Промышленные роботы

Общие сведения. Классификация ПР. Устройство механической части ПР. Кинематика и динамика ПР. Модульные роботы. Системы управления ПР. Иерархическая структура системы управления ПР. Датчики ПР. Системы технического зрения ПР. Захватные устройства. Проектирование и расчет захватных устройств.

СТРУКТУРА ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ РОБОТОВ

1.1. Термины и определения

В настоящее время существует большой интерес к проблемам робототехники. Расширяются сферы приложения роботов. Все чаще их применяют в промышленном производстве, бытовом обслуживании, здравоохранении, военном деле, а также в космосе, под водой и других экстремальных средах. Появились и получили широкое распространение принципиально новые классы робототехнических систем, обладающие большой функциональной гибкостью за счет прогрессивных механических конструкций, эффективных приводов, микропроцессорных управляющих систем с развитым программным обеспечением, технического зрения и других средств очувствления, адаптивных возможностей, элементов искусственного интеллекта.

Эти качественные изменения, а также развитие концептуальных представлений о функциях, структуре, принципах построения роботов не всегда находят должное отражение в терминологии, используемой в справочно-информационных изданиях, словарях, учебных пособиях, а также в многочисленных научных публикациях, отличающихся большой терминологической разнородностью и неупорядоченностью. Некоторые традиционно употребляемые в отечественной и переводной литературе по робототехнике термины неточно передают сущность выражаемых ими понятий, допускают многозначное толкование или, наоборот, имеют распространенные синонимичные варианты. Терминологическая нечеткость затрудняет общение специалистов, усложняет учебный процесс, ведет к неверным практическим решениям.

В связи с этим разработан ряд нормативных документов и руководящих материалов по терминологии в робототехнике:

ГОСТ 25686 - 85 "Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы. Термины и определения," стандарт СЭВ 5948 -87 "Роботы промышленные. Термины и определения," Технический отчет международной организации стандартизации ИСО 8379 "Манипуляционные промышленные роботы. Словарь," терминология, разработанная комиссией по проблеме "Робототехника и автоматизированное производство" "Теория робототехнических систем. Терминология."

Приводим некоторые термины и определения из терминологии "Теория робототехнических систем. Терминология."

РОБОТОТЕХНИКА - область науки и техники, связанная с созданием, исследованием и применением роботов.

Робототехника охватывает вопросы проектирования, программного обеспечения, очувствления роботов, управления ими, а также роботизации промышленности и непромышленной сферы.

РОБОТ - многофункциональная перепрограммируемая машина, для полностью или частично автоматического выполнения двигательных функций аналогично живым организмам, а также некоторых интеллектуальных функций человека.

Под "перепрограммируемостью" понимают возможность замены, коррекции или генерации управляющей программы ав­томатически или при помощи человека.

К роботам не относятся, в частности, автооператоры, а также копирующие манипуляторы и другие машины, управляемые только человеком - оператором.

ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ - робот, предназначенный для выполнения технологических и (или) вспомогательных операций в промышленности.

Различают также в зависимости от специфики применения роботы непромышленного назначения, например, "пожарный робот", "сельскохозяйственный робот", "военный робот" и т.д.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ -промышленный робот для выполнения технологических пере­ходов, операций, процессов, оснащенный рабочим или измери­тельным инструментом.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ РОБОТ -промышленный робот для обслуживания технологического обо­рудования, перемещения объектов, оснащенный захватным устройством.

СПЕЦИАЛЬНЫЙ РОБОТ - робот для выполнения одной операции одного вида.

СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЙ РОБОТ - робот для выполнения различных операций одного вида.

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ РОБОТ - робот для выполнения различных операций различных видов.

ЖЕСТКОПРОГРАММИРУЕМЫЙ РОБОТ - робот, управляющая программа которого, введенная на этапе программирования, не может быть изменена в процессе работы в зависимости от функционирования робота и (или) контролируемых параметров рабочей среды.

АДАПТИВНЫЙ РОБОТ - робот, управляющая программа которого может автоматически меняться в процессе работы в зависимости от функционирования робота и (или) контролируемых параметров рабочей среды.

Не следует смешивать понятия "адаптивый робот" и "очувствленный робот". Последний, обладая датчиками внешней информации, может не иметь средств автоматического изменения управляющей программы в процессе функционирования.

ИНТЕЛЛЕКТНЫЙ РОБОТ - робот, управляющая про­грамма которого может полностью или частично формироваться автоматически в соответствии с поставленным заданием и в зависимости от состояния рабочей среды.

МАНИПУЛЯЦИОННЫЙ РОБОТ - робот для выполне­ния двигательных функций, аналогичных функциям руки человека.

СТАЦИОНАРНЫЙ МАНИПУЛЯЦИОННЫЙ РОБОТ -

манипуляционный робот, закрепленный на неподвижном осно­вании.

МОБИЛЬНЫЙ РОБОТ-робот, способный перемещаться в рабочей среде в соответствии с управляющей программой. "Мобильный робот" может быть снабжен манипулятором.

К мобильным роботам не относятся передвижные манипуляционные роботы, которые могут быть оперативно переме­щены в рабочей среде вручную или при помощи транспортных средств с ручным управлением.

ПЕДИПУЛЯТОР - часть мобильного робота, предназна­ченная для воспроизведения функций опорно - двигательного аппарата человека или животного.

РОБОТИЗАЦИЯ - автоматизация ручного или рутинных видов умственного труда человека с применением роботов.

РОБОТИЗИРОВАННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС - совокупность одного или нескольких промыш­ленных роботов, другого технологического оборудования и оснастки для выполнения единого технологического процесса.

РОБОТОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА - робот с оснасткой или роботизированный технологический комплекс, выполняющий технологический процесс.

1.2. Назначение и классификация робототехнических систем

Робототехнические системы можно разделить на три больших класса :

1. Манипуляционные робототехнические системы;

2. Мобильные робототехнические системы;

3. Информационные и управляющие робототехнические системы;

Информационные и управляющие робототехнические системы представляют собой комплексы измерительно - информационных и управляющих средств, автоматически произ­водящих сбор, обработку и передачу информации, а также использование ее для формирования различных управляющих сигналов. Примером могут служить необитаемые подводные аппараты, снабженные измерительно - информационными и управляющими устройствами и автоматической аппаратурой для определения свойств воды и дна, для обработки, обнаруже­ния и опознания предметов с автоматической выдачей инфор­мации. На рис. 1.1 изображен информационный технический робот, представляющий собой робототехническую систему способную получать, перерабатывать и передавать информацию о состоянии окружающей среды (температуры, влажности, взрывоопасности, запыленности, шума, состава рудничного воздуха и т.д.) для обеспечения технологического процесса добычи полезных ископаемых.

Мобильные робототехнические системы представляют собой платформы или шасси, перемещением которых управляет автоматика. При этом они имеют запрограммированную автома­тическую адресовку цели, могут автоматически нагружаться и разгружаться, осуществлять доставку заготовок и инструментов к станкам и деталей от станков на склад.

Мобильные робототехнические системы могут быть колесными, шагающими, колесношагающими, гусенич­ными, летающими, плавающими.

Манипуляционные робототехнические системы можно разделить на три вида:

1. Автоматически действующие роботы, автоматические манипуляторы и роботизированные технологические комплексы;

2. Дистанционно управляемые роботы, манипуляторы и технологические комплексы;

3. Ручные;

Автоматически действующие роботы применяют в основном в промышленном производстве.

В зависимости от способа задания и отработки управляющей программы их делят на четыре рода: жестковстроенные, программные, адаптивные, интеллектные.

Жестковстроенные роботы еще не являются собственно роботами, поэтому они представляют собой нулевое (дороботное) поколение. Они не имеют перестраиваемых программных управляющих устройств. Это механические руки (автооператоры) жестко связанные с остальным технологиче­ским оборудованием, которые выполняют строго определенную работу в соответствии с заранее подготовленной программой , вне зависимости от изменения условий внешней среды.

Программные роботы (первое поколение роботов) обладают возможностью корректировки, переналадки и смены управляющих программ в зависимости от условий внешней среды. Но после каждой переналадки они повторяют многократно одну и ту же жесткую программу в строго определенной обстановке с определенно расположенными предметами.

Адаптивные роботы (второе поколение роботов) могут самостоятельно в большей или меньшей степени ориентироваться в нестрого определенной обстановке, приспосабливаясь к ней. Для этого их снабжают датчиками, реагирующими на обстановку, и системой обработки информации от датчиков для выработки сигналов адаптивного управления, т.е. гибкого изменения программного движения исполнительного устройства в соответствии с фактической обстановкой.

Интеллектные роботы (третье поколение роботов) имеют более богатое очувствление, включая техниче­ское зрение, с микропроцессорной обработкой информации, выработкой роботом решения о своих дальнейших действиях для выполнения нужных технологических операций в неопределенной или меняющейся обстановке - это роботы с элементами искусственного интеллекта.

Поколения роботов не сменяют друг друга, а существуют параллельно, развиваясь внутри каждого из них.

Дистанционно управляемые роботы и манипуляторы применяют главным образом в экстремальных условиях, т.е. при наличии радиации, загазованности, взрывоопасности, вы­соких и низких температур, и давлений. Их делят на шесть родов: манипуляторы с командным управлением, полуавтоматиче­ские манипуляторы, роботы с супервизорным управлением, роботы с комбинированным управлением, роботы с диалоговым (интерактивным) управлением.

Манипуляторы с командным управлением отличаются тем, что человек - оператор включает по отдельности приводы каждой степени подвижности манипулятора дистанционно путем нажатия на соответствующие кнопки и тумблеры.

Копирующие манипуляторы управляются дистанционно человеком - оператором с удаленного места при помощи задающего устройства кинематически подобного рабочему манипулятору. При этом движение каждого задающего механизма передается на соответствующую степень подвижности рабочего манипулятора по принципу следящей системы. Копирующие манипуляторы применяют в экстремальных условиях при наличии радиации, загазованности и т.д.

Полуавтоматические манипуляторы в качестве задающего устройства на пульте оператора имеют компактную многостепенную управляющую рукоятку, кинематика которой может быть произвольной, удобной для малых движений руки человека. Снимаемые с нее электрические сигналы преобразуются с помощью специализированного вычислителя (ЭВМ) в сигналы управления на приводы манипулятора.

Роботы с супервизорным управлением характеризуются тем, что все элементы выполняемых ими операций запрограммированы и могут воспроизводиться автоматически. Человек-оператор, наблюдающий дистанционно за действиями робота, подаст только отдельные целеуказательные команды, по сигна­лам которых включаются те или иные программы автоматиче­ского действия робота. За человеком остается лишь функция распознавания обстановки и принятия решения.

Роботы с комбинированным управлением - это роботы, в которых сочетаются автоматические режимы (как у роботов с супервизорным управлением) с режимами управления от руки (как у по­луавтоматического или копирующего манипулятора) (рис. 1.10).

Роботы с диалоговым (интер­активным) управлением, как правило (но

не обязательно), являются интеллектными и отличаются от супервизорных тем, что робот не только принимает команды че­ловека для их исполнения, но и сам активно участвует в распо­знавании обстановки и принятии решения, помогая в этом человеку - оператору.

Ручные робототехнические системы делятся на два рода: шарнирно -балансирные манипуляторы и экзоскелетоны (усилители конечностей человека).

Шарнирно - балансирный манипулятор представляет собой многозвенный механизм с приводом в каждой степени подвижности, который при любой величине удерживаемого объекта (в пределах его грузоподъемности) при любом расположении звеньев в пространстве находится в равновесии. Поэтому человек, взявшись за рукоятку манипулятора, легко может перемещать большой груз. Двигая рукоятку человек осуществляет подачу управляющих сигналов, при этом вся работа по перемещению груза выполняется приводами, размещенными в степенях подвижности манипулятора.

Ручные роботы применяют для погрузочно - разгрузочных работ.

Экзоскелетоны - многозвенные механизмы, звенья которых непосредственно сопряжены с руками или ногами человека. В кинематических парах механизма, соответствующих суставам человека, помещены управляющие двигатели, берущие на себя всю тяжесть работы. Движения самого человека формируют лишь сигналы управления. Такие системы применяют для усиления конечностей (корпуса) человека (как здорового, так и больного).