ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА
ROBOT ELECTRIC DRIVE

Изобретение относится к робототехнике и может быть использовано при создании электроприводов роботов.
Известно устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый сумматор, первый вход которого является входом устройства, второй сумматор, первый блок умножения, третий сумматор, усилитель и электродвигатель, связанный непосредственно с первым датчиком скорости и через редуктор - с первым датчиком положения, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, последовательно подключенные второй датчик скорости, второй блок умножения, третий блок умножения и четвертый сумматор, второй вход которого соединен с вторым входом второго сумматора и выходом первого датчика скорости, третий вход - с выходом релейного элемента, подключенного входом к второму входу третьего блока умножения и выходу первого датчика скорости, а выход - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные датчик массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, а выход - к второму входу первого блока умножения, последовательно соединенные второй датчик положения, первый косинусный функциональный преобразователь, четвертый блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, пятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом первого датчика ускорения, а выход - с четвертым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные третий задатчик сигнала, седьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и шестой блок умножения, второй вход которого через второй синусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход - к второму входу второго блока умножения, причем второй вход четвертого блока умножения соединен с выходом седьмого сумматора, его выход - с третьим входом пятого сумматора, пятый вход четвертого сумматора через седьмой блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, подключен к выходу второго датчика скорости, последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и третьему входу шестого сумматора, и восьмой блок умножения, второй вход которого через третий синусный функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения, а также последовательно соединенные девятый сумматор, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго датчиков положения, четвертый синусный функциональный преобразователь и девятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, десятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу восьмого блока умножения и десятый блок умножения, второй вход которого соединен с выходом второго датчика ускорения, а выход - с шестым входом четвертого сумматора, последовательно соединенные пятый косинусный функциональный преобразователь, вход которого подключен к выходу первого датчика положения, одиннадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора, одиннадцатый сумматор, второй вход которого через последовательно соединенные шестой косинусный функциональный преобразователь и двенадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу седьмого сумматора, соединен с выходом девятого сумматора, и тринадцатый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу третьего датчика ускорения, а выход - к седьмому входу четвертого сумматора (см. патент России №2272312, БИ №8, 2006).
Его недостатком является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку в нем рассматривается робот с другой кинематической схемой.
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 третьем телескопическом звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на втором звене и имеющего возможность измерения положения третьего телескопического звена относительно оси вращения второго звена, 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 первого датчика положения соединен с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом к входу устройства, а выходом - к первому входу первого сумматора, причем выход третьего сумматора соединен с вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, выход которого соединен со вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, четвертый блок умножения, второй квадратор и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый функциональный преобразователь, шестой блок умножения и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого функционального преобразователя, а выход - к пятому входу третьего сумматора, причем выход датчика массы соединен с вторыми входами первого, второго и шестого блоков умножения, второй вход четвертого блока умножения через второй функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, выход первого 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. изобретение СССР №1798179, БИ №8, 1993).
Данное устройство по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому решению.
Недостатком прототипа также является то, что в нем отсутствует полная инвариантность динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным изменениям его моментных нагрузочных характеристик, поскольку в нем рассматривается робот с другой кинематической схемой, которая имеет меньшее число степеней подвижности.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является обеспечение полной инвариантности динамических свойств рассматриваемого электропривода к непрерывным и быстрым изменениям его динамических моментных нагрузочных характеристик при движении конкретного робота с заданной кинематической схемой по всем его степеням подвижности.
Технический результат, который может быть получен при реализации заявляемого технического решения, выражается в формировании дополнительного сигнала управления, подаваемого на вход электропривода, который обеспечивает получение моментного воздействия, необходимого для обеспечения полной инвариантности его показателей качества к непрерывно изменяющимся параметрам нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в электропривод робота, содержащий последовательно соединенные первый сумматор, первый блок умножения, второй сумматор, первый усилитель и двигатель, связанный с первым датчиком скорости непосредственно и через редуктор с шестерней, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на телескопическом звене робота, и движок первого датчика положения, установленного на вертикальном звене и имеющего возможность измерения положения телескопического звена относительно оси вращения вертикального звена, 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, ко второму входу которого подключен второй задатчик сигнала, второй блок умножения, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, и третий блок умножения, а также датчик массы, выход которого подключен ко вторым входам первого и второго блоков умножения, причем выход первого датчика положения соединен со вторым входом четвертого сумматора и с первым входом седьмого сумматора, подключенного вторым входом ко входу устройства, а выходом - к первому входу первого сумматора, выход третьего сумматора соединен со вторым входом второго сумматора, последовательно соединенные второй датчик скорости и первый квадратор, выход которого соединен со вторым входом третьего блока умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости, четвертый блок умножения, второй квадратор и пятый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к четвертому входу третьего сумматора, последовательно соединенные второй датчик положения, первый синусный функциональный преобразователь, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и восьмой сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого синусного функционального преобразователя, второй вход четвертого блока умножения через второй косинусный функциональный преобразователь подключен к выходу второго датчика положения, а выход первого сумматора соединен с третьим входом второго сумматора, дополнительно вводятся третий задатчик сигнала, девятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу 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 свидетельствуют 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.
На фиг.1 дана блок-схема предлагаемого электропривода робота, а на фиг.2 - кинематическая схема исполнительного органа этого робота.
Электропривод робота содержит последовательно соединенные первый сумматор 1, первый блок 2 умножения, второй сумматор 3, первый усилитель 4 и двигатель 5, связанный с первым датчиком 6 скорости непосредственно и через редуктор 7 с шестерней 8, приводящей в движение рейку, закрепленную неподвижно на телескопическом звене робота, и движок первого датчика 9 положения, установленного на вертикальном звене и имеющего возможность измерения положения телескопического звена относительно оси вращения вертикального звена, 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, ко второму входу которого подключен второй задатчик 15 сигнала, второй блок 16 умножения, шестой сумматор 17, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 13, и третий блок 18 умножения, а также датчик 19 массы, выход которого подключен ко вторым входам первого 2 и второго 16 блоков умножения, причем выход первого датчика 9 положения соединен со вторым входом четвертого сумматора 13 и с первым входом седьмого сумматора 20, подключенного вторым входом ко входу устройства, 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 первый квадратор 22, выход которого соединен со вторым входом третьего блока 18 умножения, выходом подключенного к третьему входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные третий датчик 23 скорости, четвертый блок 24 умножения, второй квадратор 25 и пятый блок 26 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 17, а выход - к четвертому входу третьего сумматора 11, последовательно соединенные второй датчик 27 положения, первый синусный функциональный преобразователь 28, шестой блок 29 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 19 массы, и восьмой сумматор 30, второй вход которого подключен к выходу первого синусного функционального преобразователя 28, второй вход четвертого блока 24 умножения через второй косинусный функциональный преобразователь 31 подключен к выходу второго датчика 27 положения, а выход первого сумматора 1 соединен с третьим входом второго сумматора 3, последовательно соединенные третий задатчик 32 сигнала, девятый сумматор 33, второй вход которого подключен к выходу датчика 34 ускорения, и седьмой блок 35 умножения, второй вход которого подключен к выходу восьмого сумматора 30, а выход - к пятому входу третьего сумматора 11.
BX
1
2
3
4
P
1
2
Г
2
3
2
∗
∗
На фигурах даны следующие обозначения: q - сигнал желаемого положения; q, q, q, q - соответствующие обобщенные координаты исполнительного органа робота;  - скорости изменения соответствующих обобщенных координат;  - скорость вращения ротора электродвигателя; i - передаточное отношение редуктора;  - ускорение в четвертой обобщенной координате; ε - ошибка электропривода (величина рассогласования); m, m, m - соответственно массы первого, второго звеньев исполнительного органа и захваченного груза; l  - расстояние от оси вращения второго звена до его центра масс при q=0; l - расстояние от центра масс второго звена до средней точки схвата; U, U - соответственно усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 5.
В
Устройство работает следующим образом. Первый отрицательный вход сумматора 20 (со стороны датчика 9) и его второй положительный вход имеют единичные коэффициенты усиления. Сигнал ошибки ε с этого сумматора после коррекции в блоках 1, 2, 3, усиливаясь, поступает на вход электродвигателя 5, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала ε, моментов трения и внешнего моментного воздействия M. Электропривод при работе с различными грузами, а также за счет взаимовлияния степеней подвижности исполнительного органа 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.
3
Рассматриваемый электропривод управляет обобщенной координатой q. Конструкция робота (см. фиг.2) является типовой для промышленных роботов.
3
2
Г
3
2
Г
Моментные характеристики привода, управляющего координатой q, существенно зависят от изменения координат q, , ,  и m. В связи с этим для качественного управления координатой q необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q, , , , а также переменной m на динамические свойства рассматриваемого электропривода.
Полагается, что телескопическое звено перемещается с помощью электропривода посредством передачи шестерня-рейка. Причем рейка установлена вдоль второго звена, а шестерня - на выходном валу редуктора 7 электропривода и имеет радиус r.
Несложно показать, что в процессе движения исполнительного органа робота на его второе звено со стороны электропривода действует сила
где g - ускорение свободного падения.
3
Сила P при движении исполнительного органа робота создает на выходном валу редуктора 7 момент, равный
С учетом соотношения (1), а также уравнения электрической  и механической  (где  цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q3, можно описать следующим дифференциальным уравнением
m
ω
B
СТР
y
где R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя; I - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу двигателя; K - коэффициент крутящего момента; К - коэффициент противо-ЭДС; K - коэффициент вязкого трения; М - приведенный момент сухого трения; К - коэффициент усиления усилителя 4; i - ток якоря электродвигателя 5;  - ускорение вращения вала электродвигателя третьей степени подвижности.
3
2
Г
Из выражения (2) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, параметры и динамические свойства электропривода, управляющего координатой q, являются существенно переменными, зависящими от q, , ,  и m. В результате для решения поставленной выше задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое стабилизировало бы параметры электропривода таким образом, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.
ω
у
3
Первый положительный вход сумматора 1 единичный, а его второй отрицательный вход имеет коэффициент усиления К/К. Следовательно, на выходе этого сумматора формируется сигнал . Первый и второй положительные входы сумматоров 13 и 14 имеют единичные коэффициенты усиления. На выходах первого 12 и второго 15 задатчиков формируются сигналы  соответственно. В результате на выходе сумматора 13 формируется сигнал , а на выходе сумматора 14 - сигнал , т.к. датчик 9 измеряет координату q.
P
2
P
2
Первый положительный вход сумматора 17 (со стороны блока 16) имеет коэффициент усиления r/i, a его второй положительный вход - коэффициент усиления rm/i. Датчик 23 установлен в первой степени подвижности исполнительного органа робота (см. фиг.2) и измеряет координату , a функциональный преобразователь 31 реализует функциональную зависимость . В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал , на выходе блока 18 - сигнал , а на выходе блока 26 - сигнал , т.к. датчики 27 и 21 установлены во второй степени подвижности исполнительного органа робота и измеряют координаты q и  соответственно.
Выходной сигнал релейного элемента 10 с нулевой нейтральной точкой имеет вид
где  - величина момента сухого трения при движении.
P
2
P
2
Г
2
P
Функциональный преобразователь 28 реализует функциональную зависимость . Первый (со стороны блока 29) и второй положительные входы сумматора 30 имеют коэффициенты усиления r/i и mr/i соответственно. В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал r(m+m)sin(q)/i.
Датчик 34 установлен в четвертой степени подвижности исполнительного органа робота и измеряет ускорение , задатчик 32 вырабатывает сигнал g, a положительные входы сумматора имеют единичные коэффициенты усиления. В результате на выходе блока 35 формируется сигнал .
Первый (со стороны блока 10) и пятый (со стороны блока 35) положительные входы сумматора 11, а также его третий (со стороны блока 18) и четвертый (со стороны блока 26) отрицательные входы имеют единичные коэффициенты усиления, его второй (со стороны датчика 6) положительный вход имеет коэффициент усиления . В результате на выходе этого сумматора формируется сигнал .
M
у
H
Все входы сумматора 3 положительные. Его первый вход (со стороны блока 2) имеет коэффициент усиления , второй (со стороны сумматора 11) - коэффициент усиления R/(KK), а третий - коэффициент усиления , где I - номинальное значение приведенного момента инерции. В результате на выходе сумматора 3 формируется сигнал
СТР
3
∗
Несложно показать, что, поскольку  при движении электропривода достаточно точно соответствует М, то, подставив полученное значение U в соотношение (2), получим уравнение  которое имеет постоянные желаемые параметры. То есть рассмотренный электропривод, управляющий координатой q, будет обладать постоянными желаемыми динамическими свойствами и показателями качества.