Результат интеллектуальной деятельности: 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 блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, а выходом через третий сумматор - к первому входу первого блока умножения, последовательно соединенные источник постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй блок умножения и пятый сумматор, последовательно соединенные датчик массы и шестой сумматор, выход которого подключен ко второму входу первого блока умножения, причем выход датчика скорости подключен ко входу релейного элемента и вторым входам третьего и пятого сумматоров, третий вход пятого сумматора подключен к выходу релейного элемента, а его выход - ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, и седьмой сумматор, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен со входом синусного функционального преобразователя и выходом датчика положения, и четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, а выход - ко второму входу седьмого сумматора, причем вторые входы четвертого и шестого сумматоров подключены, соответственно, к выходам датчика массы и источника постоянного сигнала, третий датчик ускорения, механически соединенный входом с выходным валом двигателя, а выходом - с четвертым входом пятого сумматора, последовательно соединенные первый дифференциатор, восьмой сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого блока умножения, и шестой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом косинусного функционального преобразователя, последовательно соединенные седьмой блок умножения, первый вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения и входу первого дифференциатора, а его второй вход - к выходу первого датчика скорости и первому входу пятого блока умножения, девятый сумматор, второй вход которого через второй дифференциатор соединен с выходом первого датчика ускорения и вторым входом пятого блока умножения, восьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом синусного функционального преобразователя, и десятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом седьмого сумматора, третий - с выходом шестого блока умножения, а выход - со вторым входом второго блока умножения (патент RU №2258600, кл. B25J 13/00, БИ №23, 2005).

Недостатком этого устройства является то, что 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.

Известен также самонастраивающийся электропривод манипулятора (патент RU №2631784, кл. B25J 13/00, G05B 13/02, БИ №27, 2017), содержащий последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный с датчиком скорости, установленным в первой степени подвижности манипулятора, непосредственно и через редуктор с первым датчиком положения, установленным в первой степени подвижности манипулятора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, а выходом через третий сумматор - к первому входу первого блока умножения, последовательно соединенные задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй блок умножения и пятый сумматор, последовательно соединенные датчик массы захваченного груза и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчик постоянного сигнала, а выход - ко второму входу первого блока умножения, причем выход датчика скорости подключен к вторым входам третьего и пятого сумматоров и через релейный элемент - к третьему входу пятого сумматора, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока умножения, дополнительно вводятся последовательно соединенные источник сигнала углового положения и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, а выход - к входу синусного функционального преобразователя. Это устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению и принято за прототип.

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

Задачей заявляемого технического решения является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода поворота при произвольном линейном перемещения манипулятора в горизонтальной плоскости с его одновременным вращением вокруг вертикальной оси к непрерывным и быстрым изменениям динамических моментных нагрузочных характеристик 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 поворота манипулятора, который создает моментное воздействие, компенсирующее влияние другой степени подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого электропривода при учете его электрической постоянной времени.

Поставленная задача решается тем, что в самонастраивающийся электропривод манипулятора, содержащий последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный с датчиком скорости, установленным в первой степени подвижности манипулятора, непосредственно и через редуктор - с первым датчиком положения, установленным в первой степени подвижности манипулятора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, а выходом через третий сумматор - к первому входу первого блока умножения, последовательно соединенные задатчик постоянного сигнала, четвертый сумматор, второй блок умножения и пятый сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно соединенные датчик массы захваченного груза и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчик постоянного сигнала, а выход - ко второму входу первого блока умножения, причем выход датчика скорости подключен к вторым входам третьего и пятого сумматоров и через релейный элемент - к третьему входу пятого сумматора, последовательно соединенные первый синусный функциональный преобразователь и третий блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные источник сигнала углового положения и седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого датчика положения, а выход - к входу синусного функционального преобразователя, причем второй вход четвертого сумматора подключен к выходу датчика массы, дополнительно введены второй датчик ускорения, установленный на выходном валу редуктора, последовательно соединенные дифференциатор, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого синусного функционального преобразователя, восьмой сумматор, и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, а выход - к третьему ходу первого сумматора, четвертый вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, и шестой блок умножения, второй вход которого через седьмой блок умножения подключен к выходу первого датчика ускорения и входу дифференциатора, а выход - ко второму входу восьмого сумматора, причем второй вход седьмого блока умножения подключен к выходу 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 электропривода робота в условиях существенного изменения его параметров нагрузки.

Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами:

На фиг. 1 представлена функциональная схема электроривода,

на фиг. 2 - кинематическая схема манипулятора,

на фиг. 3 - его кинематическая схема на виде сверху.

Самонастраивающийся электропривод манипулятора содержит последовательно соединенные первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, усилитель 3 и электродвигатель 4, связанный с датчиком 5 скорости, установленным в первой степени подвижности манипулятора, непосредственно и через редуктор 6 - с первым датчиком 7 положения, установленным в первой степени подвижности манипулятора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 8, подключенного вторым входом к входу устройства, а выходом через третий сумматор 9 - к первому входу первого блока 1 умножения, последовательно соединенные задатчик 10 постоянного сигнала, четвертый сумматор 11, второй блок 12 умножения и пятый сумматор 13, выход которого подключен к второму входу первого сумматора 2, последовательно соединенные датчик 14 массы захваченного груза и шестой сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу задатчик 10 постоянного сигнала, а выход - ко второму входу первого блока 1 умножения, причем выход датчика 5 скорости подключен к вторым входам третьего 9 и пятого сумматоров 13 и через релейный элемент 16 - к третьему входу пятого сумматора 13, последовательно соединенные первый синусный функциональный преобразователь 17 и третий блок 18 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 19 ускорения, установленного во второй степени подвижности манипулятора, а выход - к второму входу второго блока 12 умножения, последовательно соединенные источник 20 сигнала углового положения и седьмой сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 7 положения, а выход - к входу синусного функционального преобразователя 17, причем второй вход четвертого сумматора 11 подключен к выходу датчика 14 массы, второй датчик 22 ускорения, установленный на выходном валу редуктора 6, последовательно соединенные дифференциатор 23, четвертый блок 24 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого синусного функционального преобразователя 17, восьмой сумматор 25, и пятый блок 26 умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 11, а выход - к третьему ходу первого сумматора 2, четвертый вход которого подключен к выходу второго датчика 22 ускорения, последовательно соединенные второй косинусный функциональный преобразователь 27, вход которого подключен к выходу седьмого сумматора 21, и шестой блок 28 умножения, второй вход которого через седьмой блок 29 умножения подключен к выходу первого датчика 19 ускорения и входу дифференциатора 23, а выход - ко второму входу восьмого сумматора 25, причем второй вход седьмого блока 29 умножения подключен к выходу датчика 5 скорости. Объект 30 управления.

На чертежах введены следующие обозначения:

q_вх - сигнал желаемого значения первой обобщенной координаты манипулятора q₁; ε=q_вх-q₁ - ошибка электропривода; q₂, q₃ - вторая обобщенная координата манипулятора, ее ускорение и третья обобщенная координата, соответственно; m₁, m₂, m_г - массы соответствующих звеньев манипулятора и захваченного груза; l=const, l_г=const - соответственно, расстояния от оси вращения горизонтального звена манипулятора до его центра масс и до груза; - скорость и ускорение вращения ротора двигателя первой степени подвижности, соответственно; U^*, U - соответственно, усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 4; α - текущего значения угла, который очередная прямолинейная траектория движения манипулятора по координате q₂ составляет с осью X.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал ошибки ε с сумматора 8 после коррекции в блоках 1, 2 и 9, усиливаясь, поступает на электродвигатель 4, приводит его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала ε, моментов трения и внешнего моментного воздействия М. 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 этого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.

Рассматриваемый электропривод управляет вращением горизонтального звена манипулятора вокруг вертикальной оси (координата q₁). Конструкция этого манипулятора позволяет осуществлять также вертикальное прямолинейное перемещение горизонтального звена (координата q₃) и его горизонтальные прямолинейные перемещения (обобщенная координата q₂). Три ориентирующие степени подвижности манипулятора (вблизи его схвата) ввиду их малого влияния на координату q₁ не рассматриваются.

Моментное воздействие на выходной вал электропривода поворота со стороны движущихся масс манипулятора и груза, определенное с помощью уравнения Лагранжа 2 рода, имеет вид

где

J_S и J_N - соответственно моменты инерции вертикального звена манипулятора относительно его продольной оси и горизонтального звена относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс.

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

где R, L - активное и индуктивное сопротивления якорной цепи, соответственно; k_M - коэффициент крутящего момента; k_ω - коэффициент противо ЭДС; k_B - коэффициент вязкого трения; J - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу электородвигателя; i_p - передаточное отношение редуктора; М_стр - момент сухого трения; k_y - коэффициент усиления усилителя 3; I - ток якоря;

Моментные характеристики электропривода, управляющего координатой q₁, существенно зависят от непрерывного изменения координат q₁, α и m_г. В связи с этим для качественного управления координатой q₁ необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения этих координат на динамические свойства и качественные показатели рассматриваемого электропривода. Для реализации поставленной цели необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры электропривода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами и не зависел бы от указанных переменных параметров и сил трения. Угол α в зависимости от конструкции манипулятора и его основания может измеряться соответствующими датчиками или устанавливаться дискретно для одного цикла работы манипулятора. При этом полагается, что при одном рабочем цикле при движении манипулятора по координате q₂ он будет способен выполнить все рабочие операции со всеми объектами, которые в некотором ограниченном коридоре могут располагаться по обе стороны от оси прямолинейного движения.

Выходной сигнал релейного блока 16 имеет вид

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

Первый положительный вход сумматора 8 (соединен со входом электропривода) и его второй отрицательный вход имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал, равный ε.

Первый положительный вход сумматора 9 (со стороны сумматора 8) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления k_ω/k_y. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал, равный

Первый (со стороны задатчика 10) и второй положительные входы сумматора 11 имеют коэффициенты усиления и l_г/i_p, соответственно. Причем на выходе задатчика 10 формируется сигнал, равный В результате на выходе сумматора 11 формируется сигнал, равный (m₁l₁+m_гl_г)/i_p. Датчик 20 измеряет величину α. Первый (со стороны источника 20) положительный и второй отрицательный входы сумматора 21 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе сумматора 21 формируется сигнал q₁-α, а на выходе блока 12 - сигнал Первый (со стороны датчика 14) и второй положительные входы сумматора 15 имеют коэффициенты усиления соответственно, где J_н - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее электроприводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели. В результате на выходе сумматора 15 формируется сигнал а на выходе блока 1 - сигнал

Первый (со стороны блока 12) и третий (со стороны релейного элемента 16) положительные входы сумматора 13 имеют единичные коэффициенты усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления k_мk_ω/R+k_в. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

Первый положительный вход сумматора 25 (со стороны блока 24) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления 1/i_p. В результате на его выходе формируется сигнал а на выходе блока 26 - сигнал

Все входы сумматора 2 положительные. Его первый вход (со стороны блока 1) имеет единичный коэффициент усиления, второй (со стороны сумматора 13) - коэффициент усиления R/(k_мk_y), третий (со стороны блока 26) - коэффициент усиления L/(k_мk_y), а четвертый - коэффициент усиления Lk_Bi_p/(k_мk_y). В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал

После подстановки U^* с учетом выражения (4) в выражение (3) уравнение, описывающее динамику рассматриваемого электропривода, будет иметь вид

Очевидно, что уравнение (5) имеет постоянные желаемые параметры, а сам рассматриваемый электропривод - постоянные желаемые динамические свойства и показатели качества работы.