Самонастраивающийся электропривод манипулятора
SELF-ADJUSTING ELECTRIC DRIVE OF MANIPULATOR

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов манипуляторов.
Известно устройство для управления приводом робота, 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 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 к 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 (см. патент РФ № 2212330, БИ № 26, 2003 г.).
Недостатком этого устройства является то, что оно эффективно только для конкретной степени подвижности манипулятора, имеющего призматическую степень подвижности. Поэтому рассматриваемое устройство не обеспечит высокую динамическую точность управления приводу манипулятора, имеющего вращательную степень подвижности.
Известно также 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 к 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, выход которого подключен ко второму входу второго блока умножения, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, вход которого соединен с 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 (см. патент РФ №2212329, БИ № 26, 2003 г.).
Это устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению. Но в этом устройстве перемещение основания манипулятора в необходимом направлении в горизонтальной плоскости обеспечивается двумя степенями подвижности (двумя приводами), что усложняет и утяжеляет манипулятор в целом. Особо вся конструкция усложняется, если основание манипулятора в процессе выполнения рабочих операций требуется перемещать на большие расстояния, когда этот манипулятор целесообразно просто устанавливать на компактное мобильное основание.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств электропривода поворота манипулятора к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении этого манипулятора 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 нового сигнала управления, подаваемого на вход привода поворота манипулятора, который обеспечивает получение нового моментного воздействия, компенсирующего вредное моментное воздействие со стороны остальных степеней подвижности на качественные показатели работы рассматриваемого электропривода.
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, последовательно соединенные датчик массы и шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу задатчик постоянного сигнала, а выход – ко второму входу первого блока 1 умножения, причем выход датчика скорости подключен к вторым входам третьего 9 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.
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 упрощение общей конструкции манипулятора и высокую точность работы его электропривода поворота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.
На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 – кинематическая схема исполнительного органа робота; а на фиг. 3 – кинематическая схема исполнительного органа робота, вид 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 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 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 шестой сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 7 положения, а выход – к входу синусного функционального преобразователя 17.
На чертежах введены следующие обозначения:
– сигнал желаемого значения координаты ;  – ошибка привода;  – соответствующие обобщенные координаты манипулятора ,  – ускорение второй обобщенной координаты;  – массы соответствующих звеньев манипулятора и захваченного груза;  = const – расстояние от оси вращения горизонтального звена манипулятора до его центра масс; =const – расстояние от оси вращения горизонтального звена до груза;  – скорость вращения ротора двигателя первой степени подвижности;  – соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления двигателем 4;  – текущее значение угла, который очередная прямолинейная траектория движения манипулятора по координате  составляет с осью Х.
Устройство работает следующим образом.
Сигнал ошибки  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 , 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 электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его моментных нагрузочных характеристик, что позволяет обеспечить стабильность заданного качества системы управления.
Рассматриваемый электропривод управляет перемещением горизонтального звена манипулятора вокруг вертикальной оси (обобщенная координата ). Конструкция этого манипулятора позволяет осуществлять также вертикальное прямолинейное перемещение горизонтального звена (обобщенная координата ) и его горизонтальные прямолинейные перемещения (обобщенная координата ). Три ориентирующие степени подвижности манипулятора (вблизи его схвата) ввиду их малого влияния на координату  не рассматриваются.
Моментные характеристики электропривода, управляющего координатой , существенно зависят от непрерывного изменения координат , а также от  и текущего значения угла . Угол  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 оси  он будет способен выполнить все рабочие операции со всеми объектами работ, которые в некотором ограниченном коридоре могут располагаться по обе стороны от этой оси.
В связи с отмеченным для качественного управления координатой  необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат , массы  и угла  на динамические свойства рассматриваемого электропривода поворота.
Моментное воздействие на выходной вал электропривода поворота со стороны движущихся масс манипулятора и груза, определенное с помощью уравнения Лагранжа 2 рода, имеет вид:
(1)
где ,  (2)
и  – соответственно моменты инерции вертикального звена манипулятора относительно продольной оси и его 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 описывается следующим дифференциальным уравнением:
(3)
стр
где R, L – соответственно активное и индуктивное сопротивления якорной цепи; – коэффициент крутящего момента;  – коэффициент противо ЭДС; – коэффициент вязкого трения;  – момент инерции якоря двигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу двигателя; – передаточное отношение редуктора; М – момент сухого трения;  – коэффициент усиления усилителя 3; i – ток якоря электродвигателя;
Очевидно, что измерения H, М,  и  существенно влияют на динамические свойства, а следовательно, и качественные показатели работы рассматриваемого электропривода. Для реализации поставленной задачи 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 переменных М, Н, ,  и сил трения.
Выходной сигнал релейного элемента 16 имеет вид
где  – величина момента сухого трения при движении.
Первый положительный вход сумматора 9 (со стороны сумматора 8) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход – коэффициент усиления . В результате на выходе сумматора 9 формируется сигнал .
1
На выходе сумматора 21, первый положительный (со стороны источника 20, формирующего сигнал ) и второй отрицательный входы которого имеют единичные коэффициенты усиления, формируется сигнал  – q. Поэтому на выходе блока 18 формируется сигнал .
Первый (со стороны задатчика 10, формирующего сигнал ) и второй положительные входы сумматора 11 имеют коэффициенты усиления  и  соответственно. В результате, на выходе сумматора 11 формируется сигнал , а на выходе блока 12 – 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 . В результате на выходе сумматора 13 формируется сигнал
н
Первый (со стороны датчика 14) и второй положительные входы сумматора 15 имеют коэффициенты усиления ,  соответственно, где J – номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее электроприводу поворота заданные динамические свойства и качественные показатели. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал , а на выходе блока 1 – сигнал .
Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны блока 1) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный – коэффициент усиления . В результате на выходе сумматора 2 формируется сигнал:
(4)
Подставив  из (4) в (3), получим:
(5)
н
У
Очевидно, что уравнение (5) за счет выбора J и k может иметь постоянные желаемые параметры, а сам рассматриваемый электропривод, описываемый уравнением (5), будет иметь постоянные желаемые динамические свойства и качественные показатели.