3. Манипуляторы и промышленные роботы

3.1. Виды манипуляторов и промышленных роботов

Манипулятором называют техническое устройство, предназначенное для воспроизведения рабочих функций руки человека.

Первые конструкции манипуляторов не только по назначению, но и по внешнему виду напоминали руку человека.

Рис. 1.39

На рисунке 1.39 представлена схема копирующего манипулятора, состоящего из управляющего (У) и исполнительного (И) механизмов.

Оба механизма совершенно идентичны, причем вследствие механической, электрической или какой – либо другой связи движение звеньев исполнительного механизма повторяет (копирует) движения звеньев управляющего механизма.

Манипулятор образован из пространственной незамкнутой кинематической цепи. Звенья этой цепи по аналогии с рукой человека имеет следующие названия:

0 – корпус

1 – плечо

2 – предплечье

3 – кисть или захват

4 – палец.

Рассматриваемый манипулятор имеет 7 степеней свободы, т.к. число степеней свободы незамкнутой кинематической цепи равно сумме подвижных кинематических пар. Звено 4 (палец) при рассмотрении структуры, кинематики и динамики манипулятора объединяется со звеном 3. в дальнейшем появились манипуляторы с большим числом звеньев и кинематических пар, и внешнее сходство с рукой человека стало утрачиваться.

Во всех вариантах сохранилось назначение манипулятора – воспроизводить пространственные движения, подобные движениям рук человека.

Копирующие манипуляторы применяются теперь во многих областях техники для выполнения операций в условиях исключающих возможность присутствия человека (радиоактивность, вакуум, высокая , повышенное давление, вредное химическое производство и т.д.)

В зависимости от вида системы управления различают манипуляторы с ручным управлением и манипуляторы с автоматическим управлением.

В манипуляторах с ручным управлением оператор, воздействуя на звенья управляющего механизма, приводит в движение звенья исполнительного механизма. При этом предельные усилия и перемещения исполнительного механизма ограничиваются возможностями оператора. От этого недостатка свободы, манипуляторы с сервоприводом, часто выполняются с дистанционным управление.

В манипуляторах с автоматическим управлением, звенья исполнительного механизма получают движение от сервопривода, работающих по заданной программе подобно станкам с программным управление. Управляющий механизм служит в этом случае только для выработка программы работ исполнительного механизма. Все действия оператора, связанные с перемещением звеньев управляющего механизма, преобразуются посредством датчиков перемещения в электрические и механические сигналы и записываются на магнитную ленту.

Полученная программа может многократно использоваться для управления манипуляторами.

3.2. Структура и геометрия манипуляторов

Структурные схемы кинематических цепей манипуляторов довольно разнообразны. Они отличаются числом звеньев, видами и расположением кинематических пар различной подвижности, числом степеней свободы.

На рис. 1.40 (а,б,в,г) показаны четыре схемы, применяемые в отечественных и зарубежных манипуляторах. Простейший пространственный манипулятор (рис.1.40-а) имеет три пары подвижных звеньев, одну вращательную и две сферические пары. Если надо обслуживать большой рабочий объем, применяются манипуляторы с одной поступательной, одной сферической и двумя вращательными парами (рис.1.40-б).

Обычно сферические пары заменяются кинематическими соединениями, составленные из вращательных пар, оси которых пересекаются. Например: на (рис. 1.40-в) показана схема манипулятора с шестью степенями свободы, в состав которого входят только вращательные пары.

а)	б)	в)	г)
Рис. 1.40

Рис. 1.41

Число степеней свободы может быть и больше 6. Например, на (рис.40-г) показана схема манипулятора с числом степеней свободы равным 8, при одной поступательной, одной цилиндрической и пяти вращательных парах.

Во многих конструкциях манипуляторов сферические пары заменяются кинематическими соединениями, состоящими из двух дополнительных и 3-ч вращательных пар, оси которых пересекаются в одной точке.