные L/(K_MK_уi_p).

На выходе блока 85 формируется сигнал , подаваемый на восьмой отрицательный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный 3L/(K_MK_уi_p), а на выходе блока 97 - сигнал , подаваемый на одиннадцатый положительный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный gL/(K_MK_уi_p). На выходе сумматора 89, имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усиления, формируется сигнал , а на выходе блока 90 - сигнал , подаваемый на десятый положительный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный gL/(K_MK_у1₂i_p).

На выходе блока 88 формируется сигнал подаваемый на девятый отрицательный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_уi_p).

Первый (со стороны датчика 72) и второй (со стороны датчика 10) положительные входы сумматора 73 имеют коэффициенты усиления, равные 2 и 1, соответственно. В результате на его выходе формируется сигнал, равный . Все входы сумматора 77 положительны и имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 78 формируется сигнал подаваемый на пятый отрицательный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_уi_p).

На выходе блока 81 формируется сигнал , подаваемый на шестой положительный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_уi_p).

Функциональный преобразователь 70 реализует функцию sinq₁. В результате на выходе блока 71 формируется сигнал , подаваемый на четвертый отрицательный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления, равный L/(K_MK_уi_p).

Первый (со стороны блока 82) и второй положительные входы сумматора 83 имеют, соответственно, единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный 1/1₂. В результате на выходе блока 84 формируется сигнал , подаваемый на седьмой отрицательный вход сумматора 4, имеющий коэффициент усиления равный L/(K_MK_уi_p).

Первый положительный вход сумматора 4 (со стороны блока 3) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход (со стороны сумматора 13) - коэффициент усиления R/(K_MK_у). B результате на выходе сумматора 4 формируется сигнал U*, равный

Поскольку при движении электропривода достаточно точно соответствует М_стр, то сигнал U* (3), как несложно убедиться, обеспечивает превращение уравнения (2) с существенно переменными параметрами в уравнение с постоянными номинальными желаемыми параметрами, обеспечивающими рассматриваемому электроприводу заданные динамические свойства и показатели качества.

Таким образом, за счет введения дополнительных элементов и связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого электропривода к эффектам взаимовлияния между всеми степенями подвижности манипулятора и моментам трения. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах работы этого электропривода. Практическая реализация предлагаемого устройства не вызывает затруднений, так как в нем использованы только типовые электронные элементы.