Функциональна схема электропривода

Электропривод современного ПР представляет собой комплекс приводов, каждый из которых управляет отдельной степенью подвижности. Рассмотрим на примере электроприводного ПР модели HdS05/06 (фирма GdA, Германия) наиболее распространенную функциональную схему (Рис. 16).

Рис. 16 – Функциональная схема управления электромеханического робота модели HdS05/06.

Данный ПР обладает шестью степенями подвижности, обозначенными на схеме как θ₁…θ₆. Все шесть электроприводов (ЭП1…ЭП6) управляются от общего центрального вычислительного устройства (ЦВчУ) системы программного управления (СПУ) ПР. Центральное вычислительное устройство выдает сигналы на цифровые регуляторы положения (ЦРП1….ЦРП6) отдельных приводов. Цифровые регуляторы положения управляют сервоприводами (СП1…СП6) в соответствии с сигналами ЦВчУ и датчиков угла (ДУ), например, кодовых датчиков угла с фотоэлектрическим преобразованием.

Одним из наиболее сложных и ответственных элементов в электроприводном ПР является сервопривод (СП).

Функциональная схема сервопривода ПР приведена на рис. 17.

Рис. 17 – Функциональная схема сервопривода ПР.

Данная схема представляет собой аналогово-цифровую систему автоматического управления, в которой сочетаются преимущества комбинированной аналоговой системы, работающей по принципу трехконтурной системы подчиненного регулирования, с достоинствами цифровой системы (высокая точность и удобство программирования).

Первый контур образован двигателем (М) с преобразователем (ПР) и регулятором тока (РТ). Во второй контур входят датчик скорости (ДС) и регулятор скорости (РС). В состав третьего контура дополнительно входят датчик угла (ДУ) и цифровой регулятор положения (ЦРП).

В качестве регуляторов скорости и тока в ПР чаще всего используются аналоговые, а в последнее время – и цифровые, операционные усилители с помощью которых легко реализуется практически любой требуемый закон управления. Датчик скорости также может быть как аналоговым, так и цифровым.

В ряде случаев применение датчика скорости не требуется, т.к. сигнал об изменении скорости может быть вычислен в цифровом регуляторе положения (ЦРП) путем дифференцирования сигнала с датчика угла (ДУ)

Таким образом анализ функциональных схем, приведенных на рис.16 и рис. 17, показывает, что независимо от конкретной схемы электропривод ПР состоит из следующих элементов:

– исполнительного элемента (двигателя);

– преобразователя;

– регуляторов тока, скорости и угла;

– и датчиков обратной связи по току, скорости и углу.

Современные тенденции развития робототехники таковы, что позволяют выпускать сервоприводы, которые конструктивно объединяют двигатель, преобразователь, датчики и регуляторы скорости и тока.

Е.С.Шаньгин

УПРАВЛЕНИЕ РОБОТАМИ

И

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ

Конспект лекций

30 лекций

Уфа-2005

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1	Введение. Основные сведения о дисциплине. Краткая характеристика основных разделов. Классификация роботов по назначению.	Стр. 4
Лекция 2	Кинематика манипулятора. Основные задачи кинематики манипулятора Прямая задача кинематики. Матрицы сложных поворотов.	Стр. 8
Лекция 3	Матрица поворота вокруг произвольной оси. Представление матриц поворота через углы Эйлера.	Стр. 13
Лекция 4	Геометрический смысл матриц поворота. Свойства матриц поворота. Однородные координаты и матрицы преобразований.	Стр. 17
Лекция 5	Звенья, сочленения и их параметры. Представление Денавита-Хартенберга. Алгоритм формирования систем координат звеньев.	Стр. 20
Лекция 6	Уравнение кинематики манипулятора. Классификация манипуляторов. Обратная задача кинематики. Метод обратных преобразований.	Стр. 29
Лекция 7	Геометрический подход. Определение различных конфигураций манипулятора. Решение обратной задачи кинематики для первых трех сочленений. Решение для первого сочленения. Решение для второго сочленения.	Стр. 37
Лекция 8	Решение для третьего сочленения. Решение обратной задачи кинематики для последних трех сочленений. Решение для четвертого сочленения. Решение для пятого сочленения Решение для шестого сочленения.	Стр. 44
Лекция 9	Уравнения вида конфигурации для определения индикаторов конфигурации манипулятора. Машинное моделирование. Динамика манипулятора. Метод Лагранжа-Эйлера. Скорость произвольной точки звена манипулятора.	Стр. 52
Лекция 10	Кинетическая энергия манипулятора. Потенциальная энергия манипулятора. Уравнения движения манипулятора. Уравнения движения манипулятора с вращательными сочленениями.	Стр. 60
Лекция 11	Уравнения Ньютона-Эйлера. Вращающиеся системы координат.	Стр. 72
Лекция 12	Подвижные системы координат. Кинематика звеньев.	Стр. 75
Лекция 13	Рекуррентные уравнения динамики манипулятора.	Стр. 80
Лекция 14	Планирование траекторий манипулятора. Сглаженные траектории в пространстве присоединенных переменных. Расчет 4-3-4-траектории.	Стр. 83
Лекция 15	Граничные условия для 4-3-4-траектории.	Стр. 89
Лекция 16	Управление манипуляторами промышленного робота. Методы вычисления управляющих моментов. Передаточная функция одного сочленения.	Стр. 95

Лекция 17	Устройство позиционирования для одного сочленения манипулятора. Критерии работоспособности и устойчивости.	Стр. 101
Лекция 18	Компенсация в системах с цифровым управлением. Зависимость момента от напряжения. Управление манипулятором с переменной структурой. Адаптивное управление. Адаптивное управление по заданной модели. Адаптивное управление с авторегрессивной моделью.	Стр. 106
Лекция 19	Адаптивное управление по возмущению. Независимое адаптивное управление движением.	Стр. 112
Лекция 20	Очувствление. Введение. Датчики измерения в дальней зоне. Триангуляция. Метод подсветки.	Стр. 116
Лекция 21	Измерение расстояние по времени прохождения сигнала. Очувствление в ближней зоне. Индуктивные датчики. Датчики Холла.	Стр. 122
Лекция 22	Емкостные датчики. Ультразвуковые датчики. Оптические датчики измерений в ближней зоне.	Стр. 127
Лекция 23	Тактильные датчики. Дискретные пороговые датчики. Аналоговые датчики. Силомоментное очувствление. Элементы датчика и схвата, встроенного в запястье. Выделение сил и моментов.	Стр. 132
Лекция 24	Системы технического зрения. Получение изображения.	Стр. 138
Лекция 25	Методы освещения. Стереоизображение. Системы технического зрения высокого уровня. Сегментация. Проведение контуров и определение границ.	Стр. 143
Лекция 26	Определение порогового уровня. Глобальные и локальные пороги. Применение движения. Описание, Дескрипторы границы.	Стр. 149
Лекция 27	Сигнатуры. Дескрипторы области. Текстура. Скелет области. Сегментация и описание трехмерных структур. Описание трехмерной сцены плоскими участками. Применение градиента.	Стр. 153
Лекция 28	Разметка линий и соединений. Обобщенные конусы. Распознавание. Интерпретация.	Стр. 160
Лекция 29	Языки программирования роботов. Характеристики роботоориентированных языков. Определение положения. Определение движения. Очувствление и управление. Системные средства программирования.	Стр. 166
Лекция 30	Моделирование рабочего пространства. Описание задачи сборки. Синтез программы. Искусственный интеллект и планирование задач в робототехнике. Поиск пространства решений. Экспертные системы и системы представления знаний.	Стр. 172
Литература	Стр. 179

Лекция 1

Введение

«Одна машина может выполнять работу сотни обыкновенных людей, но никакая машина не заметит одного выдающегося человека».

Элберт Хаббард.

Слово «робот» происходит от чешского слова «robota», означающего работу. Впервые это слово прозвучало в пьесе К.Чапека «Р.У.Р» в 1921г.

Современное значение слова «робот» - автоматическое устройство, которое выполняет функции, обычно приписываемые человеку. В соответствии с этим определением стиральная машина является роботом.

Более точное определение промышленных роботов: «перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для осуществления различных, заранее заданных перемещений материалов, деталей, инструментов или специальных приспособлений с целью выполнения различных работ».

Современный промышленный робот – универсальный, оснащенный компьютером манипулятор, состоящий из нескольких твердых звеньев, последовательно соединенных вращательными или поступательными сочленениями.

Первые роботы, с которых началась современная робототехника, появились сразу после второй мировой войны. В конце 40-х годов в Окриджской и Аргоннской национальных лабораториях были начаты исследовательские программы по созданию дистанционно управляемых механических манипуляторов для работы с радиоактивными материалами. Разрабатывались манипуляторы копирующего типа, предназначенные для точного воспроизведения движений руки и кисти человека-оператора. В систему входили задающий и копирующий манипуляторы. Позднее путем установления механических связей между задающим и копирующим манипуляторами была введена обратная связь, позволяющая оператору ощущать силы взаимодействия между копирующим манипулятором и его рабочей средой. В середине 50-х годов механические способы введения обратной связи были заменены электрическими и гидравлическими.

После этого были разработаны манипуляторы с компьютером, способные выполнять автономно повторяющиеся операции. От специализированных автоматических машин эти роботы отличались возможностью смены выполняемых операций.

В начале 60-х годов была разработана механическая рука с тактильными датчиками (чувствительными к весу, усилию, температуре и т. п.). В последствии (в конце 60-х) к этому добавлялись «глаза» и «уши» – телекамера с микрофонами.

В 70-х годах началась разработка и промышленное использование манипуляторов для сборочных операций. Совершенствуются методы управления.

В настоящее время робототехника представляет собой значительно более обширную область науки, чем можно было себе представить всего несколько лет назад. Она включает вопросы кинематики, динамики, планирования стратегий, языков программирования и искусственного интеллекта.

Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, называют роботизированными. Роботизированные системы и комплексы, в которых роботы выполняют основные функции, называют робототехническими.

Роботы находят применение в других (кроме промышленности) областях: транспорте (беспилотная авиация, луноходы и т.п.), в сельском хозяйстве, в здравоохранении (протезирование, микрохирургия, и т.п.), в сфере обслуживания (бытовые машины, спасательные работы, торговые автоматы), космос, подводные аппараты и т.п.

Рисунок 1.1. Функциональная схема робота