САМОНАСТРАИВАЮЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОПРИВОД РОБОТА
SELF-TUNING 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).
Известно также устройство для управления приводом робота, содержащее последовательно соединенные первый блок умножения, первый сумматор, усилитель и электродвигатель, 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, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор, второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы, и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, третий вход через второй квадратор - к выходу третьего сумматора, а выход - ко второму входу первого блока умножения, выход второго задатчика сигнала соединен со вторым входом четвертого сумматора, а выход третьего задатчика сигнала - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные третий блок умножения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам датчика массы и четвертого сумматора, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, пятый блок умножения и седьмой сумматор, второй вход которого через релейный блок подключен к выходу первого датчика скорости, второму входу пятого блока умножения, первому входу восьмого сумматора и к своему третьему входу, последовательно соединенные функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу первого датчика положения, шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика ускорения, седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к четвертому входу седьмого сумматора, подключенного выходом ко второму входу первого сумматора, причем второй вход восьмого сумматора, соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения (см. патент РФ №2189306, БИ №26, 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 блок умножения, первый сумматор, усилитель и электродвигатель, 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, последовательно соединенные второй датчик положения, третий сумматор, четвертый сумматор, первый квадратор, второй блок умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика массы и пятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика сигнала, третий вход через второй квадратор - к выходу третьего сумматора, а выход - ко второму входу первого блока умножения, причем выход второго задатчика сигнала соединен со вторым входом четвертого сумматора, а выход третьего задатчика сигнала - со вторым входом третьего сумматора, последовательно соединенные третий блок умножения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам датчика массы и четвертого сумматора, шестой сумматор, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора, четвертый блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика скорости, пятый блок умножения и седьмой сумматор, второй вход которого через релейный блок подключен к выходу первого датчика скорости, второму входу пятого блока умножения, первому входу восьмого сумматора и к своему третьему входу, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу первого датчика положения, и шестой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика ускорения, а также седьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора, а выход - к четвертому входу седьмого сумматора, подключенного выходом ко второму входу первого сумматора, причем второй вход восьмого сумматора соединен с выходом второго сумматора, а выход - с первым входом первого блока умножения, дополнительно вводятся последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь, подключенный входом к выходу первого датчика положения, восьмой блок умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика ускорения, и девятый сумматор, второй вход которого подключен к выходу шестого блока умножения, а выход - к первому входу седьмого блока умножения.
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 руки этого робота, а на фиг.3 - вид сверху в проекции на горизонтальную плоскость XY.
Самонастраивающийся электропривод робота содержит последовательно соединенные первый блок 1 умножения, первый сумматор 2, усилитель 3 и электродвигатель 4, связанный 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, четвертый сумматор 11, первый квадратор 12, второй блок 13 умножения, второй вход которого подключен к выходу датчика 14 массы и пятый сумматор 15, второй вход которого подключен к выходу первого задатчика 16 сигнала, третий вход через второй квадратор 17 - к выходу третьего сумматора 10, а выход - ко второму входу первого блока 1 умножения, причем выход второго задатчика 18 сигнала соединен со вторым входом четвертого сумматора 11, а выход третьего задатчика 19 сигнала - со вторым входом третьего сумматора 10, последовательно соединенные третий блок 20 умножения, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам датчика 14 массы и четвертого сумматора 11, шестой сумматор 21, второй вход которого подключен к выходу третьего сумматора 10, четвертый блок 22 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 23 скорости, пятый блок 24 умножения и седьмой сумматор 25, второй вход которого через релейный блок 26 подключен к выходу первого датчика 5 скорости, второму входу пятого блока 24 умножения, первому входу восьмого сумматора 27 и к своему третьему входу, последовательно соединенные косинусный функциональный преобразователь 28, подключенный входом к выходу первого датчика 7 положения, и шестой блок 29 умножения, второй вход которого подключен к выходу первого датчика 30 ускорения, а также седьмой блок 31 умножения, второй вход которого подключен к выходу шестого сумматора 21, а выход - к четвертому входу седьмого сумматора 25, подключенного выходом ко второму входу первого сумматора 2, причем второй вход восьмого сумматора 27 соединен с выходом второго сумматора 8, а выход - с первым входом первого блока 1 умножения, последовательно соединенные синусный функциональный преобразователь 32, подключенный входом к выходу первого датчика 7 положения, восьмой блок 33 умножения, второй вход которого подключен к выходу второго датчика 34 ускорения, и девятый сумматор 35, второй вход которого подключен к выходу шестого блока 29 умножения, а выход - к первому входу седьмого блока 31 умножения. Объект управления 36.
вх
i
i
Г
3
3
На чертежах приведены следующие обозначения: α - 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=2,3); l=const - расстояние от центра масс горизонтального звена до средней точки охвата;  - расстояния от оси вращения горизонтального звена до его центра масс при q=0; ,  - скорости изменения первой и третьей обобщенных координат;  - скорость вращения ротора электродвигателя первой степени подвижности робота; , , - ускорения в первой, четвертой и пятой степенях подвижности робота.
1
3
2
4
5
Рассматриваемый электропривод управляет поворотом вертикального звена робота (обобщенная координата q). Конструкция робота позволяет осуществлять также выдвижение горизонтального 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
Самонастраивающийся электропривод работает следующим образом. На его вход подается воздействие α, обеспечивающее требуемый закон
1
в
управления обобщенной координатой q. На выходе сумматора 8 вырабатывается сигнал ошибки ε, который после коррекции в элементах 1, 2 и 27, усиливаясь, поступает на вход электродвигателя 4 с редуктором 6, приводя его вал во вращательное движение с направлением и скоростью (ускорением), зависящими от величины поступающего сигнала U и внешнего моментного воздействия М на электропривод.
С помощью уравнения Лагранжа второго рода несложно показать, что в процессе движения робота на электропривод рассматриваемого перемещения действует момент
s
N
где J и J - соответственно моменты инерции вертикального звена робота относительно продольной оси и горизонтального звена относительно поперечной оси, проходящей через его центр масс.
1
С учетом соотношений (1), (2), а также уравнений электрической  и механической  цепей электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения или с постоянными магнитами рассматриваемый электропривод, управляющий координатой q, можно описать следующим дифференциальным уравнением
м
ω
в
p
cтр
у
где R - активное сопротивление якорной цепи двигателя; J - момент инерции якоря электродвигателя и вращающихся частей редуктора, приведенный к валу электродвигателя; К - коэффициент крутящего момента; К - коэффициент противоЭДС; K - коэффициент вязкого трения; i - передаточное отношение редуктора; М - момент сухого трения; К - коэффициент усиления усилителя 3; i - ток якоря двигателя 5;  - ускорение вращения вала электродвигателя первой степени подвижности, .
1
1
3
С учетом выражения (2) видно, что параметры уравнения (3), а следовательно, параметры и динамические свойства электропривода, управляющего координатой q, являются существенно переменными, зависящими от непрерывного изменения координат q, q, , ,
Г
1
1
3
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, q, , ,
Г
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
3
Г
Второй положительный вход сумматора 27 (со стороны сумматора 8) имеет единичный коэффициент усиления, а первый отрицательный вход - коэффициент усиления К/К. В результате на выходе сумматора 27 формируется сигнал . Задатчик 19 вырабатывает сигнал, равный , а задатчик 18 - сигнал l. Первые и вторые положительные входы сумматоров 10 и 11 имеют единичные коэффициенты усиления. Датчик 14 измеряет массу захваченного груза m. В результате на выходе сумматора 10 формируется сигнал, равный , на выходе сумматора 11 - сигнал  на выходе блока 13 - сигнал , а на выходе квадратора 17 - сигнал .
н
Первый (со стороны блока 13) и третий (со стороны квадратора 17) положительный входы сумматора 15 имеют коэффициенты усиления  и , соответственно (J - номинальное (желаемое) значение приведенного момента инерции, обеспечивающее рассматриваемому электроприводу заданные динамические свойства и качественные показатели. Причем с выхода задатчика 16 на второй положительный вход сумматора 17 с единичным коэффициентом усиления поступает сигнал, равный . В результате на выходе сумматора 15 появляется сигнал, равный  а на выходе блока 1 - сигнал .
1
1
p
Первый (со стороны блока 20) и второй положительные входы сумматора 21 имеют коэффициенты усиления  и , соответственно. Датчик 23 измеряет скорость . В результате на выходе блока 22 формируется сигнал, , а на выходе блока 24 - сигнал  Функциональные преобразователи 28 и 32 реализуют функции cos q и sinq соответственно. Датчики 30 и 34 измеряют ускорения  и  соответственно. Первый отрицательный (со стороны блока 33) и второй положительный входы сумматора 35 имеют коэффициенты усиления i/2. В результате на выходе блока 31 формируется сигнал, равный .
Выходной сигнал блока 26 имеет вид:  при ,
T
где |M| - величина момента сухого трения при движении электродвигателя. Первый, второй и четвертый положительные входы сумматора 25 (соответственно, со стороны блоков 24, 26 и 31) имеют единичные коэффициенты усиления, а его третий положительный вход - коэффициент усиления . В результате на выходе сумматора 25 формируется сигнал .
Первый положительный вход сумматора 2 (со стороны блока 1) имеет единичный коэффициент усиления, а его второй положительный вход - коэффициент усиления, равный . В результате на выходе сумматора 2 формируется сигнал
T
cтр
Несложно показать, что поскольку Мsign при движении электропривода достаточно точно соответствует М, то, подставив полученное значение U* из выражения (4) в выражение (3), будем иметь
1
у
H
Очевидно, что уравнение (5) имеет постоянные желаемые параметры, а 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 К и J.