Управление асинхронным двигателем (стр. 8 из 12)

Числом степеней свободы механической системы называется число возможных перемещений системы.

Твердые тела, входящие в механическую систему манипулятора, называются звеньями. В механике различают входные и выходные звенья. Входным называется звено, которому сообщается движение, преобразуемое механизмом. Выходным называется звено, совершающее рабочее движение.

Таким образом, в манипуляторе число входных звеньев равно числу приводов, а выходное звено, как правило, одно - схват, или рабочий орган.

Подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев называется кинематической парой.

3.4.4 Метод матриц в кинематике манипуляторов

Метод матриц можно применять к расчету любого манипулятора с поступательными и вращательными кинематическими парами. Универсальность метода покупается ценой некоторой избыточности вычислений. Этот метод развивался параллельно с развитием вычислительной техники, и он больше приспособлен к расчетам на ЭВМ, нежели к расчетам вручную. Его использование требует свободного обращения с матричным аппаратом.

3.4.5 Выбор систем координат

Осью вращательной пары (i, i+1), составленной из звеньев i и i+1, является ось цилиндрического шарнира, жестко связанная со звеном i, вокруг которой вращается звено i+1. Для поступательной пары (i, i+1) осью является любая прямая, параллельная вектору скорости поступательного движения звена i+1 относительно звена i.

Пронумеруем все звенья манипулятора от стойки (звено 0) до схвата (звена n) и свяжем с каждым из них свою систему декартовых координат, выбранную следующим специальным образом: ось Zi идет по оси кинематической пары (i, i+1); начало координат системы i, жестко связанной со звеном i, лежит на общем перпендикуляре к осям Zi-1 и Zi, либо в точке их пересечения, если таковая имеется, либо в любой точке оси кинематической пары, если ось Zi совпадает с осью Zi-1 или параллельна ей; ось Xi идет по общему перпендикуляру, проведенному к осям Zi-1 и Zi, и направлена от точки пересечения этого перпендикуляра с осью Zi-1 к точке его пересечения с осью Zi (или в любую сторону по нормали к плоскости, содержащей оси Zi-1 и Zi, если они пересекаются, или произвольным образом, если Zi-1 и Zi идут по одной прямой); ось Yi выбирается по правилу правой тройки векторов.

Начало координат системы 0, т.е. системы, жестко связанной со стойкой, может лежать в любой точке оси пары (0,1); ось Xо направляется произвольным образом.

Выбор системы n тоже выпадает из общего правила, так как звено n+1 отсутствует. Поэтому предлагается вообразить любого типа пару (n, n+1) и после этого выбрать систему по общему правилу. Начало выбранной таким образом системы называется центром схвата.

3.4.6 Расширенная матрица перехода для кинематической

пары. Определение положения и ориентации звеньев

Специальный выбор систем координат звеньев манипулятора позволяет с помощью лишь четырех параметров описать переход из одной системы в другую. Систему i-1 можно преобразовать в систему i с помощью поворота, двух сдвигов (переносов) и еще одного поворота, выполняемых в следующем порядке:

1) поворот системы i-1 вокруг оси Zi-1 на угол Q_i до тех пор, пока ось Xi-1 не станет параллельной оси Xi;

2) сдвиг повернутой системы вдоль оси Zi на величину Si до тех пор, пока оси Xi-1 и Xi не окажутся на одной прямой;

3) сдвиг вдоль оси Xi на величину a_i до тех пор, пока не совпадут начала координат;

4) поворот вокруг оси Xi на угол a_i до совмещения оси Zi-1 c осью Zi.

Расширенная матрица имеет следующий вид:

В расширенную матрицу Di входят четыре параметра: Q_i, a_i, S_i, a_i. Для любой кинематической пары три из них должны быть константами и только один - переменной величиной. Для вращательной пары переменной величиной является угол Q_i, а для поступательной пары - перемещение S_i.

Для определения положения и ориентации звена i в системе 0, следует найти произведение расширенных матриц А1, А2,... , Аi:

Ti = D1·D2· ... ·Di

Столбцы матрицы Ti имеют следующее геометрическое толкование: первые три элемента первого, второго и третьего столбцов представляют собой направляющие косинусы соответственно осей Xi, Yi, Zi в системе 0; три элемента четвертого столбца - это координаты xi, yi, zi центра системы i в системе 0.

3.4.7 Решение прямой задачи кинематики

Специальные системы координат выбираем в соответствии с указаниями (см. выше). Ось Z0 идет по оси поступательной пары (0,1), вдоль которой тело 1 поступательно перемещается относительно тела 0; ось Z1 идет по оси вращательной пары (1,2), т.е. по оси вращения тела 2; ось Z2 идет по оси вращательной пары (2,3); ось Z3 по оси поступательной пары (3,4); ось Z4 параллельна оси Z3 и проходит через центр схвата. Направление осей X, Y и положения начал координат показаны на конструктивной схеме (см. ниже).

Cоставим матрицы для всех звеньев. Для этого пронумеруем и определим параметры кинематических пар, а результаты занесем в таблицу, приведенную ниже.

Кинема-тическая пара

Тип пары	№ звена i
Q	a	S	A
0,1	поступа-тельная	1	0	0	S₁	0
1,2	враща-тельная	2	-Q₂	p/2	S₂	0
2,3	потупа-тельная	3	0	0	S₃	0
3,4	поступа-тельная	4	0	0	S₄	0

Для решения прямой задачи кинематики необходимо составить матрицы. В нашем случае матрицы A₁ ,A₃ и A₄ - матрицы сдвига, а A₂ - матрица вращения. Эти матрицы получаются из результирующей матрицы перехода, связывающей системы (i-1) и i.

Рассчитаем результирующие матрицы перехода для заданной кинематической системы манипулятора.

;

Задача решается при помощи формулы:

Решение прямой задачи кинематики сводится к тому, что имея значения обобщенных координат определяются элементы матрицы T, которая однозначно устанавливает положение и ориентацию схвата в системе координат стойки.

Координаты центра схвата в системе, связанной со стойкой манипулятора:

3.4.8 Решение обратной задачи кинематики

Обратную задачу кинематики можно сформулировать так : задана кинематическая схема манипулятора и известны положение и ориентация схвата в системе координат стойки. Требуется определить значения обобщенных координат, которые обеспечат заданное положение схвата.

Задать положение схвата, как и любого твердого тела, можно с помощью шести величин. Обычно три из них - это координаты центра схвата, еще две - это направляющие косинусы одной из координатных осей схвата и последняя - это один из направляющих косинусов другой координатной оси схвата. Например, этими шестью величинами могут быть шесть наддиагональных элементов матрицы Тn.

Приравнивая шесть заданных величин соответствующим элементам матрицы Тn, получим систему шести уравнений (в общем случае трансцендентных), неизвестными в которых являются обобщенные координаты.

Если n = 6, то есть число неизвестных равно числу уравнений, то обычно можно отыскать вполне определенные значения обобщенных координат.

Если манипулятор имеет больше шести степеней свободы, то есть число неизвестных превышает число, то одному и тому же положению схвата могут соответствовать различные наборы значений обобщенных координат.

И наконец, если n < 6, то решения не существует, то есть за счет меньшего, чем шесть, числа обобщенных координат невозможно получить наперед заданные произвольные положение и ориентацию схвата.

Однако, если требуется лишь попадание центра схвата в определенную точку пространства ориентация схвата может быть любой, то для этой цели годится манипулятор с тремя степенями свободы. В этом случае при решении задачи потребуется составить лишь три уравнения для нахождения трех неизвестных.

Ниже, при решении обратной задачи кинематики всегда будем считать, что число неизвестных равно числу степеней свободы манипулятора.

Приравнивая первые три элемента 4-го столбца матрицы T₄ к заданным величинам X₄, Y₄ и Z₄ получаем систему трех уравнений.

(-250; 140; 480)

Принимаем S₂ = 200, тогда S₁ = 480 - 200 = 280

Принимаем S₃ = 50, тогда S₄ = 180.28 - 50 = 130.28

-150 = 180.28 * cos Q₂Þ cos Q₂ = 0.832;

Q₂ = 33°42¢ - 90° = -56°18¢

3.4.9 Проверка решения