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 г.).
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.
Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения и первый сумматор, последовательно подключенные усилитель и двигатель, связанные 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, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор и второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, а выход - к первому входу пятого сумматора, соединенного вторым входом с выходом первого задатчика постоянного сигнала, а третьим входом - с выходом второго квадратора, вход которого подключен к выходу третьего сумматора и первому входу шестого сумматора, соединенного выходом с первым входом четвертого блока умножения, а вторым входом - с выходом третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, соединенного вторым входом с выходом второго задатчика постоянного сигнала, выход третьего задатчика постоянного сигнала подключен к второму входу третьего сумматора, а выход второго датчика скорости соединен с вторым входом четвертого блока умножения, а также пятый блок умножения, седьмой сумматор и последовательно соединенные релейный блок и восьмой сумматор, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, выходом соединенного с входом усилителя, выход первого датчика скорости подключен к входу релейного блока, к второму входу восьмого сумматора и первому входу седьмого сумматора, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, подключенного вторым входом к выходу пятого сумматора, первый вход пятого блока умножения соединен с выходом четвертого блока умножения, его второй вход - с выходом первого датчика скорости, а выход - с третьим входом восьмого сумматора, последовательно соединенные четвертый задатчик постоянного сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора, шестой и седьмой блоки умножения и десятый сумматор, выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик постоянного сигнала, одиннадцатый сумматор, второй вход которого соединен с выходом шестого сумматора, и восьмой блок умножения, выход которого подключен к второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третий квадратор, выход которого соединен с вторым входом шестого блока умножения, последовательно соединенные третий датчик положения, второй усилитель и первый функциональный преобразователь, выход которого подключен к второму входу седьмого блока умножения, а второй вход восьмого блока умножения через второй функциональный преобразователь соединен с выходом третьего датчика положения (см. авт. св. СССР №1764989, БИ №36, 1992 г.).
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 блок умножения, первый сумматор, усилитель и двигатель, связанные 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, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, четвертый сумматор, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика сигнала, первый квадратор, второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и первому входу третьего блока умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора, пятый сумматор, соединенный вторым входом с выходом третьего задатчика сигнала, а третьим входом через квадратор - с выходом третьего сумматора и первым входом шестого сумматора, соединенного вторым входом - с выходом третьего блока умножения, а выходом с первым входом четвертого блока умножения, соединенного вторым входом с выходом второго датчика скорости, а выходом - с первым входом пятого блока умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика скорости, первому входу седьмого сумматора, через релейный блок к первому входу восьмого сумматора и ко второму входу восьмого сумматора, причем второй вход седьмого сумматора соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, третий вход восьмого сумматора соединен с выходом пятого блока умножения, а выход восьмого сумматора подключен ко второму входу первого сумматора, последовательно соединенные четвертый задатчик сигнала, девятый сумматор, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора и вторым входом первого блока умножения, шестой и седьмой блоки умножения и десятый сумматор, выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора, последовательно соединенные пятый задатчик сигнала и одиннадцатый сумматор, а также восьмой блок умножения, выход которого подключен к второму входу десятого сумматора, последовательно соединенные третий датчик скорости и третий квадратор, выход которого соединен с вторым входом шестого блока умножения, последовательно соединенные усилитель и синусный функциональный преобразователь, выход которого подключен ко второму входу седьмого блока умножения, а первый вход восьмого блока умножения через косинусный функциональный преобразователь соединен с выходом первого датчика положения и входом усилителя, дополнительно вводятся первый датчик ускорения и девятый блок умножения, выход которого подключен ко второму входу восьмого блока умножения, его первый и второй входы соединены с выходами шестого и одиннадцатого сумматоров, а второй вход последнего подключен к выходу первого датчика ускорения.
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 блок 1 умножения, первый сумматор 2, усилитель 3 и двигатель 4, связанные с первым датчиком 5 скорости непосредственно и через редуктор 6 - с первым датчиком 7 положения, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 8, подключенного вторым входом к входу устройства, последовательно соединенные второй датчик 9 положения, третий сумматор 10, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 11 сигнала, четвертый сумматор 12, второй вход которого подключен к выходу второго задатчика 13 сигнала, первый квадратор 14, второй блок 15 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 16 массы и первому входу третьего блока 20 умножения, второй вход которого подключен к выходу четвертого сумматора 12, пятый сумматор 17, соединенный вторым входом с выходом третьего задатчика 18 сигнала, а третьим входом через квадратор 19 - с выходом третьего сумматора 10 и первым входом шестого сумматора 21, соединенного вторым входом - с выходом третьего блока 20 умножения, а выходом с первым входом четвертого блока 22 умножения, соединенного вторым входом с выходом второго датчика 23 скорости, а выходом - с первым входом пятого блока 24 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 5 скорости, первому входу седьмого сумматора 25, через релейный блок 26 к первому входу восьмого сумматора 27 и ко второму входу восьмого сумматора 27, причем второй вход седьмого сумматора 25 соединен с выходом второго сумматора 8, а выход - с первым входом первого блока 1 умножения, третий вход восьмого сумматора 27 соединен с выходом пятого блока 24 умножения, а выход восьмого сумматора 27 подключен ко второму входу первого сумматора 2, последовательно соединенные четвертый задатчик 28 сигнала, девятый сумматор 29, второй вход которого соединен с выходом пятого сумматора 17 и вторым входом первого блока 1 умножения, шестой 30 и седьмой 31 блоки умножения и десятый сумматор 32, выход которого подключен к четвертому входу восьмого сумматора 27, последовательно соединенные пятый задатчик 33 сигнала и одиннадцатый сумматор 34, а также восьмой блок 35 умножения, выход которого подключен к второму входу десятого сумматора 32, последовательно соединенные третий датчик 36 скорости и третий квадратор 37, выход которого соединен с вторым входом шестого блока 30 умножения, последовательно соединенные усилитель 38 и синусный функциональный преобразователь 39, выход которого подключен ко второму входу седьмого блока 31 умножения, а первый вход восьмого блока 35 умножения через косинусный функциональный преобразователь 40 соединен с выходом первого датчика 7 положения и входом усилителя 38, первый датчик 41 ускорения и девятый блок 42 умножения, выход которого подключен ко второму входу восьмого блока 35 умножения, его первый и второй входы соединены, соответственно, с выходами шестого 21 и одиннадцатого 34 сумматоров, а второй вход последнего подключен к выходу первого датчика 41 ускорения. Объект управления 43.
вх
1
2
3
4
P
1
2
Г
3
2
*
На фиг.1 и 2 введены 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;  - расстояние от оси вращения второго звена до его центра масс при q=0; l - расстояние от центра масс второго звена до средней точки охвата; U, U - соответственно, усиливаемый сигнал и сигнал управления электродвигателем 5.
В
Устройство работает следующим образом. Сигнал ошибки ε сумматора 8 после коррекции в блоках 1, 2, 25, усиливаясь, поступает на электродвигатель 4, 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.
2
2
3
г
2
2
3
Г
Рассматриваемый электропривод управляет обобщенной координатой q. Конструкция робота (см. фиг.2) является типовой для промышленных роботов. Моментные характеристики электропривода зависят от изменения координат q, q,  m. В связи с этим для качественного управления координатой q необходимо точно компенсировать отрицательное влияние изменения координат q, q,  а также переменной массы груза m на динамические свойства рассматриваемого электропривода.
2
На основе уравнений Лагранжа II рода можно показать, что моментное воздействие на выходной вал электропривода, управляющего координатой q, при движении робота (см. фиг.2) с грузом имеет вид:
где
N2
S2
где g - ускорение свободного падения, l - момент инерции второго звена относительно оси, проходящей через его центр масс и перпендикулярной его продольной оси, I - момент инерции второго звена относительно его продольной оси.
2
С учетом соотношений (1) и (2), а также уравнений электрической  и механической  цепей электродвигателя постоянного тока с постоянными магнитами или независимого возбуждения рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q, можно описать следующим дифференциальным уравнением
M
ω
B
CТР
у
где  R - активное сопротивление якорной цепи электродвигателя; I - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенных к валу этого электродвигателя; K - коэффициент крутящего момента; К - коэффициент противо-ЭДС; K - коэффициент вязкого трения; М - момент сухого трения; К - коэффициент усиления усилителя 3; i - ток якоря электродвигателя.
2
2
3
Г
Из формул (2) и (3) видно, что параметры этого уравнения, а следовательно, и параметры электропривода, управляющего координатой q, являются существенно переменными, зависящими от величин q, q, , , , m. B результате в процессе работы электропривода меняются (притом существенно) его динамические свойства. Таким образом, для реализации поставленной задачи необходимо сформировать такое корректирующее устройство, которое застабилизировало бы параметры рассматриваемого электропривода так, чтобы он описывался дифференциальным уравнением с постоянными желаемыми параметрами.
ω
у
Первый положительный вход сумматора 25 (со стороны сумматора 8) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй отрицательный вход - коэффициент усиления К/К. Следовательно, на выходе сумматора 25 формируется сигнал
.
3
2
Г
2
Положительные входы сумматоров 10 и 12 имеют единичные коэффициенты усиления. Датчик 9 измеряет обобщенную координату q, так как его движок механически связан со вторым звеном исполнительного органа робота. Задатчик 11 вырабатывает сигнал , а задатчик 13 - сигнал l. В результате на выходе сумматора 10 формируется сигнал  а на выходе сумматора 12 - сигнал  Датчик 16 измеряет величину m. Поэтому на выходе блока 15 формируется сигнал  а на выходе квадратора 19 - сигнал  С выхода задатчика 18 на второй положительный вход сумматора 17 с единичным коэффициентом усиления поступает сигнал, равный  Поскольку первый (со стороны блока 15) и третий (со стороны квадратора 19) положительные входы сумматора 17, имеют, соответственно, единичный коэффициент усиления и коэффициент усиления, равный m, то на выходе этого сумматора формируется сигнал  (см. (2)), а на выходе блока 1 - сигнал .
2
На выходе блока 20 формируется сигнал  Первый (со стороны сумматора 10) и второй положительные входы сумматора 21 имеют соответственно коэффициенты усиления 2m и 2. Так как датчик 23 измеряет скорость  перемещения второго звена, относительно первого, то на выходе блока 22 формируется сигнал h (см. (2)), а на выходе блока 24 - сигнал .
Задатчик 28 вырабатывает сигнал  Первый отрицательный (со стороны задатчика 28) и второй положительный входы сумматора 29 имеют коэффициенты усиления 1/2. В результате на выходе сумматора 29 формируется сигнал
Датчик 36 установлен в первой степени подвижности исполнительного органа робота и измеряет координату , усилитель 38 имеет коэффициент усиления 2. В результате на выходе блока 31 формируется сигнал
2
Датчик 41 установлен в четвертой степени подвижности исполнительного органа робота и измеряет ускорение . Задатчик 33 вырабатывает сигнал, равный g. Первый и второй положительные входы сумматора 34 имеют коэффициенты усиления, равные 1/2. Поэтому на выходе блока 42 формируется сигнал  На выходе функционального преобразователя 40 формируется сигнал cosq, а на выходе блока 35 - сигнал
ВН
Положительные входы сумматора 32 имеют единичные коэффициенты усиления, поэтому на его выходе формируется сигнал М (см. (2)).
Выходной сигнал блока 26 с нулевой нейтральной точкой имеет вид
T
где М - величина момента сухого трения при движении.
P
Первый (со стороны блока 26), второй (со стороны датчика 5), третий (со стороны блока 24) и четвертый положительные входы сумматора 27, соответственно, имеют следующие коэффициенты усиления - единичный, , , 1/i.
В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал
М
у
H
Первый (со стороны блока 1) и второй положительные входы сумматора 2, соответственно, имеют коэффициенты усиления  R/(KK), где l - номинальное значение момента инерции электропривода, приведенного к валу электродвигателя. В результате на выходе сумматора 2 формируется сигнал
CТР
H
у
Поскольку при движении электропривода  достаточно точно соответствует М, то сигнал (4), как несложно убедиться, обеспечивает превращение уравнения (3) с существенно переменными параметрами в уравнение  с номинальными постоянными желаемыми параметрами, обеспечивающими рассматриваемому электроприводу заданные динамические свойства и показатели качества. При этом заранее выбранные значения I и К обеспечат этому электроприводу заданные динамические свойства и показатели качества.