Промышленные роботы манипуляторы изготовление, купить

Вращающийся сустав

Они имеют одну степень свободы и описывают вращательные движения (одна степень свободы). Их конфигурация определяется одним значением, которое представляет собой сумму вращения вокруг Z-оси относительно своей первой опорной рамки.

Призматические суставы имеют одну степень свободы и используются для описания поступательных движений между объектами. Их конфигурация определяется одним значением, которое представляет собой сумму прохождения вдоль Z-оси относительно их первой опорной рамки.

В промышленности используются различные типы промышленных манипуляторов в соответствии с требованиями к ним. Некоторые наиболее распространенные из них рассмотрены ниже.

2.3.Описание робота–манипулятора Manus.

В данном проекте за основу взяты механика и привода от робота–манипулятора Manus.
Данный манипулятор разработан и изготовлен голландской компанией и предназначен для установки на инвалидные коляски.

Manus может иметь собственный управляющий компьютер и пульт–джойстик для ручного управления,
что позволяет осуществлять действия, не доступные лицам с ограниченными возможностями в силу
их физических особенностей. Например, данный манипулятор может подавать различные предметы,
удаленные от кресла, в пределах зоны досягаемости манипулятора.

Кроме ручного управления с джойстика,
компьютер (контроллер), обслуживающий данный манипулятор, позволяет подключать камеры и может обрабатывать
полученное изображение с помощью алгоритмов машинного зрения. Данная особенность позволяет манипулятору
выполнять не только заданные управляющим лицом действия, но и автоматизировать некоторые задачи.

Также
управляющий компьютер позволяет совмещать вышеописанные типы управления (в оригинальной документации на
Manus данный тип управления называется Collaborative Control). Совместное управление позволяет добиться
лучших показателей в точности позиционирования захвата манипулятора за счет того, что задание поступающее
с джойстика от управляющего лица корректируется по определенным алгоритмам исходя их окружающей ситуации.

На рисунках 2.4 и 2.5 представлены фотографии нашего экземпляра манипулятора Manus.

Данный манипулятор состоит из четырех подвижных звеньев, каждое из которых имеет свою ось вращения,
а также захватного устройства (схвата), закрепленного на конце последнего из звеньев. Схват манипулятора
также имеет ось вращения. Такая конфигурация манипулятора обеспечивает 6 степеней свободы. Размер данного
манипулятора можно примерно оценить по фотографии, а его вес – около 15 кг.

Обычно, в подобных роботах могут применяться 2 типа приводов: на базе СДПМ – синхронных двигателей с постоянными магнитами,
либо на основе ДПТ – двигателей постоянного тока.

В манипуляторе, рассматриваемом в данном проекте, применяются привода второго типа – на базе двигателей постоянного тока с возбуждением
от постоянных магнитов. Такое решение имеет ряд преимуществ: относительно простая СУЭП в сравнении с приводами
на базе СДПМ, а также значительно более низкая стоимость как самих двигателей, так и силовых преобразователей к ним.

Кроме
преимуществ данная система имеет недостаток – более низкая динамика (относительно СДПМ). Однако, в случае с манипулятором Manus
данный недостаток не имеет никакого значения, так как робот проектировался для установки на инвалидных колясках с целью помощи
ограниченным в движениях людям, а в таком применении высокая динамика системы и не требуется.

Двигатели всех сочленений, примененные в манипуляторе Manus – одинаковые, фирмы
Maxon серии maxon DC motor. Внешний вид данного двигателя представлен на рисунке 2.5.

Основные параметры данного двигателя приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Параметры двигателя maxon DC motor.

Кроме двигателей и редукторов в исходную систему электропривода входят датчики скорости вращения двигателей, установленные
непосредственно на валах двигателей. Тип применяемых датчиков – инкрементальный энкодер с оптической коммутацией. Разрешение
применяемых датчиков 100 имп/об, что в целом является достаточно маленьким значением для построения качественной позиционной
системы. Но учитывая тот факт, что датчик установлен до редуктора, имеющего передаточное число 1:800 – такого разрешения будет
более чем достаточно.

Все вышеперечисленные элементы были взяты за основу для дипломной работы (корпус, моторы, редукторы, датчики скорости) и на
основании имеющейся элементной базы будет построена система, рассматриваемая в данной работе.

Принцип работы

Подъём детали манипулятором происходит за счёт сокращения длины пневмомускула при подаче сжатого воздуха. Пневмомускул (разработка компании FESTO, Германия) представляет собой герметичный резиновый шланг, усиленный кевларовыми волокнами. Волокна формируют трёхмерную сетку с ромбовидными ячейками. при подаче сжатого воздуха происходит расширение трубы при одновременном сокращении её длины.

• не требует значительного курса обучения оператора;
• не требует специального обслуживания – механизмы и детали имеют большой ресурс;
• может оснащаться быстросъёмными захватами.

Особое внимание уделено безопасности при эксплуатации промышленного манипулятора:

• невозможность перегруза, т.к. поставляемый захват не позволит произвести манипулирование с нехарактерными деталями;
• при прекращении подачи воздуха самопроизвольное опускание и выпадение перемещаемой детали исключено.

С учетом всего вышеизложенного в дипломном проекте планируется разработать систему управления роботом–манипулятором, описанным в пункте 2.3.

Задачи магистерского проекта:

• Выполнить моделирование электроприводов робота–манипулятора.
• Выполнить моделирование механики робота–манипулятора.
• Разработать аппаратное решение (силовую часть) для управления приводами робота–манипулятора.
• Разработать управляющую программу, позволяющую управлять приводами робота–манипулятора с обеспечением поддержания заданного положения для каждого из приводов.

В этом промышленном роботе его основная ось имеет призматические суставы или они перемещаются линейно друг относительно друга. Декартовые роботы лучше всего подходят для выдачи густых субстанций вроде клея, например, в автомобильной промышленности. Основным преимуществом картезианцев является то, что они способны двигаться в нескольких линейных направлениях.

5. Описание программной части.

Основным элементов аппаратной части является силовой преобразователь – драйвер двигателя. Для управления двигателями
постоянного тока применяются несколько схем, самая функциональная из которых Н–мост. Обобщенная схема представлена на рис. 4.1.

Данная схема состоит из четырех ключей, включенных попарно последовательно, между парами включается двигатель
(якорная цепь). Два верхних ключа подключаются к положительной шине источника питания, два нижних ключа – к отрицательной
шине источника питания. Для работы двигателя необходимо, чтобы были включены два ключа, например S1 и S4, в таком случае ток
будет протекать от источника питания через ключ S1, далее через якорь двигателя и через ключ S4.

В зависимости от требуемой скорости переключения в качестве ключей могут применяться либо реле, либо транзисторы.
В разрабатываемом проекте требуется высокая скорость переключения (т.к. управление двигателем будет осуществляться с
помощью ШИМ), а, следовательно, в роли ключей должны применяться транзисторы.

Необходимую схему можно собрать из отдельных транзисторов. Но это – нецелесообразно. Потому что на сегодняшний день
получили широкое распространение микросхемы – драйверы двигателей, которые включают в себя необходимую схему Н–моста, а
также обвязку для силовых ключей. Такое решение упрощает и удешевляет процесс разработки СУЭП.

Для разрабатываемого проекта из имеющихся на рынке выбрана микросхема драйвера двигателя L298. Структурная схема
драйвера l298 показана на рис.4.2.

Исходя из структурной схемы драйвера видно, что выбранная микросхема содержит в себе два полномостовых драйвера,
что позволяет подключить к одному драйверу два двигателя, что в свою очередь позволит сэкономить место на печатной
плате драйвера, т.к. в разрабатываемом проекте используется 7 двигателей, но микросхем драйверов достаточно будет
четырех. Кроме того, данная микросхема имеет вывод для подключения датчика тока шунтового типа, что является необходимым
в некоторых случаях.

В документации указано, что для работы данной микросхеме нужно всего несколько внешних элементов, таких как:
дополнительный источник питания 5В (необходим для питания логических цепей внутри микросхемы), а также 8 внешних
диодов, которые будут выполнять функцию защиты драйвера и будут принимать на себя обратную ЭДС двигателя. Параметры
микросхемы L298 приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – параметры двигателя maxon DC motor.

Критериями выбора именно этой микросхемы служили электрические параметры двигателя, приведенные в предыдущем разделе,
а также тот факт, что данная микросхема наиболее распространена на рынке и, как следствие, имеет низкую стоимость относительно конкурентов.

Для управления данным драйвером требуется 3 входных сигнала, которые будут подаваться от микроконтроллера: 1 – разрешение работы, 2 и 3
направления вращения двигателя.

Кроме силовой микросхемы требуется также применение датчика тока, для измерения тока якоря. Использование шунтового датчика тока подключенного к специальному выводу L298 в данном случае не подходит, так как имеется два существенных
недостатка – отсутствие развязки по питанию и невозможность измерения направления тока, а только его величины.

По перечисленным выше причинам решено использовать датчик тока на эффекте Холла. Данные датчики обеспечивают гальваническую развязку силовой части и измеряемого выхода, а это означает, что измеряемый выход можно подключать
к АЦП микроконтроллера без риска пробоя в случае отказа какого–либо компонента.

Из доступных в продаже на момент выбора датчиков тока на эффекте Холла, подходит лишь модель ACS758 фирмы Allegro Microsystem. Только данный датчик имеет биполярный вход, что в свою очередь позволит измерять не только величину
тока, но и его знак. На рисунке 4.3 представлена схема подключения датчика из документации на него.

Данный датчик работает следующим образом: выводы 4 и 5 включаются в измеряемую цепь, на вывода 1 и 2 подается питание,
а с вывода 3 снимается напряжение, уровень которого пропорционален измеряемому току. Причем,
изменяется выходной сигнал не от 0 В до напряжения питания, а по особому закону:

Еще одним преимуществом данного датчика является то, что он может питаться, как от 3.3 В, так и от 5 В, что позволит
применять микроконтроллеры разной архитектуры.В таблице 4.2 приведены основные параметры датчика тока.

Таблица 4.2 – Основные параметры датчика тока

Так, как максимальный ток используемого в проекте двигателя не превышает 2 А, то можно посчитать, что
максимальный диапазон выходного напряжения с датчика тока будет 1.55 – 1.75 В при питании от источника 3.3 В.
Данный диапазон целесообразно будет расширить, т.к. АЦП в микроконтроллерах измеряет от нуля до напряжения
питания с конечным разрешением (например 10 бит), а значит при таком диапазоне точность измерения будет
низкой, а соответственно и точность регулирования тока также будет низкой.

Для расширения диапазона выходного напряжения применим операционный усилитель и подключим его по схеме
усиления со смещением сигнала. Схема представлена на рисунке 4.4

Данная схема позволяет отмасштабировать сигнал с датчика так, что при выходе с датчика сигнала 1.55 В на выходе операционного усилителя будет сигнал близкий к нулю, а при выходе с датчика 1.75 В уровень сигнала с выхода операционного усилителя будет близок к напряжению его питания, что позволит подключить его к АЦП микроконтроллера и получать более точные измерения.

Данная схема включает драйвер для двух двигателей, два датчика тока и два операционных усилителя.
Коннекторы TO_MOTOR – разъемы подключения двигателей и энкодеров, коннекторы TO_MCU – разъемы для
подключения к микроконтроллеру, включающие три линии управления драйвером (описанные в предыдущем
разделе) и две линии для сигналов с энкодера.

Диоды в обвязке драйвера – любые быстродействующие
диоды на напряжение и ток, превышающие напряжение и ток двигателя, стабилитроны по управляющим
линиям – защитные стабилитроны с напряжением стабилизации, равным рабочему напряжению управляющего
микроконтроллера, необходимые для защиты микроконтроллера в случае пробоя силового драйвера.

Для управления разрабатываемым устройством необходимо применение вычислительного устройства.
Таким устройством может служить микроконтроллер. Этот микроконтроллер должен выполнять следующие
функции: принимать сигналы обратных связей по току и скорости двигателей, производить вычисления
регуляторов двигателей, управлять двигателями, выдавая управляющие сигналы на драйверы двигателей.
Данный микроконтроллер должен соответствовать следующим требованиям:

1. В качестве датчика скорости применен инкрементальный энкодер. Для чтения его показаний
   применяют несколько методов – программный и аппаратный. Программный метод заключается в ручном опросе
   дискретных входов микроконтроллера и, в зависимости от их состояния, происходит определение сигнала энкодера.
   Данный метод не подходит для разрабатываемой системы, так как требуется построить 7 быстродействующих САР, а
   программный метод сильно расходует ресурсы микроконтроллера и имеет низкую точность при большой нагрузке на
   процессор. Поэтому применим аппаратный метод обработки энкодера. Отсюда требование – наличие в контроллере не
   менее 7 внешних прерываний либо интерфейсов для энкодера.
2. Наличие коммуникационного интерфейса для обмена данными с ПК.
3. Высокая производительность.
4. Аппаратная поддержка вычислений с плавающей запятой.
5. Не менее 7 аналоговых и 70 дискретных входов.

Самые распространенные на рынке микроконтроллеры – AVR, STM32, TI.
Микроконтроллеры архитектуры AVR не соответствует требованиям 1,4 и 5 поэтому рассматриваться к применению не
будут.

Микроконтроллеры STM32 и TI построены на одной архитектуре – Cortex M. Данная архитектура имеет поддержку всех
ресурсов, необходимых по требованиям. Из двух линеек микроконтроллеров выберем STM32, так как микроконтроллеры
TI при тех же характеристиках значительно дороже первых, а также менее распространены в продаже.

На сайте производителя микроконтроллеров STM32 можно увидеть сравнительную характеристику всех линеек и все
контроллеров среди линейки. Для разрабатываемой системы выбрана линейка контроллеров на ядре Cortex M4, так
как линейки ниже не имеют поддержки аппаратных вычислений над числами с плавающей запятой, а контроллеры самой
старшей линейки Cortex M7 стоят значительно дороже и имеют избыточные для разрабатываемой СУЭП ресурсы.

Цилиндрический робот

Это, как правило, робот-манипулятор, который перемещается вокруг цилиндрического полюса. Цилиндрическая роботизированная система имеет три оси движения – круговую ось движения и две линейные оси в горизонтальном и вертикальном движении руки. Таким образом, он имеет 1 вращающийся, 1 цилиндрический и 1 призматический сустав.

Сегодня цилиндрический робот менее используется, чем раньше, и заменен более гибкими и быстрыми роботами, но он имеет очень важное место в истории, поскольку он использовался для задач схватывания и перемещения предметов намного раньше, чем были разработаны шестиосевые роботы. Его преимущество состоит в том, что он может двигаться намного быстрее, чем декартовы роботы, если две точки имеют одинаковый радиус. Его недостатком является то, что он требует работы для преобразования из декартовой системы координат в цилиндрическую систему координат.

Робот PUMA

PUMA (программируемый универсальный станок для сборки или программируемый универсальный манипулятор) является наиболее часто используемым промышленным роботом в сборочных, сварочных операциях и университетских лабораториях. Он больше похож на человеческую руку, чем робот SCARA. Он имеет большую гибкость больше, чем SCARA, но также это снижает его точность.

Поэтому они используются в менее точных работах, таких как сборка, сварка и обработка объектов. Он имеет 3 вращающихся сустава, но не все суставы параллельны, второе соединение от основания ортогонально другим суставам. Это делает PUMA хорошо работающим во всех трех осях (X, Y и Z). Его недостатком является его меньшая точность, поэтому он не может использоваться в важных и высокоточных приложениях.

Полярные роботы

https://www.youtube.com/watch?v=QVBi5TkzKX0

Иногда они называются сферическими роботами. Это стационарные роботизированные плечи со сферическими рабочими оболочками, которые могут функционировать в полярной системе координат. Они сложнее, чем декартовые роботы и SCARA-роботы, но управление ими намного менее сложно. Они имеют 2 вращающихся сустава и 1 призматическое соединение для создания сферического пространства действия.