УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ АВАРИЙНЫМ ТОРМОЖЕНИЕМ МАНИПУЛЯТОРА
MANIPULATOR EMERGENCY CONTROL DEVICE

Изобретение относится к средствам управления манипуляционным роботом.
При обнаружении нештатной ситуации или нажатии персоналом кнопки аварийной остановки система управления осуществляет аварийный останов робота-манипулятора [7]. При этом отключается питание всех приводов и включаются тормоза, если степени подвижности оснащены ими [1-7]. Аварийное торможение манипулятора является неуправляемым [5] и может привести к значительным отклонениям от программной траектории.
Уменьшить отклонение можно путем увеличения интенсивности торможения, например, создавая дополнительные тормозные усилия двигателями. В устройстве аварийного торможения, описываемом в патенте US 8736219 [8], предлагается оснастить каждый привод дополнительным реле, которое по сигналу аварийного торможения отключает питание привода и закорачивает обмотки электродвигателя. Возникающая противоЭДС создает достаточно большой тормозной момент, в результате чего двигатель тормозится быстрее, чем при отключении питания.
Описанное известное устройство может быть выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения. В нем так же, как и в заявляемом устройстве, все приводы оснащаются реле, которые при аварийном торможении выключают их питание по сигналу контроллера управления. Недостатком прототипа является то, что в нем не предусмотрено выключение питания независимо для каждого привода, в результате чего аварийное торможение является неуправляемым и его траектория формируется случайным образом.
Техническим результатом заявленного способа является возможность управления торможением, выбор траектории торможения с тем, чтобы она оказалась максимально близкой к программной. Это позволяет исключить столкновение с объектами, которые находятся в рабочей зоне.
Для того чтобы обеспечить указанный технический результат предлагается оснастить систему управления роботом-манипулятором устройством, которое в отличие от прототипа делает возможным выключение питания приводов в требуемой последовательности и с необходимыми задержками.
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого устройства и подключение его к системе управления манипуляционным роботом. На фиг. 1 обозначены: 1 - заявляемое устройство, 2 - индивидуальные средства - реле или аналогичная схема - включения/выключения питания привода робота по сигналам 3 от контроллера 4, предназначенного для определения момента начала торможения для каждой степени подвижности, 5 - электронная схема привода, 6 - вход напряжения питания приводов, 7 - входы датчиков положения исполнительных устройств манипулятора, подключенные к общему контроллеру устройства, 8 - вход сигнала включения аварийного торможения, 9 - выход напряжения питания приводов, 10 - система управления роботом, 11 - двигатель робота, 12 - датчик положения степени подвижности, 13 - контроллер следящей системы степени подвижности, 14 - реле или аналогичная электронная схема выключения питания приводов и включения тормозов робота, 15 - контроллер исполнения рабочей программы робота, 16 - блок питания, 17 - выходы управляющего напряжения тормоза степени подвижности, 18 - тормоз. Если манипулятор не оснащен тормозами, то блоки 17 и 18 отсутствуют, как и их связи с другими блоками схемы. Соединения, которые в системе управления должны быть исключены, отмечены на схеме пунктиром. Соединения, которые должны быть при подключении установлены, отмечены утолщенной линией.
Рассмотрим работу заявляемого устройства. При переходе к аварийному торможению контроллер робота 15 вырабатывает сигнал, по которому реле 14 системы управления штатно отключало питание электронных схем приводов 5. Этот сигнал поступает через вход 8 в контроллер заявленного устройства 4. После необходимых расчетов он определяет моменты выключения питания приводов и включения тормозов степеней подвижности. При этом учитываются текущие скорости степеней подвижности, которые вычисляются по показаниям датчиков положения 12, поступающие через входы 7. При движении манипулятора по программной траектории значения скоростей, вычисленные с помощью датчиков положения, совпадают с программными скоростями в степенях подвижности.
Сигнал 3 контроллера устройства переводит реле 2 в состояние, которое прерывает питание приводов (выход 9), поступающее через вход 6 от источника питания 16, и включает тормоза (выход 17). Это приводит к выключению двигателей 11 и срабатыванию тормозов 18, в результате чего робот останавливается.
Заявляемое устройство позволяет начинать торможение степеней подвижности независимо друг от друга. Эта возможность используется в изобретении для управления аварийным торможением манипулятора посредством выбора моментов начала торможения каждой степени подвижности с таким расчетом, чтобы реализовавшаяся траектория торможения как можно меньше отклонялась от программной.
i
Рассмотрим способ вычисления моментов начала торможения степеней подвижности. В момент поступления сигнала об аварийном торможении контроллер заявляемого устройства оценивает длительности интервалов времени T, в течение которых каждая степень подвижности остановится по формуле
а
а
i
i
i
i
i
где i - номер степени подвижности,  - временная задержка срабатывания тормоза (если степень подвижности не оснащена тормозом, то =0), v - скорость степени подвижности в начале торможения, w - ускорение торможения. В этой формуле скорость v является известной величиной. Она вычисляется контроллером по показаниям датчиков положения степеней подвижности.
а
a
i
i
i
Для того чтобы определить величины  и w, достаточно выполнить эксперимент по аварийному торможению и записать изменения координат степеней подвижности во времени. Включению тормоза соответствует момент, когда скорость изменения координат начинает интенсивно замедляться. Задержка в срабатывании тормоза  равна промежутку времени между моментом выдачи сигнала на торможение и фактическим началом торможения.
i
Оценка величины ускорения при торможении w степени подвижности i вычисляется по формуле:
i
i
в которой D - выбег степени подвижности, t - длительность торможения до полной остановки.
max
После вычисления длительностей торможения всех степеней подвижности находят такую, у которой длительность торможения максимальна. В дальнейшем ее величина обозначается через T, номер этой степени - через i0.
Торможение остальных степеней подвижности осуществляется с некоторой задержкой. Ее величина вычисляется с учетом условия минимизации отклонения расчетного движения степени от программного. Задача минимизации может быть решена численно с помощью известных методов вычислительной математики.
При некоторых естественных допущениях можно получить аналитическое решение задачи и использовать его для построения управления. Предположим, что при торможении координаты степени подвижности изменяются линейно, т.е. ускорение торможения постоянно. Заметим, что эта модель с достаточной для практического применения точностью описывает изменение координат в реальном движении.
ав
ав
i0
max
i0
i
i
торм
а
a
Решение задачи минимизации для рассматриваемой модели представлено на фиг. 2. Приняты следующие обозначения: О - момент начала аварийного торможения, О - момент начала работы тормоза степени подвижности, для которой время торможения максимально (О-О=), T - длительность торможения степени подвижности i0, которая тормозится дольше других,  - задержка срабатывания тормоза степени подвижности с номером i0, v - скорость степени подвижности i в начале аварийного торможения, T - вычисляемый момент начала торможения степени подвижности с номером i с учетом времени срабатывания тормоза (т.е. когда она физически начнет замедляться), В - точка пересечения программной траектории с траекторией торможения i-й степени подвижности, С - момент окончания торможения, А - скорость степени подвижности в момент срабатывания тормоза. Пунктиром показана программная скорость движения рассматриваемой степени подвижности, сплошной линией - изменение скорости для формируемой траектории торможения.
Опишем решение в осях с началом в точке О.
i
max
Условию оптимальности соответствует равенство площадей треугольников v АВ и ВСТ, так как площадь треугольника равна отклонению от программной траектории. Принимая во внимание, что эти треугольники подобны, из равенства площадей можно сделать вывод о равенстве треугольников. Принимая во внимание, что длительность остановки i-й степени подвижности равна
получаем, что минимальное отклонение достигается, если
ав
i0
i
а
a
Теперь учтем, что аварийное торможение начинается в точке О, отстоящей от точки О на . Поэтому требуемая задержка включения тормоза i-й степени от момента начала аварийного торможения с учетом времени срабатывания тормоза  равна
a
a
i0
i торм
i
+T-.
Выражение (1) позволяет получить следующую формулу для вычисления задержек без промежуточных величин:
Выполненные оценки показывают, что по сравнению с одновременным выключением питания приводов управление началом торможения позволяет в несколько раз уменьшить отклонение траектории торможения от программной траектории. Длительность торможения оказывается такой же, как и при одновременном торможении. Кроме этого, подключение устройства аварийного торможения не влияет на работу системы управления в штатном режиме.
Литература
1. Охоцимский Д.Е., Камынин С.С., Гримайло С.И., Кугушев Е.И. Реализация сборочных операций на роботе ПРАГМА А-3000. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН №82. Москва, ИПМ РАН, 1985. - 47 с.
2. Промышленный робот РМ-01. Руководство по аппаратной части. - Финляндия: А/О «Нокиа»; г. Минск, НПО «Гранат», 1987. - 127 с.
3. Промышленный робот РМ-01. Руководство по программированию. - Финляндия: А/О «Нокиа»; г. Минск, НПО «Гранат», 1987. - 107 с.
4. Промышленный робот РМ-01. Чертежи по механической и электрической части. - Финляндия: А/О «Нокиа»; г. Минск, НПО «Гранат», 1987. - 62 с.
5. Руководство пользователя робота UR3/CB3. Версия 3.1. Перевод оригинальных инструкций (ru). С-П., Universal Robots, 2015.
6. KUKA Robots KR 5 arc Specification. Augsburg, KUKA Roboter GmbH, 2011. P. 67.
7. http://www.robotappstore.com/Robopedia/Emergency%20Stop.
8. Josef Hofmann, Richard Schwarz, Soenke Marx, ndustrial robot having redundant emergency brake circuit. US 8736219 - 2014-05-27.