close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY7895

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 7895
(13) C1
(19)
(46) 2006.04.30
(12)
7
(51) G 05D 3/12
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРАМИ
С КОНТУРОМ УПРАВЛЕНИЯ ПО СИЛЕ
(21) Номер заявки: a 19991146
(22) 1999.12.22
(43) 2001.06.30
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Маркина Людмила Ивановна; Щербак Игорь Николаевич (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) I.E. PAROMTCHIK. et al. A Variable
Structure Force Controller for Robotic
Manipulators. Capri. Italy. Symposium
on Robot Control, SY. RO. CO. 1994.
JP 05143161 A, 1993.
JP 08063234 A, 1996.
JP 08216075 A, 1996.
DE 03139734 A1, 1983.
BY 7895 C1 2006.04.30
(57)
Система управления манипуляторами с контуром управления по силе, отличающаяся
тем, что содержит два управляющих контура по положению и по силе для управления
приводами двух, связанных между собой нагрузкой, совместно работающих манипуляторов как единого объекта управления, при этом каждый из управляющих контуров по положению и по силе включает в себя соединенные последовательно датчик сил и моментов
сил соответствующего манипулятора, звено разделения сигналов датчика сил и моментов
сил на составляющие сигналы сил и моментов сил соответствующего манипулятора,
фильтр для выделения полезной составляющей из сигналов сил и моментов сил и регулятор манипулятора по силе с интегрирующим звеном для компенсации возмущений, действующих на каждый из совместно работающих манипуляторов, обусловленных нагрузкой,
выходом соединенный с приводом соответствующего манипулятора.
BY 7895 C1 2006.04.30
Предлагаемое устройство относится к системам управления манипуляторами.
Известное устройство - это многосвязная или многомерная система управления [1],
где управление осуществляется по нескольким параметрам.
Недостатком известного устройства является то, что управление по силе и моментам
сил не предусмотрено, а также отсутствует система управления несколькими манипуляторами.
Наиболее близкой является гибридная система управления по силе и по моментам [2, 3],
которая использует информацию от силомоментного датчика.
Недостатком является то, что переходные процессы не монотонны и протекают за
достаточно большое время. Кроме этого, в названных системах не предусмотрено управление несколькими манипуляторами, объединенными общей нагрузкой.
Изобретение направлено на решение задач управления манипуляторами при выполнении ими совместных задач, а также если выполнение задачи связано с необходимостью
развития заданных сил в заданном направлении.
Названное техническое устройство достигается путем введения в систему управления
дополнительного контура управления по силе. Для осуществления такого способа управления необходимо ввести датчики силы в каждом суставе манипулятора или использовать
математическую модель манипулятора для построения наблюдателя силы, развиваемой
манипулятором. Также существует еще один способ управления - использование силового
датчика, который встроен в запястье и позволяет измерять силу контакта манипулятора с
внешней средой.
На фигуре представлена схема системы управления манипуляторами с контуром
управления по силе.
Обычно манипуляторы вместе с системой управления описываются сложной нелинейной системой дифференциальных уравнений, но при использовании редукторных приводов, переходные процессы близки к монотонным и система управления манипулятором
по позиции описывается системой дифференциальных уравнений второго порядка:
r
r
r
r
r
&x& + K v x& + K p x = K p x d + x&
(1)
&r&
r
r
r
r
n + K w n& + K N n = K N n d + n& d ,
r
где x = [x, y, z]T - вектор декартовых координат манипулятора;
r
x d = [x d , y d , z d ]T - вектор задания позиции;
r
n = [n1 , n 2 , n 3 ]T - вектор ориентации схвата;
r
n d = [n d1 , n d2 , n d3 ]T - вектор задания ориентации схвата;
Kv, Kp, Kw, KN - диагональные матрицы.
При определенных коэффициентах Kv, Kp, Kw, KN переходные процессы в системе
управления по позиции манипулятором, например шестизвенным, могут быть монотонными и его передаточная матричная функция может быть представлена как:
 1
1 
1
, ...,
,
W (S) = diag 
(2)
.
T6S + 1
 T1S + 1 T2S + 1
Для построения системы управления манипуляторами с контуром управления по силе
помимо модели манипулятора требуется модель датчика сил и моментов, встроенного в
схват. Передаточная матричная функция датчика сил и моментов может быть представлена в виде:
WF (S) = diag[B1S + k1 , B 2S + k 2 , ..., B6S + k 6 ] .
(3)
Для преобразования ряда измерений, полученных в вольтах на выходе датчика, в величины, пропорциональные силам и моментам, используется матрица разделения сил и
моментов А[аij], i = 1, ..., n, j = 1, ..., n. Сигнал датчика сил и моментов помимо полезной
2
BY 7895 C1 2006.04.30
составляющей содержит шум, для исключения которого необходимо использовать фильтр
с передаточной функцией:
 1
1
1 
,
W = diag 
,
, ...,
(4)
TF6 S + 1
 TF 1 S + 1 TF2 S + 1

где TFi = Bi/ki, i = 1, 2, ..., 6.
На выходе получаем вектор, пропорциональный вектору сил и моментов:
r
T
f = fx , fy , fz , Mx , My , Mz .
(5)
Необходимо построить систему управления манипуляторами, которые выполняют
общую задачу. Поскольку два совместно работающих манипулятора связаны между собой
нагрузкой, то эти манипуляторы и их нагрузка представляют собой единый объект управления и поэтому при построении системы управления необходимо учитывать уравнения
этого сложного объекта управления. Структурная схема нелинейной многосвязной системы управления для двух манипуляторов с силомоментным очувствлением представлена
на фигуре, где ПЗК и ОЗК - прямая и обратная задача кинематики. На этой фигуре манипуляторы представлены соответственно передаточными матричными функциями W1(S) и
W2(S), имеющими вид (2). Датчики сил, расположенные в схватах, имеют передаточные
матричные функции (3), сигналы с выходов датчиков фильтруются при помощи фильтров
с передаточными матричными функциями (4). Регуляторы по силе содержат матрицы H1 и
r
r
Н2, имеющие нелинейные элементы, зависящие от векторов x1 и x 2 , а также матрицы интегрирования I(S) = diag[ki1/S, ki2/S, ..., ki6/S], i = 1, 2. Последние необходимы для компенсации возмущений, действующих на манипуляторы, обусловленных нагрузкой. Для
определения матриц Н1 и Н2 запишем дифференциальные уравнения относительно вектоr
ра f . Из структурной схемы следует, что:
r
r
r
(6)
β 2 − β1 = −2 Nf ;
r&
r&
r&
(7)
β 2 − β1 = −2 Nf ;
r&
r r
(8)
f = k f R ( x ) x& ;
r r
r r
&r&
(9)
f = k f R ( x )&x& + R& ( x ) x& ,
-1
-1
где (6) и (7) справедливы при WF(S)(k BS + 1) = E и N = AFk , N = diag[n1, ..., n6].
Далее можно найти коэффициенты матрицы R(x):
 r11 r12 r13 
r 
R ( x ) = r21 r22 r23  ,
(10)
 r31 r23 r33 
[
]
[
где rij =
]
∂f i
.
∂x j
Далее опишем линейную часть системы дифференциальных уравнений, считая
W1(S) = W2(S), следующими дифференциальными уравнениями:
r r
r
r
(11)
Tx& 1 + x1 = xz1 + Fu1 ;
r
r
r
r
Tx& 2 + x 2 = xz 2 + Fu 2 .
(12)
r
Так как скорость перемещения нагрузки манипуляторами не велика, т.е. xz& 1 ≈ 0 и
r
xz& 2 ≈ 0 , используя разность (11) и (12) и продифференцировав ее, найдем уравнение вида:
r r
r
(13)
Tx& + x = Fu ,
где
3
BY 7895 C1 2006.04.30
r
r
r
Fu = Fu 2 − Fu 1 .
Из структурной схемы следует, что
r
r
Fu = k i z .
(14)
(15)
r&&
Здесь ki = diag[ki1, ki2, ..., ki6]. Найдем из (13) значение x и подставим его в выражение
(9) с учетом (15), и в результате получим:
r
r
r
r r
&r&
(16)
f = k F R ( x ) − T −1 x& + T −1k I z + k f R& ( x ) x& .
Используя структурную схему и с учетом уравнений (9), (10), а также зная, что
r
r&
(17)
z = Hβ + Dβ ,
[
]
перепишем (16) в виде:
r&
r
r r&
r r
r
&r&
f + T −1ε − R& ( x )R −1 ( x )f + 2 NT −1R ( x )Dε& + 2 NR ( x ) ⋅ HT −1k I f = 0 . (18)
Выберем параметры Н и D так, чтобы уравнение (18) распалось на систему независимых дифференциальных уравнений второго порядка, для чего матрицы H и D определим
как:
r
(19)
H = R −1 ( x ) ,
r
r
r
(20)
D = 0,5 ⋅ R −1 ( x ) N −1TR& ( x )R −1 ( x ) .
При выборе матриц Н и D в соответствии с уравнениями (19) и (20) уравнение (18) будет иметь вид:
r
&r& r&
(21)
Tf + f + 2 Nk I f = 0 .
При заданных параметрах матриц Т и N, если они диагональные, можно определить
элементы матрицы kI, которые обеспечили бы в системе управления по силе для двух совместно работающих манипуляторов монотонные переходные процессы, что возможно
при
k I = 18 N −1T −1 .
(22)
Достоинством является то, что переходные процессы, протекающие в данной системе
управления, более монотонны и сходятся за меньшее время. Кроме того, ошибки по позиции, возникающие во время манипуляций, гораздо меньшие, чем при использовании традиционных систем управления.
Источники информации:
1. Теория автоматического управления / Под ред. А.А. Воронова. Часть 1. - М.: Высшая школа, 1986. - 486 с.
2. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. - М.: Мир, 1989. - 621 с.
3. Paromtchik I.E., Damm M. and Matioukhina L.I. A Variable Structure Force Controller
for Robotic Manipulators // Symposium on Robot Control, SY. RO. CO. 1994, September 19-21,
Capri, Italy (прототип).
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
107 Кб
Теги
патент, by7895
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа