RU2230349C2 - Control apparatus for controlling manipulator of robot - Google Patents
Control apparatus for controlling manipulator of robot Download PDFInfo
- Publication number
- RU2230349C2 RU2230349C2 RU2002110070/09A RU2002110070A RU2230349C2 RU 2230349 C2 RU2230349 C2 RU 2230349C2 RU 2002110070/09 A RU2002110070/09 A RU 2002110070/09A RU 2002110070 A RU2002110070 A RU 2002110070A RU 2230349 C2 RU2230349 C2 RU 2230349C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- input
- output
- key
- circuit
- comparison unit
- Prior art date
Links
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 claims description 13
- 230000009471 action Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000007717 exclusion Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005065 mining Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к области робототехники и может быть использовано для автоматизации производственных процессов.The proposed device relates to the field of robotics and can be used to automate production processes.
Известны устройства, применяемые для управления манипуляторами роботов (см., например, а.с. СССР №278371, БИ №25, 1970 г.; № 470791, БИ.№18, 1975 г.; патенты США 2679940, 3425775; ФРГ 1127561; Франции 2011610; Японии 47-32764), ЭВМ и сервопривод.Known devices used to control robotic arms (see, for example, AS USSR No. 278371, BI No. 25, 1970; No. 470791, BI No. 18, 1975; US patents 2679940, 3425775; Germany 1127561 ; France 2011610; Japan 47-32764), computers and servo.
В известных условиях (см. а.с. СССР №675400, БИ №27, 1979 г.; №746419, БИ №25, 1980 г.) для обеспечения быстродействия отработки заданных траекторий движения исполнительного органа применяют блоки программного управления, что существенно усложняет эти устройства.Under known conditions (see AS USSR No. 675400, BI No. 27, 1979; No. 746419, BI No. 25, 1980), program control units are used to ensure the speed of working out the given trajectories of the movement of the executive body, which significantly complicates these devices.
Из известных устройств наиболее близким по технической сущности является устройство, содержащее последовательно соединенные блок сравнения, первый усилитель, сумматор, сервопривод, исполнительный орган, датчик угла поворота, своим выходом подключенный ко второму входу блока сравнения, выход которого подключен также через последовательно соединенные блок дифференцирования и второй усилитель ко второму входу сумматора (см. книгу Р. Пол. Моделирование, планирование траекторий и управление движением робота-манипулятора. М.: Наука, 1976, с.61, 62, рис. 6.1).Of the known devices, the closest in technical essence is a device containing a series-connected comparison unit, a first amplifier, an adder, a servo drive, an actuator, a rotation angle sensor, connected with its output to the second input of the comparison unit, the output of which is also connected via series-connected differentiation unit and the second amplifier to the second input of the adder (see the book R. Paul. Modeling, planning trajectories and controlling the movement of the robotic arm. M: Nauka, 1976, p. 61, 62, Fig. 6.1).
Недостатками устройства являются низкое быстродействие и сложность вычислительной машины, входящей в ее состав.The disadvantages of the device are the low speed and complexity of the computer included in its composition.
В ряде случаев исполнительный орган - звено манипулятора должно перемещаться из начального положения Q1 в целевое Q2 с заданной скоростью v к целевому положению. По введенным указанным данным специализированный вычислитель, в качестве которого обычно применяют ЦВМ, должен за некоторое время рассчитать относительно сложный управляющий сигнал и затем генерировать его, что и обуславливает его относительную сложность и малое быстродействие. Кроме того, в процессе отработки сервосистемой устройства входного сигнала имеют место непрерывные переходные процессы, на подавление которых тратится дополнительное время, снижающее быстродействие известного устройства.In some cases, the executive body - the link of the manipulator must move from the initial position Q 1 to the target Q 2 with a given speed v to the target position. According to the entered data, a specialized computer, which is usually used as a digital computer, must for a while calculate a relatively complex control signal and then generate it, which determines its relative complexity and low speed. In addition, in the process of processing the input signal by the servo system, there are continuous transients, the suppression of which takes additional time, which reduces the speed of the known device.
Для обеспечения повышения быстродействия и упрощения устройства при управлении уравновешенным шарнирным манипулятором робота устройство суммируется следующим образом.To ensure increased speed and simplify the device when controlling the balanced articulated manipulator of the robot, the device is summarized as follows.
Представленное устройство отличается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные блоки сравнения, первый усилитель, сумматор, сервопривод, исполнительный орган, датчик угла поворота и блок дифференцирования, подключенный через второй усилитель ко второму входу сумматора, введены два нелинейных элемента, два блока выделения модуля, второй блок сравнения, схема И, схема НЕ, шесть ключей, задатчик скорости, задатчик положения, инвертор, второй сумматор и третий усилитель, причем выход второго блока сравнения через последовательно соединенные первый нелинейный элемент с зоной нечувствительности, первый блок выделения модуля, схему И, схему НЕ соединен с первым входом первого ключа, второй вход которого соединен параллельно с первым входом второго блока сравнения, выход датчика угла поворота подключен ко второму входу второго блока сравнения, к первому входу второго ключа, выход которого параллельно с выходом третьего ключа соединен со входом блока дифференцирования и выход датчика угла поворота подключен также через четвертый ключ к первому входу первого блока сравнения, выход которого соединен также с первым входом третьего ключа, выход второго нелинейного элемента через второй блок выделения модуля подключен ко второму входу схемы И, с первым входом пятого ключа соединен выход третьего усилителя, выход пятого ключа параллельно с выходом первого ключа соединен со вторым входом первого блока сравнения, выход схемы НЕ соединен также со вторыми входами третьего и четвертого ключей, выход схемы И соединен также со вторыми входами второго и пятого ключей, выход задатчика положения соединен с первым входом второго блока сравнения, а выход задатчика скорости соединен со входом второго нелинейного элемента и первым входом шестого ключа, первый выход которого соединен через инвертор с первым входом второго сумматора, выход которого соединен со входом третьего усилителя, а второй выход шестого ключа соединен со вторым входом второго сумматора, управляющий вход шестого ключа предназначен для подачи на него сигнала с первого нелинейного элемента, а второй нелинейный элемент выполнен в виде усилителя-ограничителя.The presented device is characterized in that in a device containing series-connected comparison units, a first amplifier, an adder, a servo drive, an actuator, a rotation angle sensor and a differentiation unit connected through a second amplifier to the second input of the adder, two nonlinear elements, two module selection units are introduced , the second comparison unit, the circuit AND, the circuit NOT, six keys, speed controller, position controller, inverter, second adder and third amplifier, and the output of the second comparison unit through the serial the first non-linear element with deadband, the first module isolation unit, the AND circuit, the circuit NOT connected to the first input of the first key, the second input of which is connected in parallel with the first input of the second comparison unit, the output of the angle sensor is connected to the second input of the second comparison unit, to the first input of the second key, the output of which is parallel to the output of the third key connected to the input of the differentiation unit and the output of the angle sensor is also connected through the fourth key to the first input of the first about the comparison block, the output of which is also connected to the first input of the third key, the output of the second nonlinear element through the second block of module allocation is connected to the second input of the circuit And, the output of the third amplifier is connected to the first input of the fifth key, the output of the fifth key is connected in parallel with the output of the first key with the second input of the first comparison unit, the output of the circuit is NOT connected also to the second inputs of the third and fourth keys, the output of the circuit And is also connected to the second inputs of the second and fifth keys, the output of the positioner is connected n with the first input of the second comparison unit, and the output of the speed adjuster is connected to the input of the second nonlinear element and the first input of the sixth key, the first output of which is connected through the inverter to the first input of the second adder, the output of which is connected to the input of the third amplifier, and the second output of the sixth key is connected with the second input of the second adder, the control input of the sixth key is designed to supply a signal from the first non-linear element, and the second non-linear element is made in the form of an amplifier-limiter.
В предлагаемое устройство введены новые блоки, такие как два нелинейных элемента, два полупериодных выпрямителя, схема И, схема НЕ, шесть ключей и три усилителя, которые являются стандартными и известными из литературы (см., например, А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981, с.77-82, 92-101, 105-110, 148-152. 167-177. 190-194; Ю.С.Забродин. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982, с. 335; Справочник по интегральным микросхемам / Б.В.Тарабрина. М.: Энергия, 1981, с.568-770). За счет введения новых блоков и установления новых связей между ними и блоками устройства-прототипа предлагаемое устройство приобретает свойство автоматического перестраивания структуры с исключением ЭВМ, благодаря которому достигается увеличение быстродействия и упрощение устройства.New units have been introduced into the proposed device, such as two non-linear elements, two half-period rectifiers, circuit I, circuit NOT, six keys and three amplifiers, which are standard and known from the literature (see, for example, A.G. Aleksenko, E. A. Colombet, GI Starodub, The Use of Precision Analog ICs, Moscow: Radio and Communications, 1981, pp. 77-82, 92-101, 105-110, 148-152. 167-177. 190-194; Yu.S. Zabrodin, Industrial Electronics, Moscow: Vysshaya Shkola, 1982, p. 335; Handbook of Integrated Circuits / B.V. Tarabrina, Moscow: Energia, 1981, pp. 568-770). Due to the introduction of new blocks and the establishment of new connections between them and the blocks of the prototype device, the proposed device acquires the property of automatically rebuilding the structure with the exception of computers, due to which an increase in speed and simplification of the device is achieved.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, на которой указаны: первый, второй и третий усилители 1, 2 и 3 соответственно, два сумматора 4 и 26 соответственно, сервопривод 5, исполнительный орган 6, датчик 7 угла поворота, блоки сравнения 8 и 10 соответственно, блок 9 дифференцирования, нелинейные элементы 11 и 21 соответственно, первый и второй блоки выделения модуля 12 и 13 соответственно, схема И 14, схема НЕ 15, инвертор 25, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой ключи 16, 17, 18, 19, 20 и 24 соответственно, два задающих блока 22 и 23 соответственно.The drawing shows a functional diagram of the device, which shows: the first, second and third amplifiers 1, 2 and 3, respectively, two adders 4 and 26, respectively, a servo drive 5, an actuator 6, a rotation angle sensor 7, comparison blocks 8 and 10, respectively. differentiation unit 9, non-linear elements 11 and 21, respectively, the first and second allocation blocks of module 12 and 13, respectively, circuit I 14, circuit NOT 15, inverter 25, first, second, third, fourth, fifth and sixth keys 16, 17, 18 , 19, 20 and 24, respectively, two master blocks 22 and 23, respectively enno.
Выход блока сравнения 8 через последовательно соединенные первый усилитель 1, сумматор 4, сервопривод 5 и исполнительный орган 6 соединен со входами датчика 7 угла поворота, блок 9 дифференцирования подключен через второй усилитель 2 ко второму входу сумматора 4, выход первого компаратора 10 через последовательно соединенные нелинейный элемент 21 и первый блок выделения модуля 12, схему И 14, схему НЕ 15 соединен с первым входом первого ключа 16, второй вход которого соединен параллельно с первым входом блока сравнения 10, выход датчика 7 угла поворота подключен ко второму входу второго блока сравнения 10, к первому входу второго ключа 17, выход которого параллельно с выходом третьего ключа 18 соединен со входом блоком 9 дифференцирования, и выход датчика 7 подключен также через четвертый ключ 19 к первому входу блока 8 сравнения, выход которого соединен с первым входом третьего ключа 18, выход второго нелинейного элемента 11 через второй блок выделения модуля 13 подключен ко второму входу схемы И 14, с первым входом пятого ключа 20 соединен выход третьего усилителя 3, вход которого соединен с выходом сумматора 26, первый вход которого соединен с выходом инвертора 25, вход которого соединен с первым выходом ключа 24, второй выход которого подсоединен ко второму входу сумматора 26, входы ключа 24 соединены с входом нелинейного элемента 11 и с выходом элемента 21, выход пятого ключа 20 параллельно с выходом первого ключа 16 соединен со вторым входом блока 8 сравнения, выход схемы НЕ 15 соединен также со вторыми входами третьего и четвертого ключей 18 и 19 соответственно, а выход схемы И 14 соединен также со вторыми входами второго и пятого ключей 17 и 20 соответственно.The output of the comparison unit 8 through a series-connected first amplifier 1, an adder 4, a servo drive 5 and an actuator 6 is connected to the inputs of a rotation angle sensor 7, a differentiation unit 9 is connected through a second amplifier 2 to a second input of an adder 4, the output of the first comparator 10 through a series-connected non-linear element 21 and the first block allocation module 12, the circuit And 14, the circuit NOT 15 is connected to the first input of the first key 16, the second input of which is connected in parallel with the first input of the comparison unit 10, the output of the angle sensor 7 and connected to the second input of the second comparison unit 10, to the first input of the second key 17, the output of which is parallel to the output of the third key 18 connected to the input of the differentiation unit 9, and the output of the sensor 7 is also connected through the fourth key 19 to the first input of the comparison unit 8, the output which is connected to the first input of the third key 18, the output of the second nonlinear element 11 through the second block selection module 13 is connected to the second input of the circuit And 14, with the first input of the fifth key 20 is connected the output of the third amplifier 3, the input of which is connected to the output the house of the adder 26, the first input of which is connected to the output of the inverter 25, the input of which is connected to the first output of the key 24, the second output of which is connected to the second input of the adder 26, the inputs of the key 24 are connected to the input of the nonlinear element 11 and to the output of the element 21, the output of the fifth key 20 in parallel with the output of the first key 16 is connected to the second input of the comparison unit 8, the output of the circuit NOT 15 is also connected to the second inputs of the third and fourth keys 18 and 19, respectively, and the output of the circuit And 14 is also connected to the second inputs of the second and fifth keys 17 and 20 accordingly.
Устройство работает следующим образом. В начале на первом входе всего устройства, то есть на первом входе второго блока сравнения 10, действует задающий входной электрический сигналThe device operates as follows. At the beginning, at the first input of the entire device, that is, at the first input of the second comparison unit 10, the driving input electric signal
R(t)=R1,R (t) = R 1 ,
означающий, что звено должно быть повернуто на такой угол, что соответствующий ему выходной сигнал с датчика угла поворота 7 Q(t) должен быть равенmeaning that the link should be rotated at such an angle that the corresponding output signal from the angle sensor 7 Q (t) should be equal
Q(t)=Q1=R1.Q (t) = Q 1 = R 1 .
На втором входе устройства, то есть на входе нелинейного элемента 11, сигнал, задающий целевую скорость, равен нулю. В результате на входе нелинейного элемента 11 имеет место нулевое напряжение, которое затем через блок выделения модуля 13 поступает на второй вход схемы И 14. На входе схемы И присутствует поэтому логический ноль. Этот ноль воздействует непосредственно на управляющие входы ключей 17, 20, которые в результате этого закрыты. Одновременно этот ноль инвертируется схемой НЕ 15, выходной единичный сигнал которой поступает на управляющие выходы ключей 16, 18, 19. Назначенные ключи находятся вследствие этого в открытом состоянии. На выходе блока сравнения 8 получится сигнал ошибки положения, равный разности входного сигнала, поступающий через открытый ключ 16, и текущего сигнала положения, поступающего с датчика угла поворота 7 через открытый ключ 19. Сигнал ошибки по скорости находится в результате дифференцирования сигнала ошибки положения, поступающий через открытый ключ 18 на вход блока дифференцирования 9. Полученные сигналы усиливаются усилителями 1, 2, суммируются сумматором 4 и поступают на вход сервопривода 5. Сервопривод вращает звено 6 шарнирного уравновешенного манипулятора, с которым механически связан датчик угла поворота 7. Таким образом, в устройстве реализуется преобразование входного сигнала и его скоростной составляющей в управляющий механический момент, приводящий во вращательное движение звено манипулятора, и за счет сигналов отрицательной обратной связи по положению и скорости звена, останавливающий звено в положении, соответствующем значению входного сигнала.At the second input of the device, that is, at the input of the nonlinear element 11, the signal specifying the target speed is zero. As a result, at the input of the nonlinear element 11 there is a zero voltage, which then passes through the allocation unit of the module 13 to the second input of the circuit And 14. Therefore, a logical zero is present at the input of the circuit And. This zero acts directly on the control inputs of the keys 17, 20, which are closed as a result. At the same time, this zero is inverted by the circuit NOT 15, the output unit signal of which is supplied to the control outputs of the keys 16, 18, 19. The assigned keys are therefore in the open state. The output of the comparison unit 8 will receive a position error signal equal to the difference between the input signal coming through the public key 16 and the current position signal coming from the angle sensor 7 through the public key 19. The speed error signal is found as a result of differentiation of the position error signal received through the public key 18 to the input of the differentiation unit 9. The received signals are amplified by amplifiers 1, 2, summed by the adder 4 and fed to the input of the servo drive 5. The servo drive rotates the link 6 of the hinge balance of a manipulator, to which the rotation angle sensor is mechanically connected 7. Thus, the device implements the conversion of the input signal and its velocity component into a controlling mechanical moment, which rotates the link of the manipulator, and due to negative feedback signals on the position and speed of the link, stop link in the position corresponding to the value of the input signal.
В дальнейшем на первый вход устройства поступает задающий целевой сигнал положения R2, а на второй вход устройства сигнал целевой скорости V подхода к целевому положению Q2. На втором входе компаратора 10 продолжает действовать сигнал текущего положения Q1, не равный вновь заданному, поэтому на выходе компаратора появляется ненулевое выходное напряжение, которое после блока выделения модуля 12 воздействует в виде логической единицы на первый вход схемы И 14. Поскольку значение целевой скорости подхода V не равно нулю, на выходе нелинейного элемента 11, выполненного на основе усилителя-ограничителя, появляется выходное напряжение, воздействующее после прохождения блока выделения модуля 13 в виде логической единицы на второй вход схемы И 14. На выходе схемы И появляется логическая единица, переводящая работу устройства в режим отработки целевой скорости подхода. Названная единица воздействует на управляющие входы ключей 17, 20, которые открываются. Одновременно эта единица инвертируется схемой НЕ 15, выходной нулевой сигнал который поступает на управляющие входы ключей 16, 18, 19, в результате чего ключи закрываются. На выходе блока 8 сравнения получается инвертированный по второму входу сигнал, который равен произведению целевой скорости V на значение коэффициента усиления усилителя 3. Этот сигнал поступает на второй вход блока 8 через открытый ключ 20, а первый вход сигналы не поступают, так как ключ 19 закрыт. Текущий сигнал положения с выхода датчика угла поворота 7 через открытый ключ 17 поступает на вход блока дифференцирования 9, на входе которого получается сигнал входной скорости вращения исполнительного органа 6. Выходной же сигнал с блока 8 на вход блока 9 не поступает, так как ключ 18 закрыт. Далее названные сигналы усиливаются усилителями 1, 2, суммируются сумматором 4 и поступают на вход сервопривода 5, вращающий исполнительный механизм 6. За счет сигнала отрицательной обратной связи по выходной скорости скорость вращения поддерживается равной заданной целевой скорости V. Такое движение происходит до тех пор, пока исполнительный орган не достигает положения, примерно равного целевому, то есть выходной сигнал Q2 датчика 7 угла поворота станет примерно равен входному целевому сигналу R2. На выходе компаратора 10 напряжение станет нулевым, и на первом входе схемы И 14 станет действовать логический ноль, и на выходе схемы И также появится логический ноль. В результате структура устройства перестраивается в первоначальное положение, в нем снова имеет место формирование управляющего воздействия по ошибке положения и ошибке скорости, и звено поэтому замедляет свое движение, останавливается и удерживается в заданном положении Q2. Если звено манипулятора из-за набранной скорости V по инерции проскочит несколько заданное целевое положение, структура устройства не перейдет вновь во второе состояние. Блок сравнения 10 выполнен двухпороговым, то есть он является дискриминатором. Состояние его выхода изменяется два раза при изменении разности входных сигналов, он имеет нижний и верхний уровни разности сравниваемых входных сигналов, при которых происходит мгновенное изменение его входного напряжения. Иными словами, компаратор имеет зону нечувствительности к некоторому значению разности входных сигналов, определяемую параметрами его элементов (см., например, Алексенко А.Д., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981, с.173...175, таблица 7.4,а). Поэтому при проскоке звеном целевого положения при разности входных сигналов блока сравнения 10, не равной нулю, его входное напряжение останется нулевым, и структура устройства не изменится. Введение названных новых блоков и установление новых связей значительно упрощает устройство за счет исключения из его состава сложной цифровой вычислительной машины. Одновременно повышается быстродействие устройства, так как при достижении целевого положения с целевой скоростью не тратится время, как ранее, на подавление переходных процессов, а непосредственно используется сам переходный процесс определенного вида, сформированный посредством соответствующих перестроений структуры устройства. Сказанное подтверждается математическими выкладками, описывающими работу устройства.Subsequently, the target target signal of the position R 2 is supplied to the first input of the device, and the target speed signal V of approaching the target position Q 2 to the second input of the device. At the second input of the comparator 10, the signal of the current position Q 1 , which is not equal to the newly set, continues to operate, therefore, a non-zero output voltage appears at the output of the comparator, which, after the allocation unit of module 12, acts as a logical unit on the first input of circuit I. 14. Since the value of the target approach speed V is not equal to zero, at the output of the nonlinear element 11, made on the basis of the amplifier-limiter, the output voltage appears, acting after passing through the selection block of module 13 in the form of a logical unit gical to a second input of AND gate 14. The output of the AND circuit appears logical unit transforms the operation of the device mode in mining approach the target speed. The named unit acts on the control inputs of the keys 17, 20, which open. At the same time, this unit is inverted by the NOT 15 circuit, the output zero signal which is supplied to the control inputs of the keys 16, 18, 19, as a result of which the keys are closed. At the output of the comparison unit 8, a signal is inverted at the second input, which is equal to the product of the target speed V and the gain of the amplifier 3. This signal is fed to the second input of block 8 through the public key 20, and the first input does not receive signals, since the key 19 is closed . The current position signal from the output of the rotation angle sensor 7 through the public key 17 is fed to the input of the differentiation unit 9, at the input of which the signal of the input speed of the actuator 6 is received. The output signal from block 8 to the input of the block 9 is not received, since the key 18 is closed . Further, these signals are amplified by amplifiers 1, 2, summed by an adder 4 and fed to the input of the servo drive 5, the rotary actuator 6. Due to the negative feedback signal on the output speed, the rotation speed is maintained equal to the specified target speed V. This movement occurs until the actuator does not reach a position approximately equal to the target, that is, the output signal Q 2 of the rotation angle sensor 7 becomes approximately equal to the input target signal R 2 . At the output of the comparator 10, the voltage will become zero, and a logical zero will act on the first input of the And 14 circuit, and a logical zero will also appear at the output of the And circuit. As a result, the structure of the device is reconstructed to its original position, the control action is formed again by the position error and the speed error, and the link therefore slows down its movement, stops and holds in the set position Q 2 . If the manipulator link due to the speed V gained by inertia skips a somewhat predetermined target position, the device structure will not go back to the second state. The comparison unit 10 is made two-threshold, that is, it is a discriminator. The state of its output changes twice when the difference in the input signals changes; it has lower and upper difference levels of the compared input signals, at which an instantaneous change in its input voltage occurs. In other words, the comparator has a zone of insensitivity to a certain value of the difference of the input signals, determined by the parameters of its elements (see, for example, Aleksenko A.D., Kolombet E.A., Starodub G.I. Application of precision analog ICs. M .: Radio and Communication, 1981, p. 173 ... 175, table 7.4, a). Therefore, when a link jumps to the target position when the input signal difference of the comparison unit 10 is not equal to zero, its input voltage will remain zero, and the structure of the device will not change. The introduction of these new blocks and the establishment of new connections greatly simplifies the device by eliminating from its composition a complex digital computer. At the same time, the speed of the device increases, since when you reach the target position with the target speed, time is not wasted, as before, to suppress transients, but the transient process of a certain kind, formed by corresponding rearrangements of the device structure, is directly used. The aforesaid is confirmed by mathematical calculations describing the operation of the device.
Блоки устройства имеют следующие передаточные функции в изображении по Лапласу. Усилители 1, 2, 3 имеют коэффициенты усиления соответственно Ке, Kv, Kv/Ke. Блоки 4 и 7 имеют коэффициенты передачи, равные 1. Сервопривод 5 осуществляет линейное преобразование электрического сигнала в механический вращающий момент. Коэффициент передачи сервопривода равен 1 и не зависит от скорости вращения звена, так как оно выполняется на электродвигателе постоянного тока, питаемого преобразователем напряжение - ток, либо на электродвигателе, питаемом усилителем напряжения с соответствующей положительной обратной связью по выходной скорости вращения, которая компенсирует влияние скоростной противоЭДС электродвигателя. Передаточная функция исполнительного органа 6 равна 1/JS2, а блока 9 дифференцирования S. На выходе блока сравнения 8 имеет место сигнал ошибки E(s), равный разности выходного сигнала Q(s) и выходного сигнала R(s). Поскольку исполнительным органом является малоскоростной уравновешенный шарнирный манипулятор, то эффективный момент инерции J постоянен, а внешний возмущающий момент равен нулю. В процессе удержания исполнительного органа в заданном положении или останова в целевом положении в структуре устройства имеет место формирование управляющего воздействия по ошибке положения и демпфирование по ошибке скорости. Выражение для изображения динамической ошибки E(s) критического коэффициента демпфирования К и установившейся статической ошибки положения Е имеет следующий вид (см. формулы 6.1, 6.2 материала прототипа):The device blocks have the following transfer functions in the Laplace image. Amplifiers 1, 2, 3 have gains Ke, Kv, Kv / Ke, respectively. Blocks 4 and 7 have transmission coefficients equal to 1. Servo 5 carries out a linear conversion of the electrical signal into mechanical torque. The gear ratio of the servo drive is 1 and does not depend on the speed of rotation of the link, since it is performed on a DC motor fed by a voltage-current converter, or on a motor fed by a voltage amplifier with corresponding positive feedback on the output rotation speed, which compensates for the effect of high-speed counter-emf electric motor. The transfer function of the actuator 6 is 1 / JS 2 , and the differentiation unit 9. At the output of the comparison unit 8, there is an error signal E (s) equal to the difference between the output signal Q (s) and the output signal R (s). Since the executive body is a low-speed balanced articulated manipulator, the effective moment of inertia J is constant, and the external disturbing moment is zero. In the process of holding the actuator in a predetermined position or stopping in the target position, a control action is generated in the device structure by a position error and damped by a speed error. The expression for the image of the dynamic error E (s) of the critical damping coefficient K and the steady-state static error of the position E has the following form (see formulas 6.1, 6.2 of the prototype material):
E=0.E = 0.
Таким образом, с течением времени звено манипулятора с нулевой ошибкой останавливается или удерживается в заданном положении.Thus, over time, the link of the manipulator with a zero error stops or holds in a predetermined position.
В процессе же отработки целевой скорости подхода к целевому положению движение исполнительного органа с учетом отрицательной обратной связи по выходной скорости описывается линейным дифференциальным уравнением, имеющим следующее изображение по Лапласу:In the process of working out the target speed of the approach to the target position, the movement of the executive body, taking into account the negative feedback on the output speed, is described by a linear differential equation having the following Laplace image:
JS2+KvS=KeR(s).JS2 + KvS = KeR (s).
Изображение по Лапласу решения этого уравнения Q1 имеет (см., например, Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. - М.: Наука, 1977, с.228, табл. 8.4-1) такой вид:The Laplace image of the solution of this equation Q 1 has (see, for example, G. Korn, T. Korn. Handbook of mathematics. - M .: Nauka, 1977, p. 228, table. 8.4-1) this form:
Управляющий сигнал R(t) поступающий с выхода ключа 20, постоянен, пропорционален единичному скачку и имеет изображениеThe control signal R (t) coming from the output of the key 20 is constant, proportional to a single jump and has an image
Преобразованное по таблице обратных преобразований Лапласа выражение (1) с учетом (2) принимает видThe expression (1) transformed according to the table of inverse Laplace transforms taking into account (2) takes the form
С течением времени после разгона звена 6 разность, находящаяся в скобках в (3), становится равной нулю, и звено манипулятора совершает движение с заданной скоростью V от начального положения Q1 к целевому.Over time, after the acceleration of link 6, the difference in parentheses in (3) becomes equal to zero, and the link of the manipulator moves with a given speed V from the initial position Q 1 to the target.
Структура устройства выполнена таким образом, что в режиме отработки целевой скорости V подхода к целевому положению R, формируемой задатчиком скорости, знак целевой скорости меняется в зависимости от знака рассогласования целевого и текущего положения. Это происходит следующим образом. Целевой сигнал R2 сравнивается в блоке сравнения 10. Целевой сигнал R2 и сигнал текущий (Qτ) с датчика 7 положения всегда неотрицательны, что обусловлено выполнением данных блоков. Если названная разность сигналов положительна, то выходной сигнал блока сравнения 10 после прохождения нелинейного элемента 21 имеет знак "+", который поступает на управляющий вход ключа 24 таким образом, что положительный сигнал скорости с задатчика скорости 23 пропускается ключом 24 непосредственно на первый вход сумматора 26 и на вход усилителя 3 соответственно. И устройство передвигает звено манипулятора с заданной целевой скоростью в сторону уменьшения рассогласования целевого и текущего положения согласно уравнению (3).The structure of the device is designed in such a way that in the mode of developing the target speed V of the approach to the target position R formed by the speed controller, the sign of the target speed changes depending on the sign of the mismatch between the target and the current position. This happens as follows. The target signal R 2 is compared in the comparison unit 10. The target signal R 2 and the current signal (Qτ) from the position sensor 7 are always non-negative, due to the execution of these blocks. If the mentioned signal difference is positive, then the output signal of the comparison unit 10 after passing through the nonlinear element 21 has a “+” sign, which is transmitted to the control input of the key 24 so that the positive speed signal from the speed setter 23 is passed by the key 24 directly to the first input of the adder 26 and to the input of amplifier 3, respectively. And the device moves the link of the manipulator with a given target speed in the direction of reducing the mismatch of the target and current position according to equation (3).
Если в результате инерции произойдет перебег звеном заданного целевого положения R2, выходной сигнал нелинейных элементов 21 изменит знак на противоположный и переключит ключ 24, сигнал задатчика скорости 23 будет проходить через инвертор 25, изменит свой знак на отрицательный и поступит на второй вход сумматора 26 и на вход усилителя 3 соответственно. Тем самым движение, согласно уравнению (3), начнет осуществляться в обратную сторону. То есть в сторону уменьшения рассогласования между целевым R2, и текущим Qt положением.If as a result of inertia an overrun occurs by a link of a given target position R 2 , the output signal of the nonlinear elements 21 changes its sign to the opposite and switches the key 24, the signal of the speed adjuster 23 will pass through the inverter 25, change its sign to negative and go to the second input of the adder 26 and to the input of amplifier 3, respectively. Thus, the movement, according to equation (3), will begin to be carried out in the opposite direction. That is, in the direction of reducing the mismatch between the target R 2 , and the current Q t position.
Предлагаемое устройство выполнено из стандартных блоков дифференцирования 9, сравнения 8, 10, сумматора 4, 26, усилителей 1, 2, 3, сервопривод 5 на основе электродвигателя постоянного тока и преобразователя напряжение - ток или усилителя напряжения с положительной обратной связью по выходной скорости вращения вала электродвигателя, информацию о которой несет выходной сигнал встроенного в электродвигатель тахогенератора, датчик 7 угла поворота на основе потенциометра, нелинейные элементы 11 и 21, блок сравнения 10, блоки выделения модуля 12, 13, схемы И 14, схемы НЕ 15, задатчики скорости и положения 22, 23, ключей 16, 17, 18, 19, 20 и 24 (см.. А.Г. Алексенко, Е.А. Коломбет, Г.И. Стародуб. Применение прецизионных аналоговых ИС. М.: Радио и связь, 1981. С.77-82, 92-101, 105-110, 148-152, 167-177, 190-194, Ю.C. Забродин. Промышленная электроника. М.: Высшая школа, 1982, с.159, 160, 170, 175, 184-199, 254-296, В.Г. Гусев, Ю.М. Гусев. Электроника. М.: Высшая школа, 1982, с.335, Справочник по интегральным микросхемам. Б.В. Тарабрин, С.В. Якубовский, Н.А. Барканов и др. Под ред. Б.В. Тарабрина. М.: Энергия, 1981, с.568-770).The proposed device is made of standard units of differentiation 9, comparison 8, 10, adder 4, 26, amplifiers 1, 2, 3, servo 5 based on a DC motor and a voltage-current converter or voltage amplifier with positive feedback on the output shaft rotation speed an electric motor, information about which is provided by the output signal of a tachogenerator built into the electric motor, a rotation angle sensor 7 based on a potentiometer, nonlinear elements 11 and 21, a comparison unit 10, allocation units of a module 12, 13, circuits And 14, circuits NOT 15, speed and position adjusters 22, 23, keys 16, 17, 18, 19, 20 and 24 (see .. A.G. Aleksenko, E.A. Colombet, G.I. Starodub. Application precision analog ICs. M: Radio and communications, 1981. S.77-82, 92-101, 105-110, 148-152, 167-177, 190-194, Yu.C. Zabrodin. Industrial electronics. M. : Higher School, 1982, p.159, 160, 170, 175, 184-199, 254-296, V.G. Gusev, Yu.M. Gusev.Electronics.M .: Higher School, 1982, p.335, Reference on integrated circuits. B.V. Tarabrin, S.V. Yakubovsky, N.A. Barkanov et al. Ed. B.V. Gibberish M.: Energy, 1981, p. 568-770).
Предлагаемое устройство по сравнению с устройством-прототипом за счет введения двух нелинейных элементов, двух блоков выделения модуля, схемы И, схемы НЕ, блока сравнения, сумматора, шести ключей и третьего усилителя и установления новых связей обладает повышенным быстродействием, так как при достижении целевого положения с целевой скоростью не тратится время, как ранее, на подавление переходных процессов, а используется сам переходный процесс определенного вида, сформированный посредством соответствующих перестроений структуры устройства, и обладает относительной простотой за счет исключения из его состава сложной цифровой вычислительной машины.The proposed device in comparison with the prototype device due to the introduction of two nonlinear elements, two blocks for selecting a module, an AND circuit, a NOT circuit, a comparison unit, an adder, six keys and a third amplifier and establishing new connections has increased speed, since when reaching the target position with the target speed, time is not wasted, as before, for the suppression of transients, but a certain type of transient process is used, formed by appropriate rearrangements of the device structure -keeping, and is relatively easy due to the exclusion from its membership of complex digital computer.
На кафедре "Робототехнические системы" СамГТУ собран и испытан лабораторный макет устройства.At the department "Robotic systems" SamSTU assembled and tested a laboratory model of the device.
Для доведения изобретения до промышленного использования требуется выполнение НИР сроком 2 года и последующее проведение ОКР сроком 1 год.To bring the invention to industrial use, research is required for a period of 2 years and subsequent development of research and development for a period of 1 year.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110070/09A RU2230349C2 (en) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | Control apparatus for controlling manipulator of robot |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110070/09A RU2230349C2 (en) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | Control apparatus for controlling manipulator of robot |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002110070A RU2002110070A (en) | 2003-10-27 |
| RU2230349C2 true RU2230349C2 (en) | 2004-06-10 |
Family
ID=32845592
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002110070/09A RU2230349C2 (en) | 2002-04-16 | 2002-04-16 | Control apparatus for controlling manipulator of robot |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2230349C2 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2679940A (en) * | 1951-06-28 | 1954-06-01 | Atomic Energy Commission | Electrical manipulator |
| RU2115539C1 (en) * | 1996-12-03 | 1998-07-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Robot drive control device |
-
2002
- 2002-04-16 RU RU2002110070/09A patent/RU2230349C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2679940A (en) * | 1951-06-28 | 1954-06-01 | Atomic Energy Commission | Electrical manipulator |
| RU2115539C1 (en) * | 1996-12-03 | 1998-07-20 | Дальневосточный государственный технический университет | Robot drive control device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zanasi et al. | Nonlinear filters for the generation of smooth trajectories | |
| Yao et al. | Active disturbance rejection adaptive control of uncertain nonlinear systems: Theory and application | |
| Canudas et al. | Adaptive friction compensation in DC-motor drives | |
| Lee et al. | Position control of a Stewart platform using inverse dynamics control with approximate dynamics | |
| Hasanien | FPGA implementation of adaptive ANN controller for speed regulation of permanent magnet stepper motor drives | |
| Zouari et al. | Sliding mode and PI controllers for uncertain flexible joint manipulator | |
| de Sousa et al. | Hybrid gray and black-box nonlinear system identification of an elastomer joint flexible robotic manipulator | |
| Arteaga | Robot control and parameter estimation with only joint position measurements | |
| Yen et al. | Thin-disc piezoceramic ultrasonic motor. Part II: system construction and control | |
| Rafiuddin et al. | Nonlinear controller design for mechatronic aeropendulum | |
| Achili et al. | A robust adaptive control of a parallel robot | |
| RU2230349C2 (en) | Control apparatus for controlling manipulator of robot | |
| US20250164953A1 (en) | Machining simulation device and machining simulation method | |
| Kazantsev et al. | A reference model for the motion of electromechanical control systems | |
| Dong et al. | Decentralized robust optimal control for modular robot manipulators based on zero-sum game with ADP | |
| JP2846896B2 (en) | NC servo simulator | |
| JPS60256815A (en) | Servo control method | |
| JP3656745B2 (en) | Electric motor position control device | |
| SU1004964A1 (en) | Tracking electric drive having variable moment of inertia | |
| Mazaki et al. | Haptic Feedback Rover Navigation Based on Positional Gain Adjusting Bilateral Control | |
| Dodds et al. | Detailed modelling and estimation of practical robotic parameters for precision control | |
| JPS6121511A (en) | Control system of positioning mechanism | |
| Khan et al. | Management of Electrical Machine Using Torque Control Strategy | |
| Zuev et al. | Development of Self-Tuning Control Systems for Electric Drives of Underwater Manipulators Based on Brushless DC Motors | |
| RU2235015C1 (en) | Robot drive control apparatus |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20050417 |