книги / Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом

ББК 32.816я73 Б82

УДК 621.865.8-83(075.8)

Р е ц е н з е н т ы :

кафедра "Робототехника и мехатроника" Московского станкоинструментального института; заведующий кафедрой "Теория механизмов и робототехники" Московского института хими­ ческого машиностроения, доктор технических наук, профессор Е.И. В о р о б ь е в

Борисенко Л.А., Самойленко А.В.

Б82 Механика промышленных роботов и манипуляторов с электроприводом: Учеб, пособие д ля вузов. - Мн.: Выш. шк., 1992.-234 с.: ил.

ISBN 5-339-00707-3.

Приводятся сведения о механизмах, используемых в роботах, общие принци­ пы построения манипуляционных систем, излагаются методы их кинемати­ ческого, динамического и точностного анализа. Рассматриваются вопросы структуры, классификации электрических приводов промышленных роботов, приведены основные технические параметры, расчетные зависимости, реко­ мендации по выбору электроприводов. Даются сведения из матричного исчис­ ления и линейной алгебры, на которых базируется изложение механики робо­ тов.

Предназначено для студентов специальностей 21.05 и 21.06.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Применение роботов характеризует технический прогресс в современ­ ном мире. С их помощью может быть решена одна из первоочередных задач

— комплексная автоматизация производства, а также важные задачи соци­ ального и экономического развития. Робототехника является новым, при­ оритетным научно-техническим направлением. Для его успешного развития требуется подготовка высококвалифицированных кадров, нача­ тая во многих высших учебных заведениях страны.

Настоящее учебное пособие предназначено для студентов, специализи­ рующихся по робототехнике, специальностей 21.05 “Электропривод и ав­ томатизация промышленных установок и технологических комплексов” и 21.06 “Робототехнические системы и комплексы” и др. Оно может быть полезно для инженеров и научных работников, занимающихся созданием систем автоматизации с применением робототехнических средств.

Для пособия характерно рассмотрение робота как комплексного элект­ ромеханического агрегата. В нем раскрываются также вопросы, касающи­ еся проектирования систем электроприводов исполнительных органов. Учитывая, что студенты электромеханических специальностей знакомятся с механизмами только в общем курсе прикладной механики, приводятся необходимые сведения из теории механизмов, касающиеся вопросов проек­ тирования исполнительных органов и передаточных механизмов электро­ приводов.

В книге можно выделить три части. Первая часть посвящена устройству роботов. Глава 1 носит вводный характер, в ней рассмотрены общие вопросы устройства и применения роботов. В главе 2 приводятся сведения о меха­ низмах, используемых в роботах. Общие принципы построения манипу­ ляционных систем роботов, а также примеры конструкций электромехани­ ческих роботов рассмотрены в главе 3. Упор в этой главе, как и в последу­ ющих, сделан на манипуляторы с шарнирной схемой, поскольку она наиболее перспективна для роботов с электроприводом.

Во второй части, включающей главы 4—6, рассмотрена механика мани­ пуляционных систем роботов, излагаются методы кинематического, дина­ мического и точностного анализа этих систем. Стремясь сделать книгу доступной для широкого круга специалистов, авторы включили в главу 4 основные сведения из матричного исчисления и линейной алгебры, на ко­ торых базируется все последующее изложение механики роботов.

Третья часть посвящена электроприводу промышленных роботов. В ней излагаются вопросы структуры, классификации, особенностей электриче-

ских приводов промышленных роботов; приведены основные технические параметры и расчетные зависимости по выбору элементов электроприво­ дов, предназначенных для указанных устройств.

Главы 1—7, введение, заключение написаны Л.А.Борисенко; глава 8— А.В.Самойленко.

Авторы выражают благодарность рецензентам за критические замеча­ ния и полезные советы при подготовке книги.

Авторы

ВВЕДЕНИЕ

Робототехника как новое научно-техническое направление возникла в результате огромного прогресса в развитии вычислительной техники и ме­ ханики. Роботы представляют новый класс машин, выполняющих одновре­ менно функции рабочих и информационных машин.

Возникновение робототехники обусловлено потребностями развиваю­ щегося общества. Удовлетворение все возрастающих потребностей населе­ ния возможно только на основе дальнейшего роста производительности труда. Важнейшим резервом этого роста в условиях дефицита трудовых ресурсов является комплексная механизация и автоматизация производст­ ва. Большие успехи автоматизации машиностроения в массовом и крупно­ серийном производстве на основе использования неперепрограммируемых автоматических устройств позволили получить высокую производитель­ ность труда при минимальной себестоимости продукции. Однако 70 % современной продукции машиностроения выпускается малыми и средними сериями. Вэтих условиях не могут быть применены традиционные средства автоматизации и необходимая гибкость производства достигается за счет использования ручного труда.

Дифференциация процесса производства на ряд многократно повторяю­ щихся простых операций привела к монотонным, утомительным трудовым действиям, выполняемым людьми на конвейере. Труд, лишенный творче­ ского содержания, монотонный, опасный для жизни, должен быть уделом роботов.

Слово “робот” ввел в обращение К.Чапек в своей пьесе “R.U.R.” в 1920 году — так назывались искусственно созданные механические работники, использующиеся на тяжелых физических работах. Чешбкое слово “robota” означает тяжелый, подневольный труд. Предсказания писателя оказались пророческими — мы являемся свидетелями того, как фантастическая идея реализуется в виде универсального автомата, способного выполнять трудо­ вые функции человека, заменив его на тяжелых, вредных, малоэффектив­ ных работах.

Что же такое робот, каково научно-техническое содержание этого тер­ мина? Существует большое число определений понятия “робот”. Их анализ показывает, что к существенным свойствам робота относят его антропо­ морфизм (уподобление человеку) при взаимодействии с окружающей сре­ дой: универсальность, наличие элементов интеллекта, способность обучаться, наличие памяти, способность самостоятельно ориентироваться в окружающей среде и т.п. На основании указанных свойств сформулиро-

вано следующее определение. Робот — это машина-автомат, предназна­ ченная для воспроизведения двигательных и умственных функций челове­ ка, а также наделенная способностью к адаптации и обучению в процессе взаимодействия с внешней средой. Это машина-автомат нового типа. Обыч­ ные автоматы предназначены для многократного выполнения одной и той же операции. Типичными примерами являются станки-автоматы, автома­ ты для размена монет, продажи билетов, газет и т.д. В отличие от них роботы — универсальные системы многоцелевого назначения; они способ­ ны не только выполнять много разных операций, но и оперативно переобу­ чаться с одной операции на другую.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Такие роботы называются промышленны­ ми.

Уже накоплен определенный опыт эксплуатации промышленных робо­ тов, позволяющий отметить следующие их достоинства.

Повышение безопасности труда — это одно из первоочередных назначе­ ний роботов. Известно, что большинство несчастных случаев в промышлен­ ности приходится на травмы рук, особенно при загрузочно-разгрузочных операциях. Применение роботов позволяет улучшить условия труда, по­ тенциально опасного для здоровья людей: в литейных цехах, при наличии радиоактивных материалов, вредных химических веществ, при переработ­ ке хлопка, асбеста и т.п.

При использовании роботов происходит интенсификация рабочего про­ цесса, повышение производительности труда, стабилизация ее в течение смены, увеличение коэффициента сменности основного технологического оборудования, что улучшает технико-экономические показатели произ­ водства. Повышается качество продукции. Так, например, улучшается ка­ чество сварного шва в связи со строгим соблюдением технологического режима. Снижаются потери от брака, связанного с ошибками оператора. Возможна также экономия материалов. Например, при окраске автомобиля рабочим только 30 % краски попадает непосредственно на автомобиль, остальная уносится вентиляцией рабочего места. С применением роботов создаются принципиально новые производства и технологические процес­ сы, максимально уменьшающие неблагоприятные воздействия на челове­ ка.

Однако эффективность применения робота проявляется только при пра­ вильной организации его взаимодействия с обслуживаемым оборудованием и внешней средой. Задача робототехники состоит не только в создании роботов, но и в организации полностью автоматизированных производств.

Внедрение роботов в производство сопряжено с определенными трудно­ стями.

Роботы пока еще очень дороги и не всегда достаточно эффективны. Промышленный робот не всегда способен полностью заменить рабочего,

обслуживающего технологическое оборудование или совершающего техно­ логическую операцию, а может лишь освободить его от монотонного физи­ ческого труда, изменив его характер и содержание, приближая к труду наладчика.

Основными факторами экономической эффективности роботов, учиты­ ваемыми при ее расчете, являются как производственные, так и социаль­ ные. Эта особенность отличает роботы от других вариантов новой техники, в связи с чем разработана специальная межотраслевая методика оценки экономической эффективности при их создании и использовании.

крупный плановый масштаб. К 1975 г. было создано свыше 30 типов серий­ ных роботов. Созданием и исследованием роботов в стране занимается ряд научных и производственных коллективов, среди них Московский государ­ ственный технический университет им. Н.Э.Баумана, институт машинове­ дения АН СССР, институт электросварки им. Е.О.Патона, ЭНИМС, НПО “Гранат” и многие другие.

В настоящее время около 40 % всех выпускаемых в мире роботов — это простейшие пневматические роботы, примерно столько же роботов с гид­ равлическим приводом, остальные приходятся на долю электромеханиче­ ских роботов. Однако ожидается, что в дальнейшем это соотношение изменится в пользу роботов с электроприводом. По составу работ роботы распределены примерно так: сварочные работы —39 %, загрузочно-разгру­ зочные — 20 %, роботы в литейном производстве — 19 %, окрасочные роботы 12% , остальное — прочие роботы. Динамика роста парка роботов за рубежом в последние годы превышает даже оптимистические прогнозы.

1.2. Структура и классификация роботов

Современные роботы весьма разнообразны. В широком смысле понятие “робот” включает класс технических систем, которые воспроизводят дви­ гательные и интеллектуальные функции человека. При таком подходе к роботам можно отнести вычислительные и логические машины, машины, играющие в шахматы, сочиняющие музыку, автоматические переводчики, кассиры, автопилоты и т.д. Поэтому все роботы можно разделит!, на мани­ пуляционные, -локомоционные (шагающие, самодвижущиеся, экзоскеле­ тоны ), информ ационны е, творчески-игровые. Д алее будут рассматриваться только манипуляционные роботы.

Следует различать биотехнические, интерактивные и автоматические роботы. Биотехническими называются роботы, которые не обладают собст­ венной памятью и непрерывно управляются человеком. Простейшими явля­ ются роботы с командным управлением, когда нажатием на кнопку, тумблер или рукоятку человек-оператор пускает в ход привод одной степе­ ни подвижности (рис. 1.1,а). Точности этого робота невелика. Такое уст­ ройство еще нельзя назвать роботом — это его низшая ступень.

Следующий вид биотехнического робота — копирующий. Обычно име­ ется задающее устройство, кинематически подобное руке робота. В его суставах находятся датчики следящих систем, приводы которых разме­ щаются в соответствующих суставах исполнительной руки (рис. 1.1, б). Перемещая рукоятку задающего устройства, оператор создает нужную ори­ ентацию рабочего органа руки. Недостатком такого вида управления явля­ ется отсутствие обратной связи по усилию: оператор не ощущает действия нагрузки. Чтобы устранить этот недо^аток, управляющая рукоятка снаб­ жается автоматическим устройством имитации нагрузки. Тем не менее такой способ управления достаточно утомителен.

дает в управляющую ЭВМ ко­ манды, предписывающие перемещения его звеньев. Робот выполняет эти команды в автоматическом режиме. Затем следуют другие команды. Диа­ логовое управление осуществляется при взаимодействии ЭВМ с человеком на языках различного уровня, в том числе на языке человека. При этом все манипуляции производятся автоматически, но планирование их осуществ­ ляет ЭВМ совместно с человеком. ЭВМ участвует в выработке решений о