Моделирование системы управления полноприводным четырехколесным сельскохозяйственным мобильным роботом – тема научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям читайте бесплатно текст научно-исследовательской работы в электронной библиотеке КиберЛенинка

Подборка по базе: 3 лекция Көлбай Дінмұхаммед Аиу-219к.docx, 1 Хим НГ Лекция 7.doc, 1 Лекция 1.pdf, 1 Лекция 21.docx, 6 лекция_bbde0045ff94a105f68d66d6ac027769-1.doc, 10 лекция_2032d4b4456c36065e361636eb2a3cc7.doc, 01.06 Лекция 3 Глоссарий.pdf, Отчет, Тарасов, лекция2.docx, 2_1 Лекция 2_КР устной и письменной речи2 (1).pdf, 2я лекция МЖГ.pdf

Тема 6 Робототехника

Что такое робот и области их применения
Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до наших дней образцом для них служат возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых и опасных работах породило идею создания робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие современной робототехники и роботостроения.

На рис. 7.1 показана функциональная схема робота. В общем виде она включает исполнительные системы – манипуляционную (один или несколько манипуляторов) и передвижения (транспортную), информационно-управляющую, сенсорную, дающую информацию о внешней среде и систему связи с оператором, а также с другими взаимодействующими с роботом машинами.

Исполнительные системы состоят из механической системы и системы приводов. Механическая система манипулятора – это кинематическая цепь, состоящая из подвижных звеньев с угловым или поступательным перемещением, которая заканчивается каким-нибудь рабочим инструментом или захватным устройством.

Рис. 7.1. Функциональная схема робота
Со временем понятие робот расширилось и под ним часто стали понимать любую автоматическую машину, заменяющую человека и чем-то напоминающую его разумное поведение

Робот это машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин – рабочих и информационных. Роботы также принципиально отличаются от других машин своей универсальностью (многофункциональностью) и гибкостью (быстрым переходом к выполнению новых операций.)

Примечание. Термин “робот” славянского происхождения. Его ввел известный чешский писатель Карел Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе “Россумовские универсальные роботы”, в которой так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название “робот” образовано от чешского слова гоЬоtа, что означает тяжелый подневольный труд.

Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и автоматизированного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Эти устройства явились в значительной степени предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.).

Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными.

Роботизированные системы, в которых роботы выполняют основные технологические операции, называются робототехническими.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и, прежде всего, в машиностроении. Предназначенные для этой цели роботы называют промышленными роботами (ПР).

Наряду с использованием в промышленности роботы применяются и в других областях народного хозяйства и вообще человеческой деятельности:

• на транспорте (включая создание шагающих транспортных машин),
• в сельском хозяйстве,
• медицине (протезирование, хирургия – обслуживание больных и инвалидов),
• в сфере обслуживания,
• для исследования и освоения океана и космоса и выполнения работ в других экстремальных условиях (стихийные бедствия, аварии, военные действия), в научных исследованиях.

Применение роботов не только приносит конкретный технико-экономический эффект, связанный с повышением производительности труда, сменности работы оборудования и качества продукции, но и является важным средством решения социальных проблем, позволяя освобождать людей от тяжелого, опасного и монотонного труда.
Развитие робототехники
Робототехника развивается по назначению можно разбить на три группы:

Первое место в мире по производству и применению роботов уверенно занимает Япония, где сосредоточена большая часть мирового парка роботов. Большая часть этого парка используется в промышленности, примерно половина — для выполнения основных технологических операций,

В развитие робототехники во времени можно выделить 3 этапа, которым соответствует появление роботов соответствующего поколения.

Технический прогресс в развитии роботов направлен, прежде всего, на совершенствование систем управления. Первые промышленные роботы имели программное управление, в основном заимствованное у станков с числовым программным управлением (ЧПУ. Эти роботы получили название роботов первого поколения. Они работают по «жестко» заданной программе, т.е. должны быть заданы координаты и положения объектов обслуживания.

Примечание. Каждое поколение роботов соответствует определенному этапу развития техники во времени.

Второе поколение роботов – это очувствленные роботы, т.е. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения (СТЗ). Роботы второго поколения не требуют точного позиционирования объектов (заготовок, деталей)

На рубеже XXI в. робототехника подошла к следующему этапу своего развития — созданию интеллектуальных роботов – роботов третьего поколения. Они самостоятельно принимают решения в зависимости от условий внешней среды для достижению конечной цели. Интеллектуальный робот — это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта, что позволяет расширить сферу применения робототехники практически на все области человеческой деятельности.

В 1968 г. в СССР (Институтом океанологии Академии наук СССР совместно с Ленинградским политехническим институтом и другими вузами) был создан телеуправляемый от ЭВМ подводный робот “Манта” с очувствленным захватным устройством, а в 1971 г. — следующий его вариант с техническим зрением и системой целеуказания на телевизионном экране

В 1969г. в США (Станфордский научно-исследовательский институт) был разработан работ с искусственным интеллектом “Шейки” с развитой системой сенсорного обеспечения, включая техническое зрение, обладавшего элементами искусственного интеллекта, что позволило ему целенаправленно передвигаться в заранее неизвестной обстановке, самостоятельно принимая необходимые для этого решения ,

В 1971 г. в Японии также были разработаны экспериментальные образцы роботов с техническим зрением и элементами искусственного интеллекта: робот “Хивип”, способный самостоятельно осуществлять механическую сборку простых объектов по предъявленному чертежу.

Одним из основных направлений применения роботов является комплексная автоматизация производства, создание гибких автоматизированных производств, прежде всего, в машиностроении. Роботы как универсальное гибкое средство для выполнения в первую очередь манипуляционных действий — важный компонент таких производств.

Первые серьезные результаты по созданию и практическому применению роботов в СССР относятся к 1960-м гг. В 1966 г. в институте ЭНИКмаш (г. Воронеж) был разработан автоматический манипулятор с простым цикловым управлением для переноса и укладывания металлических листов. Первые промышленные образцы современных промышленных роботов с позиционным управлением были созданы в 1971 г. (УМ-1, “Универсал-50”, УПК-1).

Первые промышленные роботы второго поколения со средствами очувствления появились в отечественной промышленности на сборочных операциях в приборостроении с 1980г. Первый промышленный робот с техническим зрением МП-8 был создан в 1982 г.
Состав, параметры и классификация роботов
Робот как машина состоит из двух основных частей — исполнительных систем и информационно-управляющей системы с сенсорной системой. В свою очередь исполнительные системы включают манипуляционную систему (обычно в виде механических манипуляторов) и системы передвижения, имеющиеся только у мобильных (подвижных) роботов.

Классификация роботов

Классификация роботов по назначению. т. е. область применения. Основные области применения роботов.

Промышленные роботы(ПР), которые предназначены для применения в промышленности и составляют до 80% всего парка роботов в мире.

По типу выполняемых операций все ПР делятся на

• роботов технологических, которые выполняют основные технологиче­ские операции, и
• роботов вспомогательных, предназначенных для выполнения вспомогательных технологических операций по обслуживанию основного технологического оборудования.

Технологические роботы относятся к основному технологическому оборудованию, а вспомогательные можно отнести к средствам автоматизации.

По широте перечня операций, для выполнения которых предназначен робот, различаются роботы

• специальные,
• специализированные
• универсальные.

Специальные роботы предназначены для выполнения одной конкретной технологической операции (например, сварка, нанесение покрытий, определенная сборочная операция или обслуживание определенной марки технологического оборудования).

Специализированные роботы могут выполнять несколько однотипных операций (сборочный робот со сменными рабочими инструментами, робот для обслуживания определенного типа технологического оборудования и т. п.).

Универсальные роботы могут выполнять различные основные и вспомогательные операции в пределах их технических возможностей.

Классификация роботов по показателям, определяющим их конструкцию.

К таким показателям относятся:

• тип приводов;
• грузоподъемность;
• количество манипуляторов;
• тип и параметры их рабочей зоны;
• подвижность и способ размещения;
• исполнение по назначению.

Приводы, которые используются в манипуляторах и системах передвижения роботов, могут быть электрическими, гидравлическими и пневматическими. Часто их применяют в комбинации.

Грузоподъемность робота — это грузоподъемность его манипуляторов, а для транспортного робота еще и его шасси.

Количество манипуляторов у роботов в большинстве случаев ограничено одним. Однако в зависимости от назначения существуют конструкции роботов с 2, 3 и совсем редко 4 манипуляторами. Манипулятор может быть оснащен двумя схватами (рабочими органами), что повышает эффективность его работы.

Тип и параметры рабочей зоны манипулятора определяют область окружающего робот пространства, в пределах которой он может осуществлять манипуляции, не передвигаясь, т. е. при неподвижном основании. Рабочая зона манипулятора — это пространство, в котором может находиться его рабочий орган при всех возможных положениях звеньев манипулятора. Форма рабочей зоны определяется системой координат, в которой осуществляется движение рабочего органа манипулятора, и числом степеней подвижности манипулятора.

Подвижность робота определяется наличием или отсутствием у него системы передвижения. В первом случае роботы называют мобильными, а во втором – стационарными

По способу размещения стационарные и мобильные роботы бывают

• напольными,
• подвесными (мобильные роботы этого типа обычно перемещаются по поднятому монорельсу),
• встраиваемыми в другое оборудование (например, с размещением на станине обслуживаемого им станка).

Исполнение робота по назначению зависит от внешних условий, в которых он должен функционировать. Различают исполнение

• нормальное,
• пылезащитное,
• теплозащитное,
• влагозащитное,
• взрывобезопасное и т. д.

Классификация роботов по способу управления. По этому признаку различают роботы с

программным,

адаптивным и

интеллектуальным управлением.

Управление движением по отдельным степеням подвижности может быть непрерывным и дискретным. В последнем случае управление движением осуществляется заданием последовательности точек с остановкой в каждой из них. Простейшим вариантом дискретного управления является цикловое (например , робот ЦПР-1), при котором количество точек позиционирования по каждой степени подвижности минимально – чаще всего ограничено двумя – начальной и конечной.

Классификация роботов по быстродействию и точности движений. Эти параметры взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства Быстродействие манипулятора определяется скоростью перемещения его рабочего органа и может быть разбито на 3 диапазона в зависимости от линейной скорости:

• малое — до 0,5 м/с;
• среднее — от 0,5 до 1—3 м/с;
• высокое — при больших скоростях.

Наибольшая скорость манипуляторов современных роботов достигает 10 м/с и выше.

Точность манипулятора и системы передвижения робота характеризуется погрешностью позиционирования. Чаще всего точность роботов характеризуют абсолютной погрешностью. Точность роботов общего применения можно разбить на 3 диапазона в зависимости от линейной погрешности:

• малая — от 1 мм и более;
• средняя — от 0,1 до 1 мм;
• высокая — при меньшей погрешности.

Наименьшую точность имеют роботы, предназначенные для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, а наибольшую, микронную, – роботы, используемые, например, в электронной промышленности.

Рассмотренные ранее параметры роботов относятся к классификационным, т. е. используются при формировании типажа роботов и, соответственно, их наименований.

Параметры, определяющие технический уровень роботов.

К параметрам, определяющим технический уровень относятся параметров, которые могут иметь количественное выражение, такие, как из ранее рассмотренных: быстродействие, точность.

К параметрам относятся, в частности,

• удельная грузоподъемность, отнесенная к массе робота,
• выходная мощность манипулятора (произведение грузоподъемности на скорость перемещения), отнесенная к мощности его приводов;
• размер рабочей зоны, отнесенный к габаритам робота.

Другими ранее не упоминавшимися параметрами, характеризующими технический уровень роботов, являются

• число одновременно работающих степеней подвижности,
• надежность,
• способы и время программирования.

Контрольные вопросы:

1. Что такое робот?
2. Из каких основных элементов состоит робот?
3. Где применяется робототехника?
4. На какие группы можно разбить роботы по назначению?
5. Перечислите поколения промышленных роботов и чем они отличаются друг от друга?
6. Как классифицируются промышленные роботы по типу выполняемых операций и по широте выполняемых операций?
7. Как классифицируются промышленные роботы по показателям, определяющим их конструкцию?
8. Какие параметры определяют технический уровень роботов?

Лекция №11

Манипуляционные системы
Сегодня основным типом манипуляционных систем роботов являются механические манипуляторы. Они представляют собой пространственные механизмы в виде кинематических цепей из звеньев, образующих кинематические пары с угловым или поступательным относительным движением и системой приводов обычно раздельных для каждой степени подвижности. Манипуляторы заканчиваются рабочим органом.

Степени подвижности манипулятора делятся на

• переносные – для перемещения рабочего органа в рабочей зоне манипулятора,
• ориентирующие – для угловой ориентации рабочего органа.

Минимально необходимое число переносных степеней подвижности для перемещения рабочего органа в пространстве рабочей зоны равно 3. Однако для расширения манипуляционных возможностей обычно снабжают несколькими избыточными переносными степенями подвижности, Современные манипуляторы в среднем имеют 4—6 степеней подвижности, но существуют манипуляторы и с 8—9 такими степенями.

Максимально необходимое число ориентирующих степеней подвижности равно 3. Они реализуются кинематическими парами с угловым перемещением, обеспечивающими поворот рабочего органа манипулятора относительно его продольной и 2 других взаимно перпендикулярных осей.

Анализ кинематических схем переносных манипуляторов позволяет у большинства роботов выделить три основные формы рабочих зон: параллелепипед, цилиндр, сфера.

На рис. 7.2 – 7.5 показаны конструкции манипуляторов с 3 переносными степенями подвижности в различных системах координат и их рабочие зоны.

Манипуляторы, работающие в прямоугольной системе координат (рис. 7.2), имеют рабочую зону в форме параллелепипеда. Здесь все перемещения только поступательные.

В манипуляторах, работающих в цилиндрической системе координат (см. рис. 7.3), наряду с поступательными перемещениями осуществляется одно угловое перемещение (по окружности). Соответственно, рабочая зона ограничена цилиндрическими поверхностями.

В сферической системе координат (рис. 7.4) осуществляются уже 2 угловых перемещения и рабочая зона ограничена сферическими поверхностями. Манипуляторы с такой системой координат, как правило, сложнее, чем с цилиндрической системой, однако компактнее.

Рис. 7.2. Манипулятор с прямоугольной системой координат (а) и его рабочая зона (б)

Рис. 7.3. Манипулятор с цилиндрической системой координат (а) и его рабочая зона (б)

Рис. 7.4. Манипулятор со сферической системой координат (а) и его рабочая зона (б)
Показанный на рис. 7.5 манипулятор с угловой системой координат производит только угловые перемещения, т. е. все его звенья представляют собой шарниры. Поэтому часто такие манипуляторы называют шарнирными и антропоморфными. Роботы с такого типа манипуляторами благодаря возможности последних складываться, не выступая практически за габариты основания робота, обладают наибольшей компактностью, хотя и наиболее сложны в управлении.

Представленные на рис. 7.2 – 7.5. манипуляторы имеют всего по 3 переносных степени подвижности. Однако поскольку манипуляторы реальных роботов содержат большее число степеней подвижности, в них часто используются различные комбинации рассмотренных ранее основных типов систем координат.

Рис. 7.5. Манипулятор с угловой системой координат (а) и его рабочая зона (б)
Механические системы современных манипуляторов представляют собой, как правило, разомкнутые кинематические цепи из подвижно соединенных звеньев. Соседние звенья образуют вращательные и поступательные кинематические пары, обычно с одной степенью подвижности. Применяются и более сложные кинематические схемы манипуляторов, содержащие параллельно соединенные звенья.

На рис. 7.6 показаны варианты кинематических схем с параллельным соединением звеньев, нашедших применение в манипуляторах для повышения их жесткости и маневренности. Схема на рис. 7.6, б, называемая платформой Стюарта, состоит из 2 пластин, шарнирно соединенных несколькими (минимально 3) поступательными парами.

Рис. 7.6. Варианты параллельных кинематических схем

При изменении длины этих пар происходит пространственное перемещение верхней пластины относительно нижней. Последовательное соединение нескольких таких конструкций позволяет создавать многостепенные манипуляционные системы, способные принимать весьма сложные положения. (Такие конструкции, в частности, применяются в станкостроении.) На рис. 7.6, в показан еще один вариант такого типа

кинематической схемы, работающей в одной плоскости. Конструкция манипуляторов определяется, прежде всего, их кинематической схемой, существенное значение имеют также тип и размещение приводов и механизмов передачи движения от них к звеньям манипулятора.

Размещение приводов и механизмов передачи движения от двигателя к звену манипулятора с точки зрения простоты передачи лучше всего, конечно, размещать двигатели непосредственно у перемещаемых ими звеньев. Однако такая компоновка манипулятора приводит к существенному увеличению его габаритов и массы.

Предельным вариантом компоновки манипулятора является компоновка, когда все двигатели размещены в одном кожухе на его основании, а передача движения от них к звеньям манипулятора осуществляется через вставленные друг в друга трубчатые валы и конические зубчатые передачи в шарнирах манипулятора. Такая компоновка применяется в копирующих манипуляторах, предназначенных для работы в экстремальных условиях

(например, радиация), с тем, чтобы освободить приводы от работы в этих условиях. Подобная компоновка обеспечивает минимальные габариты манипулятора,

Другой предельный случай — размещение двигателей непосредственно при приводимых ими звеньях — нашел применение в манипуляторах с безредукторными электрическими приводами (прямыми приводами) и линейными электрическими приводами. Отсутствие в этом случае редукторов и механических передач позволяет обеспечить высокую точность благодаря повышенной жесткости и отсутствию зазоров.

Особую группу манипуляционных систем образуют манипуляторы с управляемой деформацией.На рис. 7.7. приведены примеры их кинематических схем. Схема на рис. 7.7, а состоит из набора сферических дисков. В дисках имеются центральное отверстие и 4 отверстия по периферии. Через эти отверстия пропущены тросы. Их концы с одной стороны закреплены на последнем (верхнем) диске. С другой стороны нижние концы периферийных тросов попарно присоединены к двум приводам, вращение которых вызывает деформацию всей конструкции и перемещение ее конца, на котором укреплен рабочий орган этой манипуляционной системы. Центральный трос соединен внизу с пружиной, которая осуществляет ее натяжение, центрируя всю систему дисков.

Рис. 7.7. Кинематические схемы устройств с управляемой деформацией
Последовательное соединение нескольких таких наборов дисков со своей системой приводов позволяет создавать манипуляционные системы типа хобота, способные принимать волнообразные пространственные конфигурации и перемещать рабочий орган при наличии препятствий и ограничений.

На рис. 7.7, б показано аналогичное пространственно изгибающееся устройство, но на пневматике. Оно состоит из трех жестко скрепленных эластичных трубок. Верхний конец трубок закрыт, а снизу подведен сжатый воздух. При одинаковом давлении во всех трубках устройство находится в вертикальном положении. При разных значениях давления в трубках оно изгибается в сторону трубок с меньшим давлением. Как и в предыдущем устройстве, последовательное соединение таких секций со своей системой подачи воздуха позволяет получать более сложные пространственные конфигурации с перегибами.

На рис. 7.7, в приведены 2 примера звена манипуляционной системы, в котором применен биметаллический элемент, деформируемый при нагревании пропускаемым через него электрическим током. В первой схеме реализуется поступательное перемещение конца звена, а во второй – вращательное. Манипуляционные системы составляются из таких последовательно соединенных элементов.

На рис. 7.7, г показан подвижный элемент, основанный на эффекте памяти формы. Этот эффект, которым обладают некоторые металлические сплавы, состоит в следующем. Если деформировать (согнуть, закрутить) стержень из такого материала, а затем нагреть его до определенной температуры, то деформация исчезнет, а при остывании стержня она восстановится. На рис. 7.7, г показан пример такого подвижного элемента в виде пружины, которая при нагреве электрическим током осуществляет поступательное (х) или вращательное (ф) перемещение в зависимости от вида предварительной деформации пружины.

Общей особенностью приведенных на рис. 7.7 схем является то, что их элементы активные, т. е. в них подвижное звено манипулятора совмещено с приводом. Другая связанная с этим же особенность — эти схемы не имеют конечного числа степеней подвижности.

Ранее были описаны следующие 3 типа кинематических схем, которые используются в механических манипуляторах:

1. разомкнутые кинематические цепи из жестких звеньев (основной тип для современных манипуляторов);
2. кинематические цепи, включающие параллельно соединенные звенья;
3. кинематические схемы с управляемой деформацией.

Рабочие органы манипуляторов
Рабочие органы манипуляторов служат для непосредственного взаимодействия с объектами внешней среды и делятся на захватные устройства и специальный инструмент. Рабочие органы могут быть постоянными и съемными, в том числе с возможностью их автоматической замены в ходе выполнения технологической операции.

Захватные устройства. Они предназначены для того, чтобы брать объект, удерживать его в процессе манипулирования и освободить по окончании этого процесса. Существуют следующие основные типы захватных устройств – схваты:

• механические,
• пневматические,
• электромагнитные.

Схваты могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. Нерегулируемые схваты требуют дополнительных устройств для съема деталей.

Схват — это механическое захватное устройство, аналог кисти руки человека. Самые простые двухпальцевые схваты напоминают обычные плоскогубцы, снабженные приводом. На рис. 7.8 показана конструкция подобного схвата с пневматическим приводом. В зависимости от объектов манипулирования применяют схваты с 3, 4 и реже с большим числом пальцев. На рис. 7.9 показан пневматический схват с 5 гибкими надувными пальцами. За счет разной жесткости пальцев в сечении при подаче в них сжатого воздуха они изгибаются, захватывая находящиеся в их зоне предметы.

Схваты часто очувствляют с помощью контактных датчиков, датчиков проскальзывания, усилия и дистанционных датчиков (ультразвуковых, оптических и др.), выявляющих предметы вблизи схвата и между его пальцами.

Рис. 7.8. Двухпальцевый схват: 1; 2 — пальцы (губки);

3; 4 — рычажная передача; 5 — шток пневматического двигателя

(пневмоцилиндра); 6 — возвратная пружина

Рис. 7.9. Пневматический схват с 5 гибкими надувными пальцами:

а — внешний вид; б — разрез пальца; I — тонкостенная часть;

2 — гофры; 3 — толстостенная часть; 4 — подвод воздуха;

5 — деформация оси пальца при подаче сжатого воздуха
В наиболее распространенном типе вакуумного захватного устройства использованы вакуумные присоски, которые удерживают объекты за счет разряжения воздуха при его отсосе из полости между присоской и захватываемым объектом. Для захватывания объектов сложной формы применяют вакуумные захватные устройства с несколькими присосками.

Магнитные захватные устройства используются для взятия ферромагнитных объектов. В роботах нашли применение в основном захватные устройства с электромагнитами, но имеются устройства и с

постоянными магнитами. (Для освобождения захваченного предмета они снабжены специальными механическими выталкивателями.)

Захватные устройства бывают универсальными и специальными (для работы с хрупкими и протяженными предметами и т. д.).

Захватные устройства часто присоединяют к последнему звену манипулятора через промежуточные, податливые конструктивные элементы. С их помощью осуществляется компенсация возможных неточностей позиционирования и устраняются возникающие при этом механические на­пряжения в звеньях манипулятора.

Рабочий инструмент. В случаях, когда объектом манипулирования является рабочий инструмент, с помощью которого робот выполняет основные технологические операции (нанесение покрытий, сварка, завинчивание гаек, зачистка поверхностей и т. п.), как правило, не берется захватным устройством, а непосредственно крепится к манипулятору вместо него. Часто при этом к инструменту необходимо обеспечить подвод энергии или какого-либо рабочего тела. Для окрасочного робота — это краска и воздух к пульверизатору, для сварочного робота — сварочный ток к сварочным клещам при точечной сварке или проволочный электрод, газ и охлаждающая вода при дуговой сварке и т. д. Для этого требуется разработка специальной конструкции всего манипулятора.

Контрольные вопросы:

1. Что такое манипулятор?
2. Какое минимальное число переносных степеней подвижности должен иметь робот?
3. В каких системах координат могут работать промышленные роботы?
4. Какие формы рабочих зон у роботов?
5. Какие манипуляторы называются антропоформными?
6. Какую кинематическую схему соединения звеньев использует платформа Стюарта?
7. Какие предельные варианты расположения приводов у манипуляторах?
8. Приведите примеры кинематических схем роботов с управляемой деформацией.
9. Какие основные типы захватных устройств используют промышленные роботы?
10. Какой недостаток нерегулируемого схвата?
11. На какие группы делятся захватные устройства по степени универсальности?

Лекция №12
Классификация приводов роботов
Привод включает двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преоб­разователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования:

• должны встраиваться в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения,
• габариты и масса приводов должны быть минимальными
• так как приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой, то приводы в переходных процессах должны быть практически неколебательными

Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Скорость поступательного движения на выходе приводов роботов должна составлять от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В роботах нашли применение все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

Устройство управления может быть непрерывного действия, релейным, импульсным или цифровым.

Применение пневматических приводовв робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Правда, эти приводы плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегулируемые с цикловым управлением. Пневматические приводы характеризуются высоки скоростями перемещений элементов робота, поэтому для снижения скорости в роботах с цикловым управление применяются демпферы. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности — до 10кг, реже 20кг.

Гидравлические приводынаиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в роботах средней грузоподъемности, для которых требуются высококачественные динамические характеристики.

Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, простоту подвода энергии, больший к.п.д. и удобство эксплуатации имеет худшие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравлический приводы. Основная область применения электрических приводов в робототехнике — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с высококачественным управлением и мобильные роботы.

В промышленных роботах нашли применение электроприводы следующих типов:

• на двигателях постоянного тока традиционных коллекторных и бесколлекторных (вентильных);
• на асинхронных двигателях как нерегулируемых (с цикловым управлением), так и с частотным управлением;
• на различного типа регулируемых муфтах в сочетании с нерегулируемым асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока;

• на электромагнитах (соленоидных и других типов).

В основном применяются традиционные электроприводы с угловым перемещением, т. е. вращающиеся. Однако в роботах с поступательными перемещениями наряду с вращающимися двигателями в комбинации с механизмами, преобразующими вращательное движение в поступательное (типа передачи шестерня-рейка и т. п.), нашли применение и специальные линейные приводы постоянного и переменного тока.

Электроприводы для роботов в общем случае включают электродвигатель, снабженный датчиками обратной связи по положению и скорости, механическую передачу, часто тормоз, иногда муфту (например, для защиты двигателя от перегрузки) и устройство управления.

К перспективным разработкам электрических приводов относятся

• высокомоментные безредукторные двигатели,
• приводы с непосредственным цифровым управлением,
• бездатчиковые приводы с расчетом значений перемещения и скорости по измеряемым электрическим переменным двигателя.

Сенсорные системы
Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства — датчики, необ­ходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т. п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие 3 группы.

1. Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций.
2. Системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и ее объектов.
3. Системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К первой группе сенсорных системам относятся системы технического зрения и различного типа локаторы.

Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т. д.

Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними. В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание 2 исполнительных систем – передвижения и манипуляционной. Это определяет и основные требования к сенсорным системам — дальность действия, точность, быстродействие и т. д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие:

• навигацию в пространстве,
• безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т. п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, образуют две подгруппы:

• системы, входящие в контур управления движением манипулятора,
• системы, очувствления его рабочего органа.

В число современных систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, бесконтактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системыприменяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силомоментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством, определять размеры объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины (“искусственная кожа”) и т. д.

Сенсорные системы ближнего действияобеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т. е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее выдавая информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действияслужат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действияприменяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивныесенсорные системы.

Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды.

Пассивные системы имеют только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы технически обычно проще и дешевле активных, но менее универсальны.

Сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Видеосистемы в составе роботов, должны работать в реальном масштабе времени и иметь высокую надежность при невысокой стоимости.

Системы технического зрения могут быть монокулярными, бинокулярными (стереозрение) и многоракурсными (с большим числом “точек зрения”). Специфическим для роботов вариантом является применение подвижных видеосенсорных устройств, в том числе размещаемых непосредственно на манипуляторах.

Конструктивно сенсорные устройства размещают на рабочих органах манипуляторов (устройства ближнего действия), на корпусе робота или вне робота (устройства дальнего и сверхдальнего действия).

Устройства управления роботов
Устройство управления роботаосуществляет автоматическое управление его исполнительными системами — манипуляционными и передвижения, образуя в совокупности с ними как объектами управления систему автоматического управления робота. Кроме того, устройства управления роботов часто используют и для управления различными другими объектами (технологическим оборудованием, транспортными устройствами и т. п.), которые работают совместно с роботом, образуя с ним единый технологический комплекс.

По способу управления различают следующие системы управления роботов и соответствующие устройства управления:

• программные устройства, в которых управление осуществляется по заранее составленной и остающейся неизменной в процессе реализации управляющей программе;
• адаптивные устройства, в которых управление осуществляется в функции от информации о текущем состоянии внешней среды и самого робота, получаемой в процессе управления от сенсорных устройств;
• интеллектуальные устройства, в которых для адаптации и выполне­ния других функций робота используются методы искусственного интеллекта.

По степени участия человека в процессе управления существуют системы:

• автоматического,
• автоматизированного,
• ручного управления.

По типу движения:

• непрерывного (контурные),
• дискретные позиционные (позиционные), (шаговые «от точки к точке»),
• дискретные цикловые (с одним шагом по каждой координате),

Устройства управления могут быть индивидуальными, входящими в состав каждого робота, и групповыми, управляющими несколькими роботами. Конструктивно индивидуальные устройства управления выполняют обычно отдельно от механической части робота, значительно реже в общем корпусе, а у мобильных роботов обычно такое устройство состоит их 2 частей — бортовой и входящей в состав пульта оператора (или в дополнение к нему).

Подавляющее большинство роботов имеет электронные устройства управления, выполненные на микропроцессорной базе. Однако существуют и неэлектрические устройства управления роботов, чаще всего реализуемые на пневмонике и предназначенные для применения в особых взрыво- и жароопасных условиях.
Контрольные вопросы:

1. Какие специфические требования предъявляются к приводам роботов?
2. Какие типы приводов применяются в робототехнике?
3. В каких роботах по грузоподъемности применятся гидравлические двигатели?
4. Какие типы электроприводов применяются в промышленных роботах?
5. Какие сенсорные системы используются в роботах?
6. Чем отличются друг от друга активные и пассивные сенсорные системы?
7. На какие группы делятся по дальности действия сенсорные системы?
8. По способу управления как различаются системы управления роботов?

Лекция №13