МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ

Робототехника — новое направление науки и техники, связанное с созданием и применением робототехнических систем. Робот, являющийся одним из основных объектов изучения в этой науке, представляет собой ав­ томатическую машину для воспроизведения двигательных и интеллекту­ альных функций человека. Существуют различные классы роботов, среди которых важнейшими являются автоматические манипуляторы. Частный вид этих роботов — промышленные манипуляционные механизмы.

На сегодняшний день промышленные роботы и подобное им обору­ дование являются практически единственным средством автоматизации мелкосерийного производства. Важная особенность промышленных ро­ ботов состоит в том, что они позволяют наиболее просто совместить в едином цикле как транспортные, так и основные технологические опера­ ции, что позволяет создать на базе универсального оборудования гибкие автоматизированные производства.

Среди всех частей промышленного робота исполнительное устрой­ ство — механизм, обеспечивающий движение рабочего органа, — имеет определяющее значение. Именно от этого устройства во многом зави­ сят такие важные характеристики робота, как быстродействие, манев­ ренность, точность позиционирования, возможность работы в стесненных пространствах.

17.1.Классификация, назначение

иобласти применения

История механики богата примерами, которые свидетель­ ствуют о постоянном стремлении человека создать механизмы и устройства, подобные живым существам. Это стремление обусловлено многими причинами, среди которых не последнее место занимает желание заменить человека при выполнении сложной и вредной работы. В 40-х годах в связи с потребно­ стями атомной технологии появились манипуляторы, основное назначение которых — выполнение разнообразных технологи­ ческих операций с радиоактивными веществами. Применение

таких устройств позволило удалить человека из опасной зо­ ны, за ним остались только функции дистанционного управ­ ления. Первыми такой манипулятор разработали сотрудни­ ки Аргонской национальной лаборатории США. Манипулятор под названием «Master-Slave» состоял из исполнительной ме­ ханической руки (Slave), помещаемой в опасную зону, и зада­ ющей механической руки (Master), которой в безопасной зоне манипулировал оператор. Исполнительная рука отличалась от задающей только наличием схвата. Связь между ними осу­ ществлялась кинематическими передачами так, что звенья ис­ полнительной руки копировали движения задающей. Отсюда название манипулятора — копирующий.

В наше время на смену малоэффективным устройствам прошлого пришли более эффективные автоматически дей­ ствующие робототехнические устройства. В основе созда­ ния современных робототехнических устройств лежат новые технологии, получившие развитие лишь во второй половине XX в.: вычислительная техника и информатика. Робототех­ нические устройства стали важным средством комплексной автоматизации промышленного производства, они позволяют наиболее просто совместить в едином цикле как погрузочноразгрузочные, так и основные технологические операции. Наи­ более важные применения автоматических роботов связывают с разработкой и созданием автоматизированных участков, це­ хов и заводов.

Точного и однозначного определения робота не существу­ ет. Скорее всего, можно говорить о целой группе опреде­ лений. Наиболее полно сущность роботов можно отразить, определив их как программируемые устройства (машины), предназначенные для воспроизведения рабочих функций ру­ ки человека в процессе его трудовой деятельности. Понятие «программируемые» играет немаловажную роль: оно показы­ вает, что действие робота не сводится к решению какой-то од­ ной задачи — его функции можно целенаправленно изменять. Большинство современных роботов включают в себя компью­ теры, которые помогают реализовать заданные программные действия.

В данной главе рассмотрены манипуляционные механиз­ мы. Манипуляционным механизмом называют техническое

устройство (машину), предназначенное для выполнения ра­ бот универсального характера, исполнительными устройства­ ми которого служат манипуляторы (механические руки). В зависимости от степени участия человека в управлении мани­ пуляционные роботы подразделяются на три типа: автомати­ ческие, биотехнические и интерактивные.

Автоматические манипуляционные механизмы возникли и развились из систем программного управления станками. Процесс управления их действиями может происходить с уча­ стием и без непосредственного участия человека. Функцио­ нальная схема автоматического манипуляционного механизма представлена на рис. 17.1. Манипуляционный робот состоит из манипулятора, исполнительных устройств, устройств очув­ ствления, устройств связи с оператором и компьютером. Ма­ нипулятор имитирует движения руки человека и представля­ ет собой многозвенный разомкнутый механизм с одиоподвижными вращательными и поступательными кинематическими парами. Число степеней подвижности манипуляторов изменя­ ется в пределах от 3 до 10. Функцию кисти в манипулято­ ре выполняет так называемый схват, конструкция которого предусматривает выполнение операций с определенным типом объектов манипулирования. Информационная система пред­ назначена для сбора информации о состоянии внешней среды.

В качестве ее элементов используются телевизионные, ультра­ звуковые, тактильные и другие датчики. Управляющая сис­ тема служит для выработки законов управления приводами исполнительных органов на основании созданных алгоритмов

исобранной информации.

Вавтоматических манипуляционных механизмах мож­ но выделить три разновидности в зависимости от связи с человеком-оператором: программные, адаптивные и интеллек­ туальные.

Программные манипуляционные механизмы работают по жесткой программе, заложенной в устройстве памяти, одна­ ко их можно перенастраивать на работу с другой жесткой программой действий. Их также называют автоматически­ ми программными манипуляторами или промышленными ро­ ботами. Простота изменения программы, т.е. возможность переобучения промышленных роботов новым операциям, сде­ лала эти роботы достаточно универсальными и гибко перена­ страиваемыми на различные классы задач.

Адаптивные манипуляционные механизмы отличаются от программных большим количеством внешних (оптических, те­ левизионных, тактильных) и внутренних датчиков. Системы управления роботами этого типа более сложные, не ограни­

чиваются только работой по жесткой программе движения и могут в зависимости от внешних условий несколько коррек­ тировать ее. Как правило, они требуют для своей реализа­ ции управляющую ЭВМ. Важной частью адаптивных мани­ пуляционных механизмов является их развитое программное обеспечение, предназначенное для обработки информации, по­ ступающей от внешних и внутренних датчиков и оператив­ ного изменения программы движения. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде и приспосабливать­ ся к существующим условиям функционирования, адаптивные манипуляционные механизмы могут манипулировать с неори­ ентированными деталями произвольной формы и производить сборочные операции.

Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность вести диалог с человеком, распозна­ вать и анализировать сложные ситуации, планировать движе­ ния манипулятора и осуществлять их реализацию в условиях

ограниченной информации о внешней среде. Все это обеспечи­ вается совершенством управляющих систем, включающих в себя элементы искусственного интеллекта, способность к обу­ чению и адаптации в процессе работы.

Биотехнические манипуляционные механизмы берут свое начало от копирующих и командных механических систем. Операции, которые могут выполнять роботы этого типа, явля­ ются менее определенными, чем технологические операции, осуществляемые автоматическими роботами. Широкое рас­ пространение они получили при работе с радиоактивными ма­ териалами.

Управление манипуляторами этого типа роботов осуще­ ствляется оператором, а ЭВМ используется для облегчения его работы. Различают три разновидности управления биотехни­ ческими манипуляционными механизмами: копирующее, ко­ мандное и полуавтоматическое. Копирующее управление осу­ ществляется с помощью задающего устройства, кинематиче­ ски подобного исполнительной руке робота. Такие системы называют копирующими манипуляторами. Человек-оператор перемещает задающее устройство, а манипулятор повторяет эти движения одновременно по всем степеням подвижности. В случае командного управления оператор с командного устрой­ ства дистанционно задает движение звеньям манипулятора путем поочередного включения соответствующих приводов. При полуавтоматическом управлении оператор, манипулируя управляющей рукояткой, имеющей несколько степеней свобо­ ды, задает движение схвата манипулятора. ЭВМ по сигналу от управляющей рукоятки формирует сигналы управления на приводы всех звеньев манипулятора. Существуют также био­ технические системы, в которых управление осуществляется при помощи биоимпульсов от соответствующих мышц челове­ ческой руки.

Интерактивные манипуляционные механизмы отличают­ ся активным участием человека в процессе управления, ко­ торое выражается в различных формах взаимодействия его с ЭВМ. Здесь также различают три разновидности управления: автоматизированное, супервизорное и диалоговое.

При автоматизированном управлении простые операции робот выполняет без управляющего воздействия со стороны

оператора, а остальные — при участии оператора в биотех­ ническом режиме. Супервизорное управление отличается тем, что весь цикл операций разбивается на части, выполняемые манипуляционным роботом автоматически, но переход от од­ ной части к другой осуществляется оператором путем подачи соответствующих команд. При диалоговом управлении опера­ тору предоставляется возможность совместно принимать ре­ шения и управлять манипулятором в сложных ситуациях.

17.2.Кинематические схемы, структура

итехнические характеристики манипуляторов

Первый вопрос, с которым сталкивается создатель мани­ пулятора, — выбор его кинематической и структурной схемы. В процессе выполнения операций с объектом манипулирова­ ния в большинстве случаев манипуляторы имитируют движе­ ние рук человека. Поэтому структурная схема манипулятора должна обладать кинематическими характеристиками, анало­ гичными характеристикам руки человека. Подвижности, име­ ющиеся у руки человека (без учета подвижностей пальцев), можно обеспечить с помощью пространственной кинематиче­ ской цепи, у которой к неподвижному звену 4 (аналог лопатка) посредством различных кинематических пар присоединяются звенья (рис. 17.2, а, б): трехподвижной парой А — звено 1 (пле­ чо), через одноподвижную пару В — звено 2 (предплечье) — и трехподвижной парой 3 (кисть). Используя для оценки сте­ пени подвижности руки человека формулу Малышева (3.1) без учета движения кисти (пальцев и фаланг), получим W — 7; с учетом всех звеньев и в самой кисти имеем W = 27.

Опыт работы с неориентированными объектами показы­ вает, что манипулятор должен иметь по крайней мере семь (и более) степеней подвижности. Три степени необходимы для перемещения инструмента в любую точку зоны обслуживания, а три — для ориентации инструмента, например схвата элек­ трода, краскораспылителя и т.п. Как минимум одна степень подвижности должна быть у схвата.

Каждая степень подвижности манипуляционного механиз­ ма управляется индивидуальным приводом, в результате чего

Рис. 17.2

исполнительный орган получает вполне определенное движе­ ние. В современных манипуляторах используют электромеха­ нические, гидравлические, пневматические или комбинирован­ ные приводы.

Манипулятор предназначен для замены физических функ­ ций руки человека, поэтому у него можно выделить три основ­ ные группы движений: глобальные, региональные и локаль­ ные.

Глобальные движения осуществляются путем перемеще­ ния подвижного основания манипулятора с помощью двига­ тельной системы. В стационарных манипуляторах глобальные движения отсутствуют. Их станины неподвижно крепятся к

манипулятор (рис. 17.4), работающий в цилиндрической системе координат. Его схват может выдвигаться и втяги­ ваться, а также перемещаться вверх и вниз вдоль стойки. Кро­ ме того, весь узел манипулятора может поворачиваться вокруг оси основания, но не на полный оборот, что позволяет ему вы­ полнять операции в окружающей цилиндрической зоне;

манипулятор (рис. 17.5), действующий в сферической (или полярной) системе координат. Его схват может выдвигать­ ся и втягиваться. Вертикальные перемещения манипулятора достигаются путем поворота его в вертикальной плоскости и «плечевом» суставе. Весь узел манипулятора может также

Рис. 17.6

поворачиваться вокруг оси основания. Зона действия подобно­ го манипулятора представляет усеченную сферу. Первые мо­ дели промышленных роботов были сконструированы именно по этому принципу;

шарнирный манипулятор (рис. 17.6), действующий в ангулярной системе координат, не имеет поступательных кине­ матических пар, а имеет только вращательные кинематиче­ ские пары. Манипулятор такого типа очень напоминает руку человека, поскольку имеет «плечевое» и «локтевое» сочле­ нения, а также «запястье». Его зона обслуживания значи­ тельно больше, чем у роботов других типов. Он способен об­ ходить препятствия гораздо более разнообразными путями и даже складываться, но вместе с тем он исключительно сложен в управлении.

Манипулятор системы SCARA (рис. 17.7), имеющий свое­ образную схему, представляет собой вариант манипулятора с цилиндрической системой координат. Все кинематические па­ ры этого манипулятора располагаются в горизонтальной плос­ кости, благодаря чему механизм способен разворачиваться по­ добно складной ширме. Его зона обслуживания имеет цилинд­

Рис. 17.8

состоящий из множества чечевицеобразных дисков, которые соединены между собой двумя парами тросов, обеспечиваю­ щих натяжение. Тросы соединены с поршнями гидравличе­ ских цилиндров, которые, создавая натяжение, вызывают ле-

ремещение манипулятора. Специальные датчики передают на систему управления информацию о положении манипулятора и его кисти. Такой манипулятор отличается чрезвычайно боль­ шой гибкостью, значительным радиусом действия и высокой маневренностью.

Другой манипуляционный механизм маятникового типа IR В1000 разработан специалистами фирмы ASEA; его манипуля­ тор подвешен подобно маятнику с двойным карданным подве­ сом и может перемещаться по направляющим относительно продольной и поперечной осей. По утверждению специалистов фирмы ASEA, это устройство движется в 1,5 раза быстрее, чем традиционные манипуляторы, что обеспечивает высокую производительность.

Кинематическую цепь, реализующую локальные движе­ ния, называют кистью манипулятора, поскольку она выполня­ ет функции, аналогичные функциям кисти руки человека. На­ значение кисти — обеспечить ориентирующие движения. Для удержания объекта манипулирования кисть снабжается схватом. Существует столько же типов схватов, сколько и обла­ стей применения манипуляторов. Конструкции схватов могут представлять собой устройства от обыкновенных клещей для захвата предметов двумя или несколькими губками до специ­ ально сконструированных схватов, в гнезда которых устанав­ ливаются сменные инструменты для выполнения ряда техно­ логических операций, таких, как сверление, нарезание резьбы, сварка, резка, окраска и т.д.

Рассмотрим основные геометро-кинематические и струк­ турные характеристики манипуляторов, к которым прежде всего относят число степеней подвижности, форму и размеры рабочей зоны, маневренность, угол и коэффициент сервиса.

Число степеней подвижности схвата манипулятора можно подсчитать как сумму подвижностей всех пар открытой кине­ матической цепи. Сказанное не противоречит формуле Малы­ шева (3.1) для пространственных механизмов, так как в от­ крытых цепях число подвижных звеньев всегда равно числу кинематических пар.

Для рассмотренных механизмов манипуляторов с однопо­ движными парами (см. рис. 17.3— 17.7) можно использовать формулу

W = 6п - 5р! = 6 •3 —5 •3 = 3,

где п — число подвижных звеньев; р — число одноподвижных пар.

Под маневренностью манипулятора понимают число его степеней подвижности при неподвижном схвате 3. Маневрен­ ность характеризует возможность кинематической цепи ма­ нипулятора занимать разные положения при одном и том же положении схвата. Маневренность манипулятора зависит не только от вида и числа кинематических пар, но и от их рас­ положения. Так, манипулятор, изображенный на рис. 17.9, а, имеет маневренность, равную единице, — это групповая по­ движность, означающая возможность совместного вращения звеньев 1, 2 вокруг оси АС, проходящей через центры сфе­ рических пар. Маневренность, равная единице, в этом случае означает, что к заданной точке Е в заданном направлении СЕ схват может подойти при различных положениях остальных звеньев 1, 2, геометрическим местом которых будут кониче­ ские поверхности с вершинами в точках А и С и образующими

АВ и СВ.

Если пары А и Б поменять местами (рис. 17.9, б), то число степеней подвижности, согласно формуле Малышева, останет­ ся прежним:

W = 6 п - ^ (6 - i)pi = 6 2 —5 1 —3-2 = 1 ,

но это местная подвижность, означающая возможность вра­ щения звена 2 вокруг оси ВС. При этом маневренность будет равна нулю, поскольку в данном случае схват может подойти к заданной точке Е рабочей зоны в заданном направлении СЕ только при одном единственном положении звеньев 1, 2.

Повышенная маневренность увеличивает возможности для выполнения сложных операций с объектом манипулиро­ вания наиболее рациональным путем в условиях наличия Пре­ пятствий в рабочей зоне, но усложняет задачу управления та­ ким роботом, поскольку приводит к неоднозначному решению задачи расчета обобщенных координат.

Для некоторых геометрических характеристик промыш­ ленных манипуляторов ГОСТ 25686-85 вводит ряд определе­ ний.

Исполнительным устройством называют устройство, выполняющее все двигательные функции манипуляционного механизма.

Рабочий орган — составная часть исполнительного уст­ ройства для непосредственного выполнения технологических операций или вспомогательных переходов.

Рабочее пространство манипулятора — часть физическо­ го пространства, в котором может находиться исполнительное устройство при функционировании манипулятора.

Рабочая зона — пространство, в котором может находить­ ся рабочий орган.

Не в любой точке рабочей зоны схват может занимать произвольное положение из-за конструктивных ограничений на углы поворота в шарнирах, поэтому рабочая зона реально уменьшается до зоны обслуживания.

Зона обслуживания — пространство, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением.

Для манипулятора, изображенного на рис. 17.9, а, рабочая зона — пространство между сферами радиусом 74 = AD1 и радиусом г2 = ADn, а зона обслуживания — лишь часть та­ кого пространства (штриховая линия на рис. 17.9, а); для ма­ нипулятора, изображенного на рис. 17.9, б, рабочая зона— тор (кольцо кругового сечения) с размерами r\ = AD1 и г = & D1 (рис. 17.9, в), а зона обслуживания — часть такого тора (штри­ хованная линия на рис. 17.9, б).

Манипулятор с тремя поступательными парами (см. рис. 17.3) имеет рабочую зону в виде прямоугольного парал­ лелепипеда. Для манипулятора с одной вращательной и ДНумя поступательными парами (см. рис. 17.4) рабочая зона— Коль­ цевой цилиндрический сектор.

В общем случае для каждой точки рабочей зоны манипу­ лятора существует некоторый телесный угол ф — угол сер­ виса, внутри которого схват может подойти к этой точке. Как известно, величина телесного угла определяется отноше­ нием площади сферы, вырезанной телесным углом, к Квад­ рату радиуса сферы, поэтому максимальное значение угла Фтъх = 47гг2 /г 2 = 4тг ср (стерадиан).

Отношение угла ф к его максимальному значению в = = ф(4тг) называют коэффициентом сервиса в данной точке. Ве­ личина в может изменяться от нуля для точек на Гранине ра­ бочей зоны, где схват может быть подведен в единственном направлений, до единицы для точек зоны полного сервиса, где схват может быть подведен в любом направлении.

Определение значения коэффициента сервиса ф связано с анализом движения звеньев механизма манипулятора при раз­ личных фиксированных положениях центра схвата.

Методику вычисления в рассмотрим на примере манипу­ лятора с двумя сферическими и одной вращательной парами (см. рис. 17.9, а). Для определения угла сервиса ф в некото­ рой точке Е рабочей зоны рассмотрим механизм манипулятора как пространственный четырехзвенник со сферическими пара­ ми Л, С, D и вращательной парой В ; точка D центра схва­ та совпадает с заданной точкой Е на линии 4 (рис. 17.10, а). Сперва определим возможные положения звена CD (схвата) в плоскости чертежа, а затем все его возможные положения в пространстве путем вращения плоского четырехзвенника от­ носительно условной стойки AD длиной г, совпадающей с осью

хпространственной системы координат Oxyz.

Вобласти, где коэффициент сервиса 0 = 1 , угол сервиса

ф— 47г. Следовательно, точка С должна иметь возможность занять любое положение на сфере радиусом DC = /3 с центром в точке D . Для этого в плоском четырехзвеннике звено CD должно быть кривошипом, т.е. поворачиваться на полный обо­ рот. Как известно (см. § 13.3), условие существования криво­ шипа состоит в том, что сумма длин самого короткого и самого длинного звеньев должна быть меньше суммы длин остальных звеньев. Если, например, звено 1 самое длинное, а звено 3 са­

мое короткое, то /1 + /3 < г + /2) откуда rm[n = r\ = 1\ - 12 + 1$ (рис. 17.10, б).

Если самое длинное звено AD1= г, а самое короткое звено