САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА
SELF-ADAPTIVE ELECTRIC DRIVE OF ROBOT

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании систем управления приводами роботов.
Известен самонастраивающийся электропривод робота, 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 горизонтальном звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтального звена относительно вертикального, 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 первый задатчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем выход датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему отрицательному входу третьего сумматора, выход датчика массы соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход датчика положения соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора (см. патент РФ №2037173, БИ №16, 1995 г.).
Недостатком этого устройства является то, что оно эффективно только для исполнительного органа робота, имеющего три степени подвижности (выдвижение руки, поворот вертикальной стойки и вертикальное перемещение руки). Однако при этих трех степенях подвижности у робота мала рабочая зона (зона обслуживания).
Известен также самонастраивающийся электропривод робота, 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 горизонтальном звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтально звена относительно вертикального, 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 первый задатчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем выход датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора, выход датчика массы соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход датчика положения соединен с вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика ускорения, и пятый блок умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора, а также последовательно соединенные третий задатчик сигнала и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу пятого блока умножения (см. патент РФ №2187426, БИ №23, 2002 г.).
Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому решению. Недостатком этого устройства является то, что оно эффективно только для робота, имеющего четыре степени подвижности (выдвижение руки, поворот вертикальной стойки, а также вертикальное и горизонтальное перемещение руки). Однако при этих четырех степенях подвижности робот не может выполнять рабочие операции на большой по площади горизонтальной плоскости. При введении еще одной пятой степени подвижности для перемещения руки в горизонтальной плоскости в рассматриваемом приводе появляются дополнительные возмущающие моментные воздействия, значительно ухудшающие его показатели качества. В результате возникает задача компенсации этих вредных дополнительных моментных воздействий за счет введения дополнительных сигналов коррекции.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении исполнительного органа робота по всем пяти рассматриваемым степеням подвижности и, тем самым, повышение динамической точности его управления.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение дополнительного 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 робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор - с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтально звена относительно вертикального, 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 первый задатчик сигнала, четвертый сумматор, пятый сумматор, к второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор и третий блок умножения, а также датчик массы, причем выход датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и квадратор, выход которого соединен с вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора, выход датчика массы соединен с вторыми входами первого и второго блоков умножения, выход первого датчика положения соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, синусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика ускорения, и пятый блок умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора, а также последовательно соединенные третий задатчик сигнала и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, а выход - ко второму входу пятого блока умножения, дополнительно введены последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу второго датчика положения, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, а выход - к пятому входу третьего сумматора.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".
При этом отличительные признаки формулы изобретения обеспечивают высокую точность и устойчивость рассматриваемого электропривода робота в условиях существенного изменения параметров нагрузки.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого самонастраивающегося электропривода робота. На фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа этого робота, а на фиг.3 - вид сверху в проекции на горизонтальную плоскость XY.
Самонастраивающийся электропривод робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, усилитель 4 и электродвигатель 5, связанный с первым датчиком скорости 6 непосредственно и через редуктор 7 - с шестерней 8, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на горизонтальном звене робота, и движок первого датчика 9 положения, установленного на вертикальном звене и измеряющего положение характерной точки горизонтально звена относительно вертикального, последовательно соединенные релейный блок 10 и третий сумматор 11, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 6 скорости, входу релейного блока 10 и второму входу первого сумматора 1, последовательно соединенные первый задатчик 12 сигнала, четвертый сумматор 13, пятый сумматор 14, к второму входу которого подключен второй задатчик 15 сигнала, второй блок 16 умножения, шестой сумматор 17 и третий блок 18 умножения, а также датчик 19 массы, причем выход датчика 9 положения соединен с первым входом седьмого сумматора 20, подключенного вторым входом к входу электропривода, а выходом - к первому входу первого сумматора 1, выход третьего сумматора 11 соединен со вторым входом второго сумматора 3, последовательно соединенные второй датчик 21 скорости и квадратор 22, выход которого соединен с вторым входом третьего блока 18 умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора 11, выход датчика 19 массы соединен с вторыми входами первого 2 и второго 16 блоков умножения, выход первого датчика 9 положения соединен с вторым входом четвертого сумматора 13, выход которого подключен к второму входу шестого сумматора 17, а выход первого сумматора 1 соединен с третьим входом второго сумматора 3, последовательно соединенные второй датчик 23 положения, синусный функциональный преобразователь 24, четвертый блок 25 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 26 ускорения, и пятый блок 27 умножения, выход которого соединен с четвертым входом третьего сумматора 11, а также последовательно соединенные третий задатчик 28 сигнала и восьмой сумматор 29, второй вход которого подключен к выходу датчика 19 массы, а выход - ко второму входу пятого блока 27 умножения, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь 30, вход которого подключен к выходу второго датчика положения 23, шестой блок 31 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 32 ускорения, и седьмой блок 33 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 29, а выход - к пятому входу третьего сумматора 11.
На фиг. 1, 2, 3 приведены следующие обозначения:
вх
i
i
Г
3
3
*
q - сигнал с выхода программного устройства; ε - сигнал ошибки электропривода; U, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем; q - обобщенные координаты соответствующих степеней подвижности исполнительного органа робота (); m, m- массы соответствующих звеньев манипулятора и груза (i=3, 2); l=const - расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки схвата; =const - расстояния от оси вращения горизонтального звена до его центра масс при q=0;  - скорость изменения первой обобщенной координаты;  - скорость вращения ротора электродвигателя третьей степени подвижности манипулятора; , ,  - ускорения в третьей, четвертой и пятой степенях подвижности манипулятора.
3
1
2
4
5
Рассматриваемый электропривод управляет линейным перемещением горизонтально звена робота относительно его вертикального звена (обобщенная координата q). Конструкция робота позволяет осуществлять также поворот вертикального звена (обобщенная координата q), вертикальное прямолинейное перемещение горизонтального звена (обобщенная координата q) и еще два линейных взаимно перпендикулярных перемещения вертикального звена в горизонтальной плоскости (обобщенные координаты q и q). Эта конструкция робота позволяет выполнять производственные операции в очень большой рабочей зоне.
вх
в
Самонастраивающийся электропривод работает следующим образом. На его вход подается воздействие q, обеспечивающее требуемый закон управления рассматриваемой степенью подвижности робота. На выходе сумматора 20 вырабатывается сигнал ошибки ε, который после коррекции в блоках 1, 2 и 3, усиливаясь, поступает на вход электродвигателя 5 с редуктором, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U и внешнего моментного воздействия М на привод.
Горизонтальное звено робота относительно его вертикального звена перемещается с помощью электропривода посредством передачи шестерня - рейка. Причем рейка установлена неподвижно на горизонтальном звене, а шестерня 8 - на выходном валу редуктора 7 и имеет радиус r.
Несложно (с помощью уравнения Лагранжа второго рода) показать, что в процессе движения робота на электропривод третьей степени подвижности действует сила
Эта сила в процессе движения робота на выходном валу редуктора 7 создает момент, равный
С учетом соотношения (1), а также уравнения электрической  и механической
3
цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q, можно описать следующим дифференциальным уравнением
м
ω
в
p
стр
у
где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя; J - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу электродвигателя; K - коэффициент крутящего момента; K - коэффициент противоЭДС; K - коэффициент вязкого трения; i - передаточное отношение редуктора; M - момент сухого трения; K - коэффициент усиления усилителя 4; i - ток якоря двигателя 5;  - ускорение вращения вала электродвигателя третьей степени подвижности.
3
1
Г
3
1
Г
Из выражения (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства электропривода, управляющего координатой q, являются существенно переменными, зависящими от непрерывного изменения координат q,  и массы захваченного груза m. Это снижает качественные показатели электропривода и даже приводит к потере устойчивости его работы. В связи с этим для качественного управления координатой q (для реализации поставленной выше задачи) необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q,  и m на динамические свойства рассматриваемого электропривода, т.е. необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое стабилизировало бы параметры этого электропривода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.
ω
у
Первый положительный вход сумматора 1 (со стороны сумматора 20) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления K/K. В результате на выходе сумматора 1 формируется сигнал
.
3
Первый и второй положительные входы сумматоров 13 и 14 имеют единичные коэффициенты усиления. На выходах первого 12 и второго 15 задатчиков сигнала формируются сигналы =const и l=const соответственно. В результате на выходе сумматора 13 формируется сигнал , а на выходе сумматора 14 - сигнал , так как датчик 9 измеряет положение точки горизонтального звена робота, отстоящей от центра масс этого звена на расстояние .
p
3
p
Г
Первый положительный вход сумматора 17 (со стороны блока 16) имеет коэффициент усиления r/i, а его второй положительный вход - коэффициент усиления rm/i. Датчик 19 измеряет массу захваченного груза m. В результате на выходе сумматора 17 формируется сигнал  а на выходе блока умножения 18 - сигнал  так как датчик 21 установлен в первой степени подвижности робота (фиг.2) и измеряет координату .
1
l
l.
3
p
p
Датчик 23 измеряет координату q, датчик 26 - ускорение  а датчик 32 - ускорение . Функциональный преобразователь 24 реализует функцию sinq, а функциональный преобразователь 30 - функцию cosq В результате на выходе блока 25 формируется сигнал  а на выходе блока 31 - сигнал  Задатчик 28 формирует сигнал m=const. Первый и второй положительные входы сумматора 29 имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на четвертый положительный вход сумматора 11 (со стороны блока 27), имеющий коэффициент усиления, равный r/i, поступает сигнал  а на его пятый положительный вход (со стороны блока 33), также имеющий коэффициент усиления, равный r/i, - сигнал
Выходной сигнал блока 10 имеет вид:
где  - величина момента сухого трения при движении электродвигателя.
Первый (со стороны блока 10) положительный и третий (со стороны блока 18) отрицательный входы сумматора 11 имеют единичные коэффициенты усиления, а второй положительный (со стороны датчика 6) - коэффициент усиления
В результате на выходе сумматора 11 формируется сигнал
H
Первый положительный вход сумматора 3 (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления  (J - номинальное значение момента инерции, приведенного к валу электродвигателя 5), его второй положительный вход (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления , а третий положительный - коэффициент усиления . В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал
Несложно показать, что поскольку  при движении привода
стр
*
достаточно точно соответствует М, то, подставив полученное значение U в соотношение (2), получим уравнение
,
3
у
H
которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q, за счет введения рассмотренной выше самонастройки управляющего сигнала U* будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и качественными показателями, которые определяются выбором желаемых значений K, J.