часть 10

10 УПРАВЛЕНИЕ МАНИПУЛЯТОРАМИ И РОБОТАМИ

10.1 Основные понятия и определения

Промышленный робот – автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах.

Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

Формула строения – математическая запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).

Движения, которые обеспечиваются манипулятором делятся на:

• глобальные (для роботов с подвижным основанием) – движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;

• региональные (транспортные) – движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его «рукой», величина которых сопоставима с размерами механизма;

• локальные (ориентирующие) – движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его «кисть», величина которых значительно меньше размеров механизма.

В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под «рукой» понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата – точки М (региональные движения схвата); под «кистью» – те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата). Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека (рис. 10.1).

Рис. 10.1

Этот механизм состоит из трех подвижных звеньев и трех кинематических пар: двух трехподвижных сферических А_3сф и С_3сф и одной одноподвижной вращательной В_1в.

Кинематические пары манипулятора характеризуются: именем или обозначением КП – заглавная буква латинского алфавита (A,B,C и т.д.); звеньями, которые образуют пару (0/1,1/2 и т.п.); относительным движением звеньев в паре (для одноподвижных пар – вращательное, поступательное и винтовое); подвижностью КП (для низших пар от 1 до 3, для высших пар от 4 до 5); осью ориентации оси КП относительно осей базовой или локальной системы координат. Рабочее пространство манипулятора – часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству возможных положений его звеньев. Зона обслуживания манипулятора – часть пространства соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной характеристикой манипулятора. Она определяется структурой и системой координат руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями наложенными относительные перемещения звеньев в КП. Подвижность манипулятора W – число независимых обобщенных координат однозначно определяющее положение схвата в пространстве.

или для незамкнутых кинематических цепей:

Маневренность манипулятора М – подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате.

Возможность изменения ориентации схвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса – телесным углом , который может описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен схват) при фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания.

где: f_C – площадь сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3, l_CM – длина звена 3.

Относительная величина k_ =  / (4), называется коэффициентом сервиса. Для манипулятора, изображенного на рис.10.2,

подвижность манипулятора:

W = 6 * 3 - (3 * 2 - 5 * 1) = 18 - 11 = 7;

маневренность:

M = 7 - 6 = 1;

формула строения:

W = [₁₀ + ₁₀ + ₁₀ ] + ₂₁ + [₃₂ + ₃₂ + ₃₂ ].

Рис. 10.2

Структура кинематической цепи манипулятора должна обеспечивать требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией. Для этого необходимо, чтобы схват манипулятора имел возможность выпонять движения минимум по шести координатам: трем линейным и трем угловым. Рассмотрим на объекте манипулирования точку М, которая совпадает с центром схвата. Положение объекта в неподвижной (базовой) системе координат 0x₀y₀z₀ определяется радиусом-вектором точки М и ориентацией единичного вектора с началом в этой точке. В математике положение точки в пространстве задается в одной из трех систем координат:

• прямоугольной декартовой с координатами x_M, y_M, z_M;

• цилиндрической с координатами r_{sM,  M}, z_M;

• сферической с координатами r_{M,  M}, _{ M}.

Ориентация объекта в пространстве задается углами ,  и , которые вектор ориентации образует с осями базовой системы координат. На рис. 10.3 дана схема шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта манипулирования.

Рис. 10.3

При структурном синтезе механизма манипулятора необходимо учитывать следующее:

• кинематические пары манипуляторов снабжаются приводами, включающими двигатели и тормозные устройства, поэтому в схемах манипуляторов обычно используются одноподвижные кинематические пары: вращательные или поступательные;

• необходимо обеспечить не только заданную подвижность свата манипулятора, но и такую ориентацию осей кинематических пар, которая обеспечивала необходимую форму зоны обслуживания, а также простоту и удобство программирования его движений;

• при выборе ориентации кинематических пар необходимо учитывать расположение приводов (на основании или на подвижных звеньях), а также способ уравновешивания сил веса звеньев.

При выполнении первого условия кинематические пары с несколькими подвижностями заменяют эквивалентными кинематическими соединениями. Пример такого соединения для сферической пары дан на рис. 10.4. Перемещение схвата в пространстве можно обеспечить, если ориентировать оси первых трех кинематических пар по осям одной из осей координат. При этом выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и вид его зоны обслуживания. По ГОСТ 25685-83 определены виды систем координат для руки манипулятора, которые приведены в таблице 10.1. Здесь даны примеры структурных схем механизмов соответствующие системам координат. Структурные схемы механизмов кисти, применяемые в манипуляторах, даны в таблице 10.2. Присоединяя к выходному звену руки тот или иной механизм кисти, можно получить большинство известных структурных схем манипуляторов, которые применяются в реальных промышленных роботах.

Сферическая кинематическая пара	Эквивалентное кинематическое соединение

Рис. 10.4

Таблица 10.1

Системы координат «руки» манипулятора

Прямоугольная (декартова)	Цилиндрическая
Сферическая	Угловая (ангулярная)
Другие

Таблица 10.2

Структура манипулятора определяется и местом размещения приводов. Если приводы размещаются непосредственно в кинематических парах, то к массам подвижных звеньев манипулятора добавляются массы приводов. Суммарная нагрузка на приводы и их мощность увеличиваются, а отношение массы манипулятора к полезной нагрузке (максимальной массе объекта манипулирования) уменьшается. Поэтому при проектировании роботов приводы звеньев руки, как наиболее мощные и обладающие большей массой, стремятся разместить ближе к основанию робота. Для передачи движения от привода к звену используются дополнительные кинематические цепи. Рассмотрим схему руки манипулятора ПР фирмы ASEA (рис. 10.5). К трехзвенному механизму с ангулярной системой координат добавлены:

• для привода звена 2 – простейший кулисный механизм, образованный звеньями 4, 5 и 2;

• для привода звена 3 – цепь, состоящая из кулисного механизма (звенья 6, 7 и 8) и шарнирного четырехзвенника (звенья 8, 9, 2 и 3).

Таким образом, в рычажном механизме можно выделить кинематическую цепь руки (звенья 1, 2 и 3) и кинематические цепи приводов. Манипуляторы использующие принцип размещения приводов на основании имеют более сложные механизмы. Однако увеличение числа звеньев и кинематических пар компенсируется уменьшением масс и моментов инерции, подвижных звеньев манипулятора. Кроме того, замкнутые кинематические цепи повышают точность и жесткость механизма. В целом манипуляторы, использующие принципы комбинированного размещения приводов (часть приводов на основании, часть на подвижных звеньях), обладают лучшими энергетическими и динамическими характеристиками, а также более высокой точностью. В кинематических схемах рассмотренных манипуляторов веса звеньев вызывают дополнительную нагрузку на приводы. Фирма SKILAM разработала робот SANCIO (рис. 10.6) в котором веса приводов и звеньев воспринимаются кинематическими парами, а на момент двигателей влияют только через силы трения. Такая структурная схема механизма потребовала увеличения размеров кинематических пар, однако в целом был получен существенный выигрыш по энергетическим и динамическим показателям. Данные примеры не охватывают всех возможных ситуаций рационального выбора структуры манипуляторов. Они только демонстрируют наиболее известные из удачных структурных схем.

Рис. 10.5	Рис. 10.6

Важная особенность манипуляторов – изменение структуры механизма в процессе работы, о чем говорилось на лекции по структуре механизмов. В соответствии с циклограммой или программой работы робота, в некоторых кинематических парах включаются тормозные устройства. При этом два звена механизма жестко соединяются с друг другом, образуя одно звено. Из структурной схемы механизма исключается одна кинематическая пара и одно звено, число подвижностей схвата механизма уменьшается (обычно на единицу). Изменяется структура механизма и в тех случаях, когда в процессе выполнения рабочих операций (на пример, при сборке или сварке) схват с объектом манипулирования соприкасается с окружающими предметами, образуя с ними кинематические пары. Кинематическая цепь механизма замыкается, а число подвижностей уменьшается. В этом случае в цепи могут возникать избыточные связи. Эти структурные особенности манипуляторов необходимо учитывать при программировании работы промышленного робота. Быстродействие ПР определяют максимальной скоростью линейных перемещений центра схвата манипулятора. Различают ПР с малым (V_M<0.5 м/с), средним (0.5 < V_M < 1.0 м/с) и высоким (V_M>1.0м/с) быстродействием. Современные ПР имеют в основном среднее быстродействие и только около 20% – высокое.

Точность манипулятора ПР характеризуется абсолютной линейной погрешностью позиционирования центра схвата. Промышленные роботы делятся на группы с малой ( r_M< 1 мм), средней (0.1 мм <  r_M < 1 мм) и высокой ( r_M< 0.1 мм) точностью позиционирования.

10.2 Промышленные роботы

Роботом называется автоматическая машина, выполняющая физичёскую работу вместо человека. Область применения роботов весьма обширна. Исследование космоса и глубин мирового океана, сельское хозяйство, транспорт и промышленное производство, строительство – везде существует настоятельная необходимость в подобных автоматах. Роботы позволяют заменить человека при работе в опасных для жизни и здоровья условиях, освободить его от монотонных, утомительных, неприятных работ. Наибольшее развитие в настоящее время получили промышленные роботы как важнейшее средство комплексной автоматизации производственных процессов. От традиционных средств автоматизации промышленные роботы отличаются универсальностью воспроизводимых движений и быстрой их переналадкой на новые операции, возможностью объединения в комплексы вместе с технологическим оборудованием.

Роботы в основном применяются в машиностроении для замены рабочих, занятых обслуживанием металлорежущих станков, прессов, печей и другого технологического оборудования, для выполнения таких основных технологических операций, как сварка, простейшая сборка, транспортировка и т. д. Применение промышленных роботов позволяет не только комплексно автоматизировать работу отдельных станков, но и перейти к автоматизации отдельных участков механической обработки, штамповки, точечной сварки и пр. путем создания робототехнических комплексов. Такие комплексы являются обязательной составной частью ГАП – высшего (достижимого для современной техники) уровня автоматизации производства.

Основная задача, выполняемая промышленными роботами, – манипуляционные действия в производственном процессе. Манипуляционные действия – это перемещение в пространстве и ориентирование предметов труда (заготовок, готовых деталей) и орудии труда (инструментов). Исходя из основной задачи, поставленной перед промышленным роботом, его можно определить как совокупность механических рук – манипуляторов и управляющего устройства. В общем случае робот может иметь и средства передвижения.

Наиболее простые роботы, для которых основная задача – выполнение определенных движений (манипуляций), заданных программой, называются автоматическими манипуляторами. В зависимости от сложности выполняемой работы автоматические роботы манипуляторы делятся на три вида – три поколения.

Роботы-манипуляторы первого поколения работают по жесткой программе, а их взаимодействие с окружающей средой ограничено элементарными обратными связями. Роботы первого поколения могут быть очувствленными, с сенсорными датчиками (в частности, с датчиками осязания-тактильными, позволяющими регулировать силу сжатия захвата). Для работы роботов первого поколения необходимо, чтобы среда, в которой они действуют, была определенным образом организована. Это значит, что все предметы (заготовки и готовые детали, инструмент, элементы конструкции станков и оборудования и т. д.) должны находиться в определенных местах и иметь определенную ориентацию в пространстве. Это требование накладывает некоторые ограничения на применение роботов-манипуляторов первого поколения.

Рис. 10.7

Роботы-манипуляторы второго поколения обладают элементами адаптации и способны решать более сложные задачи. Эти роботы очувствленные, имеющие сенсорные датчики, что позволяет им координировать движения с восприятием сигналов о состоянии окружающей среды. В частности, роботы второго поколения могут иметь тактильные (осязательные) датчики, позволяющие менять развиваемое усилие, локационные датчики (световые, ультразвуковые, телевизионные, гамма-лучевые и т. п.), позволяющие изменять траекторию движения манипулятора при появлении препятствия, при необходимости совмещения деталей, нечетко ориентированных в пространстве, и т. п.

Рис. 10.8

Роботы-манипуляторы третьего поколения обладают способностью вести логическую обработку поступающей информации, т. е. имеют искусственный интеллект. Эти роботы способны к обучению и адаптации, могут вести диалог с человеком-оператором, распознавать и анализировать сложные ситуации, формировать понятия и создавать модель окружающей среды, планировать поведение в виде программы действий (с учетом предыдущего опыта) и т. д. Осуществление работы по такому сложному алгоритму возможно только с применением ЭВМ.

Основную часть парка работающих в промышленности роботов-манипуляторов составляют сейчас роботы первого поколения как наиболее простые, надежные и экономичные.

На рис. 10.7 схематично показано устройство автоматического робота-манипулятора, а на рис. 10.8 приведена функциональная схема управления. Конструктивно такой робот состоит из следующих основных частей: 1) исполнительной – манипулятора (или манипуляторов) М и устройства передвижения для подвижных роботов (УП); 2) управляющей устройства управления робота (УУ).

Манипулятор робота имеет горизонтальную руку З, которая может перемещаться в горизонтальном (ось х) и вертикальном (ось z) направлениях относительно стойки 2. Стойка 2 может поворачиваться на угол α вокруг вертикальной оси z относительно неподвижного основания 1. На конце руки закреплен механизм кисти 4, обеспечивающий дополнительно две степени свободы захвату 5: поворот вокруг продольной оси руки на угол β и поворот (качание) относительно перпендикулярной оси у на угол γ. Для фиксирования детали захват 5 может автоматически закрываться (движение по стрелке А). Рабочий орган манипулятора – захват 5 может перемещаться в определенном пространстве, которое образует рабочую зону манипулятора. В зависимости от выбранной системы координат (прямоугольной, цилиндрической сферической, комбинированной) для осуществления переносного движения рабочего органа (движение собственно руки манипулятора) рабочая зона манипулятора может иметь различный вид: параллелепипеда, цилиндра, шара и более сложных пространственных тел. Рабочая зона манипулятора, показанного на рис. 6-6, имеет вид цилиндра, так как рука имеет одну вращательную и две поступательных степени свободы (подвижности): движение вдоль осей х и у и поворот вокруг оси z. Движение кисти поворот вокруг оси х и качание вокруг оси у являются ориентирующими. Автоматические роботы- манипуляторы могут иметь от трех до семи степеней подвижности. Рабочий орган манипулятора может иметь различное устройство в зависимости от назначения робота.

Для роботов, выполняющих загрузочно-разгрузочные операции, транспортировку, смену инструмента, применяют различные виды захватов, обеспечивающих взятие, ориентирование и удержание объекта манипулирования. Для роботов, выполняющих технологические операции, рабочим органом может быть пульверизатор, сварочная головка, гайковерт или другой инструмент.

Принципы действия и конструкции захватов весьма разнообразны, так как размеры, форма и физико-химические свойства объектов манипулирования могут изменяться в широких пределах. По способу захвата и удержания объекта манипулирования захватные устройства делятся на механические, вакуумные, электромагнитные и комбинированные.

Механические захватные устройства состоят из двигателя привода, механизма зажима и губок захвата. В зависимости от вида двигателя приводы механические захватные устройства делятся на электромеханические (привод от электродвигателя или силового электромагнита), пневматические и гидравлические. На рис. 10.9, а показан механический захват с приводом от силового электромагнита 1. Губки захвата 2 и З поворачиваются вокруг оси 4 при подаче тока в обмотку электромагнита, так как возникающая электромагнитная сила притягивает рычаги губок 5 и .6 к сердечнику. При выключении тока возвратная пружина 7 разжимает захват, освобождая объект манипулирования 8.

На рис. 10.9, 6 показано вакуумное захватное устройство, удерживающее объект манипулирования 1 (обычно плоской формы) за счет разрежения воздуха, создаваемого его отсосом между вакуум-присосом 2 и объектом манипулирования 1.

На рис. 10.9, в показано электромагнитное захватное устройство, состоящее из двух электромагнитов 1 и 2, закрепленных в держателе 3. Электромагнитные захватные устройства используют для захвата и перемещения ферромагнитных объектов манипулирования. Форма и число электромагнитов изменяются в зависимости от формы и размеров объекта манипулирования 4. Для компенсации погрешности установки захвата на рабочей позиции обычно в захват или последнее звено руки манипулятора вводят упругие элементы.

Исполнительные устройства манипулятора приводятся в действие двигателями, число которых зависит от числа степеней подвижности манипулятора. Существуют манипуляторы с одним двигателем на несколько степеней подвижности, снабженные муфтами для распределения движения. Вид двигателей привода зависимости от назначения и требующихся параметров манипуляторов. В настоящее время примерно в равной степени используются пневматические, гидравлические и электрические двигатели.

Устройства передвижения у подвижных роботов могут иметь различную конструкцию – от давно известных устройств качения до шагающих механизмов (педипуляторов), разрабатываемых в последнее время.

Рис. 10.9

Устройство управления роботом-манипулятором может выполняться в виде самостоятельного (конструктивно обособленного) блока или может быть встроено в корпус исполнительной части робота. Обычно в состав устройства управления роботом-манипулятором (рис. 10.8) входят: пульт управления (ПУ), позволяющий производить ввод и контроль задания; запоминающее устройство (ЗУ), хранящее программу работы и необходимую информацию для расчета траектории движения (при контурном управлении); вычислительное устройство (ВУ), осуществляющее расчет точек траектории движения манипулятора (при контурном управлении) и оптимизацию алгоритма управления (в очувствленных адаптивных роботах); блок управления приводами (БУП), содержащий элементы следящего привода механизмов манипулятора и устройства передвижения: усилители, преобразователи, источники питания, управляющие элементы (реле, контакторы, золотники, струйные трубки, распределители движения, электромагнитные клапаны и т. д.).

Показанные на функциональной схеме датчики обратной связи (ДОС1, ДОС2), число которых определяется числом степеней подвижности манипуляторов и числом координат перемещения исполнительного устройства манипулятора, используются в устройствах следящего привода для перемещения рабочего органа манипулятора и в целом всего исполнительного устройства манипулятора.

В качестве датчиков обратной связи по перемещению в роботах-манипуляторах используют потенциометры, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, кодирующие преобразователи и т. п.

В очувствленных и адаптивных роботах устанавливаются сенсорные датчики (ДС) для получения дополнительной информации о фактической обстановке в зоне действия манипуляторов робота. Кроме тактильных и локационных датчиков, в роботах-манипуляторах могут использоваться в качестве сенсорных датчиков, входящих в систему очувствления, и любые другие датчики: температуры, давления, магнитного поля, цвета и т. д. Информация сенсорных датчиков вводится в ВУ для корректировки действия робота.

Манипулятор робота создает основное рабочее воздействие Y₁ на технологическое оборудование или объект манипулирования заготовку, деталь, инструмент. Кроме того, на оборудование могут подаваться управляющие воздействия – технологические команды Y₂ непосредственно от БУП (блокировка работы оборудования во время рабочих движений манипулятора, сигналы на изменение режима работы оборудования и т. д.). В свою очередь, от технологического оборудования или других роботов могут поступать информационные и управляющие воздействия на данный робот (условно – от датчиков Д3).

В робототехнических комплексах и системах ГАП на робот могут поступать задающие воздействия G₁ от управляющих устройств более высокого ранга (уровня).

Так, от главной ЦВМ, управляющей работой комплекса или системой ГАП, могут поступать новые программы работы, команды, корректирующие заданную программу работы или координирующие действие робота-манипулятора с действиями других роботов или с работой технологического оборудования.

В автономном режиме задающее воздействие G₂ создается программой, хранящейся в ЗУ. В режиме наладки или обучения задающее воздействие G₃ создается оператором через ПУ. Вычислительное устройство робота имеет различную сложность. В роботах с цикловым программным управлением ВУ вообще отсутствует.