ЭЛЕКТРОПРИВОД МАНИПУЛЯТОРА

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления электроприводами манипуляторов.

Известно устройство для управления приводом робота, содержащее 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 постоянного сигнала, первый квадратор, четвертый сумматор, второй вход которого соединен с выходом второго задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения и шестой сумматор, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель, первый функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, а выход - ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные второй функциональный преобразователь, вход которого подключен к входу второго усилителя, второй квадратор, четвертый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого задатчика постоянного сигнала, его третий вход через последовательно соединенные третий функциональный преобразователь и третий квадратор - к входу второго усилителя, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного 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, а его 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 - со вторым входом шестого сумматора, девятый блок умножения, выход которого подключен к четвертому входу второго сумматора, десятый сумматор, релейный элемент, выход которого подключен к второму входу второго сумматора, а вход - к выходу первого датчика скорости, третьему входу второго сумматора и первому входу девятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, причем первый вход десятого сумматора подключен к выходу первого сумматора, его второй вход - к выходу первого датчика скорости, а выход - к первому входу первого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора (см. патент РФ №2028931, B25J 13/00, 1995).

Недостатком данного устройства является то, что оно предназначено для электропривода манипулятора с другой кинематической схемой. Для электропривода рассматриваемой степени подвижности рассматриваемого манипулятора (с другой кинематической схемой) это устройство не будет обеспечивать требуемую динамическую точность работы.

Известен также электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель, электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен со входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика постоянного сигнала, пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика постоянного сигнала, второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, шестой сумматор и третий блок умножения, последовательно соединенные третий датчик положения и первый косинусный функциональный преобразователь, последовательно соединенные второй датчик скорости, четвертый и пятый блоки умножения, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, и седьмой блок умножения, последовательно соединенные третий задатчик постоянного сигнала и восьмой сумматор, последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала и девятый сумматор, релейный элемент, вход которого подключен к выходу первого датчика скорости и вторым входам второго и третьего сумматоров, а выход - к третьему входу третьего сумматора, а также пятый задатчик постоянного сигнала, третий датчик скорости и второй синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены последовательно соединенные первый датчик ускорения, восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя и второму входу четвертого блока умножения, десятый сумматор, второй вход которого через последовательно соединенные квадратор и девятый блок умножения подключен к выходу третьего датчика скорости и второму входу пятого блока умножения, а выход - ко второму входу третьего блока умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора, а также одиннадцатый сумматор, первый и второй входы которого соединены с выходами восьмого сумматора и пятого задатчика постоянного сигнала, а выход - с пятым входом третьего сумматора и вторым входом девятого сумматора, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, второй датчик ускорения, выход которого соединен с первым входом шестого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу второго функционального преобразователя и второму входу девятого блока умножения, и десятый блок умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам четвертого сумматора и третьего задатчика постоянного сигнала, а выход - ко второму входу шестого сумматора, причем шестой вход третьего сумматора соединен с выходом седьмого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход редуктора соединен с шестерней (см. патент РФ 2425746. Бюл. №22, 2011).

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

Недостатком данного устройства также является то, что оно предназначено для электропривода манипулятора с другой кинематической схемой. Для электропривода рассматриваемой степени подвижности рассматриваемого манипулятора (с другой кинематической схемой) это устройство не будет обеспечивать требуемую динамическую точность работы.

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

Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании нового сигнала управления, подаваемого на вход рассматриваемого электропривода, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны других степеней подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого электропривода.

Поставленная задача решается тем, что в электропривод манипулятора, содержащий последовательно соединенные первый и второй сумматоры, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель, электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости, выход которого подключен ко вторым входам второго и третьего сумматоров, и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора, второй вход которого соединен со входом устройства, последовательно соединенные второй датчик положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, четвертый сумматор, пятый сумматор, второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу шестого сумматора, седьмой сумматор и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные третий датчик положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и первый косинусный функциональный преобразователь, последовательно соединенные второй датчик скорости, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, и четвертый блок умножения, первый датчик ускорения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу третьего датчика положения, и пятый блок умножения, последовательно соединенные третий датчик скорости, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и первый квадратор, последовательно соединенные шестой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика скорости, и седьмой блок умножения, последовательно соединенные второй датчик ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восьмой блок умножения, последовательно соединенные задатчик постоянного сигнала и девятый сумматор, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, а второй вход - к выходу шестого сумматора и к второму входу четвертого блока умножения, причем выход датчика скорости через релейный элемент подключен к четвертому входу третьего сумматора, дополнительно вводятся последовательно соединенные четвертый датчик положения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, третий косинусный функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу пятого блока умножения, девятый блок умножения и десятый блок умножения, второй вход которого через одиннадцатый блок умножения, вторым входом соединенный с выходом шестого сумматора, подключен к выходу первого датчика ускорения, а выход - к пятому входу третьего сумматора, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу четвертого датчика положения, двенадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого косинусного функционального преобразователя и второму входу девятого блока умножения, тринадцатый блок умножения, десятый сумматор, второй вход которого через четырнадцатый блок умножения подключен к выходу пятого блока умножения и второму входу восьмого блока умножения, и пятнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока умножения, а выход - к шестому входу третьего сумматора, последовательно соединенные третий датчик ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и шестнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу двенадцатого блока умножения, а выход - к первому входу восьмого сумматора, второй вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения, последовательно соединенные второй квадратор, вход которого подключен к выходу четвертого датчика скорости, установленного в первой степени подвижности манипулятора, к второму входу тринадцатого блока умножения и к второму входу шестого блока умножения, одиннадцатый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора, семнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, и восемнадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу девятого блока умножения, а выход - к седьмому входу третьего сумматора, восьмой вход которого подключен к выходу девятнадцатого блока умножения, первый вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, второй вход - к выходу седьмого блока умножения, второй вход которого соединен с выходом двадцатого блока умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам второго и четвертого функциональных преобразователей, причем выход задатчика постоянного сигнала подключен ко вторым входам четвертого, пятого и шестого сумматоров, а второй вход четырнадцатого блока умножения соединен с выходом третьего датчика скорости.

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

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

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого электропривода манипулятора, а на фиг.2 - кинематическая схема манипулятора.

Электропривод манипулятора содержит последовательно соединенные первый 1 и второй 2 сумматоры, первый блок 3 умножения, третий сумматор 4, усилитель 5, электродвигатель 6, связанный непосредственно с первым датчиком 7 скорости, выход которого подключен ко вторым входам второго 2 и третьего 4 сумматоров, и через редуктор 8 - с первым датчиком 9 положения, выход которого подключен к первому входу первого сумматора 1, второй вход которого соединен со входом устройства, последовательно соединенные второй датчик 10 положения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, четвертый сумматор 11, пятый сумматор 12, второй блок 13 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 14 массы и первому входу шестого сумматора 15, седьмой сумматор 16 и третий блок 17 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 18, а выход - к третьему входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные третий датчик 19 положения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и первый косинусный функциональный преобразователь 20, последовательно соединенные второй датчик 21 скорости, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, и четвертый блок 22 умножения, первый датчик 23 ускорения, установленный в третьей степени подвижности манипулятора, последовательно соединенные второй синусный функциональный преобразователь 24, вход которого подключен к выходу третьего датчика 19 положения, и пятый блок 25 умножения, последовательно соединенные третий датчик 26 скорости, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и первый квадратор 27, последовательно соединенные шестой блок 28 умножения, первый вход которого подключен к выходу третьего датчика 26 скорости, и седьмой блок 29 умножения, последовательно соединенные второй датчик 30 ускорения, установленный во второй степени подвижности манипулятора, и восьмой блок 31 умножения, последовательно соединенные задатчик 32 постоянного сигнала и девятый сумматор 33, выход которого подключен ко второму входу первого блока 3 умножения, а второй вход - к выходу шестого сумматора 15 и к второму входу четвертого блока 22 умножения, причем выход датчика 7 скорости через релейный элемент 34 подключен к четвертому входу третьего сумматора 4, а выход редуктора 8 соединен с шестерней 55, последовательно соединенные четвертый датчик 35 положения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, третий косинусный функциональный преобразователь 36, выход которого подключен ко второму входу пятого блока 25 умножения, девятый блок 37 умножения и десятый блок 38 умножения, второй вход которого через одиннадцатый блок 39 умножения, вторым входом соединенный с выходом шестого сумматора 15, подключен к выходу первого датчика 23 ускорения, а выход - к пятому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные четвертый синусный функциональный преобразователь 40, вход которого подключен к выходу четвертого датчика 35 положения, двенадцатый блок 41 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого косинусного функционального преобразователя 20 и второму входу девятого блока 37 умножения, тринадцатый блок 42 умножения, десятый сумматор 43, второй вход которого через четырнадцатый блок 44 умножения подключен к выходу пятого блока 25 умножения и второму входу восьмого блока 31 умножения, и пятнадцатый блок 45 умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого блока 22 умножения, а выход - к шестому входу третьего сумматора 4, последовательно соединенные третий датчик 46 ускорения, установленный в первой степени подвижности манипулятора, и шестнадцатый блок 47 умножения, второй вход которого подключен к выходу двенадцатого блока 41 умножения, а выход - к первому входу восьмого сумматора 18, второй вход которого подключен к выходу восьмого блока 31 умножения, последовательно соединенные второй квадратор 48, вход которого подключен к выходу четвертого датчика 49 скорости, установленного в первой степени подвижности манипулятора, к второму входу тринадцатого 42 блока умножения и к второму входу шестого 28 блока умножения, одиннадцатый сумматор 50, второй вход которого подключен к выходу первого квадратора 27, семнадцатый блок 51 умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 16, и восемнадцатый блок 52 умножения, второй вход которого подключен к выходу девятого блока 37 умножения, а выход - к седьмому входу третьего сумматора 4, восьмой вход которого подключен к выходу девятнадцатого блока 53 умножения, первый вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 16, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора 11, второй вход - к выходу седьмого блока 29 умножения, второй вход которого соединен с выходом двадцатого блока 54 умножения, первый и второй входы которого подключены к выходам второго 24 и четвертого 40 функциональных преобразователей, причем выход задатчика 32 постоянного сигнала подключен ко вторым входам четвертого 11, пятого 12 и шестого 15 сумматоров, второй вход четырнадцатого блока 44 умножения - к выходу третьего датчика 26 скорости.

На чертежах введены следующие обозначения: q_вх - сигнал желаемого положения четвертой степени подвижности манипулятора; q_i - соответствующие обобщенные координаты манипулятора; - скорости изменения соответствующих обобщенных координат ; ε - ошибка электропривода (величина рассогласования); m₁, m₂, m_г - соответственно массы первого, второго звеньев манипулятора и захваченного груза; l₁=const - длина первого звена манипулятора, исходное расстояние от оси вращения второго звена до его центра масс при q₃=0; l₂=const - расстояние от центра масс второго звена до средней точки схвата; - скорость вращения ротора электродвигателя четвертой степени подвижности; α_p4 - угол поворота выходного вала редуктора рассматриваемого электропривода, который управляет обобщенной координатой q₄; U*, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 6.

Рассматриваемый электропривод (фиг.2) позволяет осуществлять горизонтальное прямолинейное перемещение манипулятора (координата q₄), вращение вокруг вертикальной и горизонтальной осей (координаты q₁, q₂ соответственно), а также телескопическое перемещение второго звена (координата q₃).

Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε после коррекции в блоках 1, 2, 3, 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 M_B. Электропривод при работе манипулятора с различными грузами, а также за счет взаимовлияния между всеми его степенями подвижности обладает переменными моментными характеристиками, которые могут меняться в широких пределах. Это снижает качественные показатели работы электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В результате возникает задача, связанная с обеспечением инвариантности динамических свойств этого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить его точную и устойчивую работу.

Моментные характеристики электропривода, управляющего координатой q₄, зависят от изменения координат q₁, q₂, q₃, , , , , , и груза m_Г. Поэтому для качественного управления координатой q₄ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат, а также переменной массы груза m_Г на динамические свойства рассматриваемого электропривода (координата q₄).

Манипулятор в горизонтальной плоскости перемещается с помощью рассматриваемого электропривода посредством передачи шестерня-рейка (координата q₄). Причем рейка установлена в основании манипулятора, а шестерня 55 радиусом r - на выходном валу редуктора 8 электропривода.

С помощью уравнений Лагранжа второго рода несложно показать, что в процессе движения манипулятора на его координату q₄ действует сила

,

которая в процессе этого движения создает на выходном валу редуктора 8 момент, равный

.

С учетом соотношения (1), а также уравнений электрической и механической , цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q₄, можно описать следующим дифференциальным уравнением

,

где R - активное сопротивление якорной обмотки электродвигателя 6; k_M - коэффициент крутящего момента; J - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу электродвигателя; k_ω - коэффициент противо-ЭДС; k_В - коэффициент вязкого трения; i_р - передаточное отношение редуктора; M_стр - момент сухого трения; k_у - коэффициент усиления усилителя 5; i - ток якоря электродвигателя 6; - ускорение вращения вала электродвигателя;

;

.

Из выражения (2) видно, что параметры этого уравнения, а, следовательно, параметры и динамические свойства электропривода, управляющего координатой q₄, являются существенно переменными, зависящими от q₁, q₂, q₃, , , , , , и груза m_Г. В результате для реализации поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры этого электропривода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.

Первый отрицательный вход сумматора 1 (со стороны датчика 9) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход -коэффициент усиления, равный 1/r. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал ε=q_вх/r-α_p4.

Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны сумматора 1) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления . В результате на выходе сумматора 2 формируется сигнал .

Датчики 35, 19 и 10 установлены соответственно в первой, второй и третьей степенях подвижности исполнительного органа робота и измеряют обобщенные координаты q₁, q₂ и q₃ соответственно. Датчики 49, 26 и 21 установлены соответственно в его первой, второй и третьей степенях подвижности и измеряют скорости , и , а датчики 46, 30 и 23 - в его первой, второй и третьей степенях подвижности и измеряют ускорения , и соответственно. Задатчик 32 формирует сигнал m₂. Датчик 14 измеряет m_Г.

На выходе сумматора 15, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, формируется сигнал m₂+m_Г, на выходе блока 39 - сигнал , на выходе блока 37 - сигнал cosq₁cosq₂; а на выходе блока 38 - сигнал .

Первый положительный вход сумматора 33 (со стороны задатчика 32) имеет коэффициент усиления , а второй положительный - коэффициент усиления r². В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал .

Первый положительный вход сумматора 11 (со стороны датчика 10) имеет коэффициент усиления m₂, а второй положительный - коэффициент усиления . В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал . Первый положительный вход сумматора 12 (со стороны сумматора 11) имеет коэффициент усиления 1/m₂, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный l₂/m₂. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал , на выходе блока 13 - сигнал a на выходе сумматора 16, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, - сигнал .

На выходе блока 41 формируется сигнал sinq₁cosq₂, на выходе блока 47 - сигнал , на выходе блока 25 - сигнал sinq₂cosq₁, на выходе блока 31 - сигнал , на выходе сумматора 18, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, - сигнал , а на выходе блока 17 - сигнал .

На выходе блоков 42 и 44 формируются сигналы и соответственно, на выходе сумматора 43, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, - сигнал на выходе блока 22 - сигнал , а на выходе блока 45 - сигнал .

На выходе сумматора 50, все положительные входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, формируется сигнал , на выходе блока 51 - сигнал , а на выходе блока 52 - сигнал .

На выходе блока 28 формируется сигнал , на выходе блока 54 - сигнал sinq₁sinq₂, а на выходе блока 29 - сигнал . В результате на выходе блока 53 появляется сигнал .

Выходной сигнал релейного элемента 54 имеет вид

,

где |M_T| - величина момента сухого трения при движении.

Первый (со стороны блока 3), второй (со стороны датчика 7), четвертый (со стороны релейного элемента 54), положительные входы сумматора 4 соответственно имеют коэффициенты усиления , , , где J_H - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции электропривода. Восьмой положительный (со стороны блока 53) и шестой отрицательный (со стороны блока 45) входы этого сумматора имеют коэффициенты усиления , а пятый положительный (со стороны блока 38), третий (со стороны блока 17) и седьмой (со стороны блока 52) отрицательные входы - коэффициенты усиления . В результате на выходе сумматора 4 формируется сигнал

.

(3) Несложно показать, что, поскольку при движении электропривода достаточно точно соответствует M_стр, то, подставив полученное значение U* (3) в соотношение (2), получим уравнение , которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть предложенный электропривод, управляющий координатой q₄, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями.

Таким образом, за счет введения дополнительных элементов и новых связей удалось обеспечить полную инвариантность рассматриваемого электропривода манипулятора к внешним силовым воздействиям. Это позволяет получить стабильно высокое качество управления в любых режимах его работы.