Результат интеллектуальной деятельности: САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНИПУЛЯТОРА

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

Известен самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, измеряющим линейные перемещения манипулятора в горизонтальной плоскости, выход которого через третий сумматор, второй вход которого соединен со входом устройства, подключен к первому входу первого сумматора, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и второму входу первого сумматора, последовательно соединенные задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом датчика массы и вторым входом первого блока умножения, а выход через второй блок умножения - с третьим входом третьего сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, третий вход которого соединен с выходом первого сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в первой степени подвижности манипулятора, квадратор, третий блок умножения и пятый сумматор, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, а второй вход - к выходом четвертого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу датчика ускорения, установленного в первой степени подвижности манипулятора, а второй - к выходу синусного функционального преобразователя, вход которого через косинусный функциональный преобразователь подключен ко второму входу третьего блока умножения, и второй датчик положения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, последовательно соединенные источник сигнала углового положения и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а выход - к входу синусного функционального преобразователя (патент RU №2631783, кл. B25J 13/00, G05B 13/02, БИ №27, 2017 г.).

Недостатком этого устройства является то, что в электроприводе рассматриваемого манипулятора не учтена, считаясь малой, электрическая постоянная времени. В результате это устройство не будет точно компенсировать все его переменные нагрузочные характеристики и обеспечивать требуемую динамическую точность работы.

Известно также устройство для управления приводом робота (патент RU №2257288, кл. B25J 13/00, БИ №21, 2005 г.), содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на основании робота, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и первому входу первого сумматора, третий вход - к выходу второго блока умножения, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого сумматора, последовательно соединенные первый датчик положения и четвертый сумматор, второй вход которого подключен ко входу устройства, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости, квадратор и третий блок умножения, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного сигнала, а выход - с первым входом второго блока умножения, причем выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, синусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения и шестой сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, а выход - со вторым входом второго блока умножения, причем второй вход третьего блока умножения через косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, последовательно соединенные дифференциатор, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, и шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом синусного функционального преобразователя, а выход - с третьим входом шестого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго датчика скорости и первому входу пятого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом квадратора, а второй вход - к выходу датчика ускорения и входу дифференциатора, и восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу косинусного функционального преобразователя, а выход - к четвертому входу шестого сумматора, а также второй датчик ускорения, механически соединенный входом с выходным валом двигателя, а выходом - с четвертым входом второго сумматора. Это устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято за прототип.

Но в нем перемещение основания манипулятора в необходимом направлении в горизонтальной плоскости обеспечивается сразу двумя степенями подвижности (двумя приводами), что усложняет и утяжеляет манипулятор в целом. Особо усложняется вся конструкция, если основание манипулятора в процессе выполнения рабочих операций требуется контролируемо перемещать на большие расстояния. Вместо этого манипулятор целесообразно просто устанавливать на компактное мобильное основание, перемещаемое в нужном направлении.

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение полной инвариантности динамических свойств произвольного линейного перемещения манипулятора в горизонтальной плоскости к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при одновременном движении по всем рассматриваемым степеням подвижности и, тем самым, повышение его динамической точности управления.

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход привода горизонтальной степени подвижности манипулятора, который создает моментное воздействие, компенсирующее влияние других степеней подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого привода.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на основании робота, последовательно соединенные релейный блок и третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, входу релейного блока и первому входу первого сумматора, третий вход - к выходу второго блока умножения, а выход - ко второму входу второго сумматора, третий вход которого подключен к выходу первого сумматора, последовательно соединенные первый датчик положения и четвертый сумматор, второй вход которого подключен ко входу устройства, а выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости, квадратор и третий блок умножения, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом источника постоянного сигнала, а выход - с первым входом второго блока умножения, причем выход датчика массы соединен со вторым входом первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, синусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика ускорения и шестой сумматор, второй вход которого соединен с выходом третьего блока умножения, а выход - со вторым входом второго блока умножения, причем второй вход третьего блока умножения через косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, последовательно соединенные дифференциатор, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу пятого блока умножения, и шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом синусного функционального преобразователя, а выход - с третьим входом шестого сумматора, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго датчика скорости и первому входу пятого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом квадратора, а второй вход - к выходу датчика ускорения и входу дифференциатора, и восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу косинусного функционального преобразователя, а выход - к четвертому входу шестого сумматора, а также второй датчик ускорения, механически соединенный входом с выходным валом двигателя, а выходом - с четвертым входом второго сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные источник сигнала углового положения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго датчика положения, а выход - к входам синусного и косинусного функциональных преобразователей.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения и существенных признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают простоту конструкции манипулятора, а также высокую точность и устойчивость работы рассматриваемого электропривода в условиях существенного изменения параметров его нагрузки.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где

на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства;

на фиг. 2 - кинематическая схема манипулятора;

на фиг. 3 - вид кинематической схемы манипулятора сверху.

Самонастраивающийся электропривод манипулятора содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком скорости 6 непосредственно и через редуктор 7 - с шестерней 8, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на основании робота, последовательно соединенные релейный блок 9 и третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 9 и первому входу первого сумматора 1, третий вход - к выходу второго блока 11 умножения, а выход - ко второму входу второго сумматора 3, третий вход которого подключен к выходу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый датчик 12 положения и четвертый сумматор 13, второй вход которого подключен ко входу устройства, а выход - ко второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные второй датчик 14 скорости, квадратор 15 и третий блок 16 умножения, последовательно соединенные датчик 17 массы и пятый сумматор 18, второй вход которого соединен с выходом источника 19 постоянного сигнала, а выход - с первым входом второго блока 11 умножения, причем выход датчика 17 массы соединен со вторым входом первого блока 2 умножения, последовательно соединенные второй датчик 20 положения, синусный функциональный преобразователь 21, четвертый блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 23 ускорения и шестой сумматор 24, второй вход которого соединен с выходом третьего блока 16 умножения, а выход - со вторым входом второго блока 11 умножения, причем второй вход третьего блока 16 умножения через косинусный функциональный преобразователь 25 подключен к выходу второго датчика 20 положения, последовательно соединенные дифференциатор 26, седьмой сумматор 27, второй вход которого подключен к выходу пятого блока 28 умножения, и шестой блок 29 умножения, второй вход которого соединен с выходом синусного функционального преобразователя 21, а выход - с третьим входом шестого сумматора 24, последовательно соединенные седьмой блок 30 умножения, первый вход которого подключен к выходу второго датчика 14 скорости и первому входу пятого блока 28 умножения, второй вход которого соединен с выходом квадратора 15, а второй вход - к выходу датчика 23 ускорения и входу дифференциатора 26, и восьмой блок 31 умножения, второй вход которого подключен к выходу косинусного функционального преобразователя 25, а выход - к четвертому входу шестого сумматора 24, а также второй датчик ускорения 32, механически соединенный входом с выходным валом двигателя 5, а выходом - с четвертым входом второго сумматора 3, последовательно соединенные источник 33 сигнала углового положения и восьмой сумматор 34, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 20 положения, а выход - к входам синусного 21 и косинусного 25 функциональных преобразователей.

Рассматриваемый электропривод управляет линейным перемещением в горизонтальной плоскости основания манипулятора (обобщенная координата q₂). Конструкция манипулятора позволяет осуществлять еще поворот вертикального звена (обобщенная координата q₁) и вертикальное прямолинейное перемещение (обобщенная координата q₃). Три ориентирующие степени подвижности манипулятора (вблизи его схвата) ввиду их малого влияния на координату q₂ не рассматриваются.

На чертежах введены следующие обозначения: q_вх - сигнал желаемого значения координаты q₂; ε - ошибка электропривода; - скорость и ускорение обобщенной координаты q₁; m₁, m₂, m_г - массы соответствующих звеньев манипулятора и захваченного груза; l=const - расстояние от оси вращения горизонтального звена до его центра масс; l_Г - расстояние от оси вращения горизонтального звена до груза; - скорость вращения ротора двигателя второй степени подвижности; U*, U - соответственно, усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 5; α - текущее значения угла, который очередная прямолинейная траектория движения основания манипулятора по координате q₂ составляет с осью X.

В процессе перемещения манипулятора в горизонтальной плоскости на электропривод, управляющий его координатой q₂, действует момент

Н=(m₁+m₂+m_г)r²,

где r - радиус передачи (шестерни) преобразующей вращательное движение выходного вала электропривода, в поступательное движение основания манипулятора по координате q₂ в горизонтальной плоскости.

С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений электрической и механической цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения, рассматриваемый электропривод манипулятора описывается следующим дифференциальным уравнением:

где R - активное сопротивления якорной цепи электродвигателя 5; J - момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу электродвигателя; k_м - коэффициент крутящего момента; k_ω - коэффициент противоЭДС; k_в - коэффициент вязкого трения; i_p - передаточное отношение редуктора; М_стр - момент сухого трения; k_у - коэффициент усиления усилителя 4; i - ток якоря электродвигателя 5;

Из уравнения (3) видно, что его параметры, а, следовательно, параметры и динамические свойства электропривода, управляющего координатой q₂ являются существенно переменными, зависящими от и m_г. В результате для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры электропривода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Устройство работает следующим образом.

Полагается, что при одном рабочем цикле при движении манипулятора по оси q₂ он будет способен выполнить все рабочие операции со всеми объектами работ, которые в некотором ограниченном коридоре могут располагаться по обе стороны от этой оси.

Первый положительный вход сумматора 1 (со стороны сумматора 13) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления k_ω/k_у. В результате на выходе сумматора 1 формируется сигнал

Источник 19 постоянного сигнала формирует сигнал m₁, а датчик 17 измеряет величину m_г. Первый положительный вход сумматора 18 (со стороны датчика 17) имеет коэффициент усиления l_гr/i_p, а его второй положительный вход - коэффициент усиления lr/i_p. В результате на выходе сумматора 18 формируется сигнал r(m₁l+m_гl_г)/i_p.

Датчики 20, 14 и 23 установлены в первой степени подвижности манипулятора (фиг. 2) и измеряют координаты соответственно. Сумматор 34 имеют единичные коэффициенты усиления. Источник 33 (датчик угла или гироскоп) формирует сигнал угла α, который подается на первый отрицательный вход сумматора 26, а на его второй положительный вход подается сигнал q₁. На выходе блока 20 формируется сигнал на выходе блока 18 - сигнал а на выходе сумматора 19, имеющего положительные входы с единичными коэффициентами усиления - сигнал

Первый отрицательный (со стороны дифференциатора 26) и второй положительный входы сумматора 27 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока умножения 29 формируется сигнал

Первый и второй отрицательные (соответственно со стороны блоков 22 и 16) входы сумматора 24 имеют единичные коэффициенты усиления, третий положительный (со стороны блока 29) - коэффициент усиления, равный L/R, а четвертый отрицательный, на вход которого поступает сигнал - коэффициент усиления, равный 3L/R,. В результате на выходе блока 11 умножения формируется сигнал

Выходной сигнал релейного элемента 9 имеет вид

где |М_т| - величина момента сухого трения при вращении двигателя.

Первый (со стороны релейного элемента 9) и третий (со стороны блока 11) положительные входы сумматора 10 имеют единичные коэффициенты усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный . В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

Все входы сумматора 3 положительные. Его первый вход (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления (где J_н - номинальное значение момента инерции, приведенного к валу электродвигателя 5), второй (со стороны сумматора 10) - коэффициент усиления, равный R/(k_мk_y), третий (со стороны сумматора 1) - коэффициент усиления а четвертый - коэффициент усиления k_BL/(k_Mk_У).

В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал

Несложно показать, что поскольку при движении привода достаточно точно соответствует М_стр, то, подставив полученное значение U* (4) в соотношение (3), получим уравнение

которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть рассматриваемый привод, управляющий координатой q₂, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями, которые определяются выбором желаемых значений k_y, J_н.