|
|
Изучая в предыдущих разделах
различные типы приводов, мы не рассматривали подробно проблему их
управляемости. Между тем управляемость приводов является важнейшим качеством,
без которого программируемое и целенаправленное функционирование
манипуляторов роботов было бы практически невозможным.
Все известные методы автоматического, управления
действиями манипуляторов в той или иной мере используют принцип позиционного
или силомоментного управления. Силовое управление пока не нашло широкого
применения, хотя находится в центре внимания исследователей и разработчиков,
поскольку позволяет существенно расширить возможности роботов, придать им
элементы адаптивности. Широко используемый в настоящее время позиционный
принцип управления исполнительными механизмами роботов связан с
использованием так называемых сервомеханизмов.
Принципы построения приводов с сервомеханизмами повсеместно
используются для автоматического управления движением различных механизмов и
машин, а само слово "серво" (от лат. servus) означает
вспомогательный, зависимый и т.п. Этот термин введен для обозначения
различных устройств, способных перемещаться в строгом соответствии с
поступающими извне командами. Впервые сервомеханизм был создан еще Джеймсом
Уаттом в 1788 г. и представлял собой устройство, предназначенное для
управления работой паровой машины с использованием центробежного регулятора
скорости.
В соответствии с японским промышленным стандартом JIS
сервомеханизм - это "система автоматического управления, в которой
входной управляющий сигнал преобразуется в механическое линейное или угловое
перемещение управляемого объекта". Сервоприводом будем называть такой
привод, в котором для автоматического управления используют те или иные
сервомеханизмы. Для сервоприводов, применяемых в исполнительных системах
роботов, объектом управления чаще всего является позиция звеньев манипулятора
(позиционный принцип управления), а также их ориентация. Значительно реже к
числу объектов управления относятся скорость перемещения звеньев манипулятора
и усилие, прикладываемое манипулятором к внешним объектам. Однако в этих
случаях управление осуществляется косвенно, через изменение позиций звеньев.
Следовательно, основным базовым объектом управления для систем управления
роботами являются позиции звеньев манипулятора.
Сервомеханизмы в приводах исполнительных систем роботов
реализуют один из видов автоматического управления, в результате которого
совершается перемещение требуемого звена манипуляционной системы робота точно
в заданное положение, при этом мощность выходного сигнала, непосредственно
воздействующег^Г^а исполнительный механизм, как правило, во много раз
превышает мощность входного управляющего воздействия, для чего требуется
подведение извне дополнительной энергии. В качестве устройств, воспринимающих
эту энергию и вырабатывающих усиленное выходное воздействие, применяют те или
иные двигатели, чаще всего - электродвигатели, гидроцилиндры и
гидродвигатели. Тем более, что большинство из них, отличаясь хорошей
управляемостью, сами по себе обладают свойствами сервомеханизмов
(сервомоторы).
Принцип функционирования сервопривода. Устройство
управления в соответствии с программой вырабатывает входной сигнал,
определяющий, например, требуемый угол поворота звена манипулятора 8 , и
направляет в сервомеханизм, где с помощью потока энергии, поступающего от
двигателя, сигнал многократно усиливается, формируется в виде выходного
значения требуемого угла поворота звена 0', равного или близкого к заданному
(0' = 0) и передается в виде силового воздействия непосредственно
управляемому механизму.
Достижение требуемого выходного воздействия в
сервоприводах может осуществляться по-разному. Как упоминалось выше, по типу
управления все приводные механизмы можно разделить на разомкнутые (с открытым
контуром управления) и замкнутые (с закрытым контуром управления). В системах
первого типа управляющий сигнал задает требуемое положение управляемого
механизма, а сервопривод вырабатывает воздействие, обеспечивающее его
реальное перемещение в заданное положение. В замкнутых сервосистемах, помимо
управляющего сигнала, на вход в процессе функционирования передается
информация о текущем значении выходного воздействия (обратная связь),
осуществляется сопоставление сигналов, а результирующее воздействие через
устройство управления поступает на вход исполнительного механизма Такие
сервосистемы принято называть двухсторонними в отличие от систем первого
типа, называемых односторонними.
Разомкнутые системы управления приводами проще в
реализации и значительно дешевле. Более сложные и дорогие - замкнутые
двухсторонние сервосистемы обладают такими преимуществами, как высокая
точность управления, быстрая реакция на внешнее управляющее воздействие, а
также высокая помехоустойчивость. Замкнутые системы автоматического
управления приводами широко применяются в робототехнике и продолжают
совершенствоваться в связи с созданием адаптивных и
"интеллектуальных" роботов.
Использование выходного воздействия в качестве обратной
связи можно осуществлять различными способами. В наиболее простом и даже
примитивном виде функции обратной связи может выполнять непосредственно
человек-оператор, наблюдающий во время работы за движением рабочего органа
манипулятора ( 7.19, а). Оператор 1, воздействуя на рычаг пульта управления
2, направляет входной сигнал 3 в приводной сервомеханизм робота 4.
Преобразованный и усиленный сигнал обеспечивает требуемое движение выходного звена
- рабочего органа 5. Наблюдаемое оператором перемещение рабочего органа в
виде зрительной обратной связи 6 позволяет вносить необходимые коррективы в
процесс функционирования исполнительного механизма
Однако точность и стабильность человеческого глазомера
недостаточны, поэтому в более совершенном виде выходное воздействие
преобразуют в какую-либо легко измеряемую величину, например, в напряжение
электрического тока, путем установки на движущийся элемент выходного звена
потенциометра ( 7.19,6). В этом случае, благодаря преобразованию выходного
воздействия в напряжение, оказалось возможны^ вывести человека из контура
управления, заменив его устройством программного управления (компьютером) 7.
Теперь формируемый компьютером входной сигнал 8 в форме задающего напряжения
V поступает в приводной сервомеханизм 9 модуля движения робота, где
формируется усиленное воздействие, обеспечивающее непосредственное
перемещение исполнительного органа, в данном случае поворот "руки"
10 на требуемый угол ф. Благодаря установке потенциометра 11, входное
движение преобразуется в адекватный сигнал обратной связи 12 в форме
электрического напряжения V2, поступающего на вход управляющего устройства
для сопоставления с задающим напряжением и выработки корректирующего
управляющего воздействия.
В реальных сервосистемах современных роботов величина
управляющего сигнала, необходимая для выполнения, например, поворота "руки"
робота на угол ф, рассчитывается компьютером, который как бы выносится из
контура собственно сервопривода, что делает систему более простой и дешевой.
Сигнал обратной связи также поступает в компьютер, который по его величине
может вычислить действительное значение угла поворота "руки"
манипулятора и сравнить с заданной величиной. Таким образом обеспечивается
высокая точность управления.
Классификация сервоприводов осуществляется по ряду
признаков.
По типу исполнительных устройств сервоприводы
подразделяются на электрические, гидравлические и пневматические. Поскольку в
современных конструкциях гидравлических сервоприводов обычно используются
также и электрические, такие сервоприводы часто называют
электрогидравлическими.
По способу обработки информации различают аналоговые и
цифровые сервоприводы в зависимости от того, в аналоговой или цифровой форме
осуществляется обработка входных сигналов и управляющей информации.
При создании современных наиболее совершенных моделей
промышленных роботов предпочтение все чаще отдается электрическим
сервосистемам, которые, хотя и уступают гидравлическим по мощности выходного
воздействия, но обладают такими важными преимуществами, как простота
конструкции, высокая надежность, низкий уровень шума, сравнительно малая
стоимость, а также отсутствие загрязнения рабочих помещений. Исполнительными
элементами электрических сервоприводов служат, как правило, электродвигатели
постоянного тока, обладающие хорошей управляемостью и позволяющие
сравнительно легко достичь высокой точности работы сервосистемы.
структурная схема электрической сервосистемы управления
приводом манипулятора Величина 9 х, задаваемая на входе в качестве требуемого
угла поворота плеча манипулятора, преобразованная в соответствующее по
величине электрическое напряжение Vj, измеряемое входным потенциометром 1,
подается в сервоусилитель 2, являющийся внешним контуром двигателя
(сервомотора) постоянного тока Усиленный сигнал поступает в сервомотор 3
постоянного тока, формирующий соответствующее выходное механическое
воздействие, которое через редуктор 4 поворачивает плечо 5 манипулятора на
угол 02, близкий по величине к заданному (02 s 01). Благодаря выходному
потенциометру 6, в процессе движения выходного звена формируется сигнал
обратной связи, поступающий к сервоусилителю в виде электрического напряжения
V2, соответствующего по знаку и величине реальному углу поворота
"плеча" манипулятора 02. Разность напряжений е = - V2 в усиленном
виде подается в обмотки сервомотора, обеспечивая соответствующую
корректировку скорости его вращения. Таким образом, текущее значение угла
поворота плеча манипулятора 0 2 достаточно быстро становится практически
равным целевому значению 9 г, заданному на входе.
Исходный сигнал поступает на вход сервопривода от
управляющего устройства (компьютера), вынесенного непосредственно из контура
управления приводом. Во многих случаях в электрических сервосистемах обратная
позиционная связь (например, по углу поворота) подается на вход компьютера, а
на сервоусилитель поступает дополнительный сигнал по скорости вращения
выходного звена в виде электрического напряжения от тахогенератора,
установленного на' выходе. Система с такой двойной обратной связью
обеспечивала болве плавное приближение исполнительного звена к заданной
позиции, и получила название системы с мягким, или плавным управлением. В
отличие от нее система с одним контуром позиционной обратной связи носит
название жесткого управления.
|