11047

Манипуляторы робототехнических систем

Лекция

Физика

Манипуляторы робототехнических систем 6.1. Манипулятор. Кинематические пары цепи и схемы. Базовым элементом робота является манипулятор механизм обладающий несколькими степенями подвижности который предназначен для перемещения и ориентации объектов ...

Русский

2013-04-03

219.5 KB

87 чел.

Манипуляторы робототехнических систем

6.1. Манипулятор. Кинематические пары, цепи и схемы.

           Базовым элементом робота является манипулятор - механизм, обладающий несколькими степенями подвижности, который предназначен для перемещения и ориентации объектов в рабочем пространстве. Многозвенная конструкция манипулятора заканчивается сменным схватом (иногда называют захватом) - инструментом, предназначенным для захвата объектов определенной формы. Вместо схвата на конце этой конструкции может быть закреплен сменный инструмент (гайковерт, фреза, сверло, метчик и т.п.). В этом случае с помощью манипулятора могут быть выполнены различные технологические операции, например зачистка заготовок, нарезание резьбы, сверление отверстий.

Две характерные конструкции манипуляторов показаны на рис. 6. 1. Один из них имеет только шарнирные соединения (рис. 6.1, а). Его звенья могут поворачиваться относительно трех основных осей О1, О2 и О3, обеспечивающих перемещение схвата в рабочей зоне; еще две оси О4 и О5 определяют ориентирующие движения схвата. Второй манипулятор (рис. 6.1, б), кроме вращений относительно осей 01, 02 и 03, допускает поступательное перемещение звеньев вдоль оси 04.

Рисунок 6.1 .- Конструкция промышленных манипуляторов: а- PUMA-560; б - UNIMATE

Напомним, что механизмом называют систему тел, предназначенную для преобразования движения одних тел в требуемое движение других. Манипуляционный механизм (манипулятор) представляет собой систему тел, которые предназначены для перемещения тела, удерживаемого в схвате манипулятора (инструмента, детали). Тела, образующие манипулятор, называют его звеньями.

Звенья, образующие попарные соединения и допускающие относительные перемещения, называют кинематическими парами. Каждое звено, рассматриваемое как твердое тело, имеет шесть степеней свободы. Если в кинематической паре на относительное движение звеньев наложено S условий связи (число S определяет класс кинематической пары), то число степеней кинематической пары равно

h = 6 – S.

При S = 0 звенья взаимно свободны, а при S = 6 -- взаимно неподвижны, т.е. 1 < S < 6. Так, для шарового шарнира S = 3 , h = 3 ; для цилиндрической пары S = 4, h = 2 ; для простого цилиндрического шарнира и призматической пары поступательного движения S = 5, h =1.

Систему звеньев, образующих кинематические пары, называют кинематической цепью. Если в цепи имеются звенья, входящие только в одну кинематическую пару, то цепь называют незамкнутой (разомкнутой). В противном случае, т.е. если каждое звено входит, как минимум, в две кинематические пары, цепь считают замкнутой. Кинематические цепи манипуляторов, показанные на рис. 6.1, являются незамкнутыми; если же один из них обрабатывает поверхность, расположенную на неподвижном основании, то его кинематическая схема совместно с инструментом и объектом работы образует замкнутую кинематическую цепь. При этом следует учитывать условное неподвижное звено, которое замыкает цепь.

Число степеней подвижности кинематической цепи равно

где п — число подвижных звеньев,  pi — число кинематических пар i-гo

класса.

Например, для манипулятора, изображенного на рис. 6.2, а, кинематическая цепь имеет  ν = 6·5 — 5·5 = 5 степеней подвижности.

Рисунок 6.2.- Разомкнутая (а) и замкнутая (б) кинематические цепи

Заметим, что число степеней подвижности кинематической цепи совпадает с числом кинематических пар только в том случае, если все пары относятся к пятому классу. В последнем случае ν = 6п - 5р5.

Число степеней подвижности кинематической цепи — важнейшая характеристика манипулятора, поскольку она определяет число степеней свободы схвата манипулятора. Чтобы манипулятор мог свободно перемещать и ориентировать в пространстве твердое тело, удерживаемое в схвате, он должен иметь не менее шести степеней подвижности. Причем, если ν > 6 , то говорят о кинематической схеме с избыточностью. Кинематические схемы с избыточностью необходимы в тех случаях, когда на перемещение предмета наложены дополнительные условия, например при перемещении тела внутри цилиндрической трубы.

При замыкании кинематической цепи число ее степеней подвижности понижается. Например, предполагая, что манипулятор удерживает рычаг без проскальзывания (рис. 6.2, б), получаем п = 6, р5 =7, следовательно, ν = 1.

Типовые кинематические схемы манипуляторов приведены на рис. 6.3.

Рисунок 6.3.- Типовые кинематические схемы манипуляторов: а – прямоугольная, б – цилиндрическая, в – сферическая, г- антропоморфная, д- с избыточностью, е – SCARA, ж- схема гидравлического манипулятора с ветвлением кинематической цепи.

На рис. 6.3, а все звенья взаимно перпендикулярны и образуют пары поступательного движения пятого класса. В декартовой системе координат OXYZ, связанной с основанием робота, координаты схвата определяются перемещениями по каждой из степеней подвижности кинематической цепи. Поэтому можно сказать, что робот функционирует в прямоугольной декартовой системе координат. Основным достоинством такого робота является удобство управления, поскольку исключается необходимость пересчета требуемых координат объекта работы в значения перемещений в отдельных степенях подвижности. Однако конструкция такого робота имеет большие габаритные размеры, что является недостатком.

Один из наиболее известных промышленных роботов VERSATRAN имеет кинематическую схему, представленную на рис. 6.3, б. В этой схеме две пары поступательного перемещения и одна — вращательного (все — пятого класса). Координаты схвата в данном случае можно задать тремя переменными - высотой h, длиной выдвижения L и углом поворота φ, что соответствует цилиндрической системе координат, в которой и работает робот рассматриваемого типа.

Не менее известная конструкция промышленного робота типа UNIMATE (см. рис. 6.3, в) имеет две вращательные пары и одну поступательную (телескопическую) пару. Таким образом, координаты схвата определяются в сферической системе координат двумя углами φ , θ и радиусом R.

Из этих трех конструкций наименее сложной является вторая. Наибольшую гибкость в достижении различных точек рабочего пространства имеет третья схема. Недостатком второй и третьей схем по сравнению с первой является меньшая точность и необходимость применения специальных конструктивных решений для обеспечения сбалансированности конструкции.

Многозвенный манипулятор, имеющий четыре шарнирных пары, показан на рис. 6.3, г. В соответствии с такой схемой построены манипуляторы промышленного робота Cincinatti Milacron, российских роботов типа УЭМ-5, РМ-01, ТУР. Они относятся к манипуляторам антропоморфного типа. Гибкость «руки» обеспечивается за счет усложнения конструкции. Задача управления при этом значительно усложняется, поскольку требуется расчет движений в каждом шарнире, обеспечивающем необходимое движение схвата.

Эта задача усложняется и для многозвенных манипуляторов с избыточностью, предназначенных для работы в пространстве с препятствиями (рис. 6.3, д).

Кинематическая схема манипулятора типа SCARA приведена на рис. 6.3, е. Две вращательные степени подвижности обеспечивают произвольное перемещение объекта в плоскости, а перемещение плоскости позиционирования осуществляется поступательной степенью подвижности. Такая схема, сочетающая значительную гибкость при движениях в плоскости с жесткостью конструкции в вертикальном направлении, оказалась эффективной при выполнении задач сборки и обработки плоских поверхностей.

  В рассмотренных кинематических схемах все звенья манипулятора связаны между собой с помощью соединений, обеспечивающих взаимное перемещение. Двигатели, приводящие в движение звенья, можно  размещать в этих соединениях или передавать соответствующие силы и моменты через механизмы передачи движений, не меняющие кинематическую схему. Однако это не всегда возможно. Схема гидравлического манипулятора, силовыми элементами которого являются гидроцилиндры, приведена на рис. 6.3, ж. Эти гидроцилиндры вместе с соответствующими штоками составляют дополнительные связи в кинематической схеме, причем количество звеньев, соответствующих одной степени подвижности, становится больше двух. Такие кинематические схемы называют схемами с ветвлением кинематической цепи. Простота конструктивного решения схемы приводит к трудностям, связанным с расчетом управляющих сигналов для каждой степени подвижности.

Мы рассмотрели только те движения, которые обеспечивают перенoc объекта в рабочем пространстве, но его необходимо еще и ориентировать. Например, при дуговой сварке электрод, удерживаемый роботом, должен быть перпендикулярен рабочей поверхности. В большинстве известных конструкций перемещение и ориентацию объекта обеспечивают различные степени подвижности манипулятора, которые подразделяют на переносные и ориентирующие соответственно. Наиболее характерная компоновка ориентирующих степеней подвижности показана на рис. 6.4.

Они обеспечивают три вращательных движения схвата — наклон, вращение и качание. Чем ближе оси этих степеней подвижности расположены одна к другой и к схвату, тем меньше возникает дополнительных поступательных движений, сопутствующих ориентирующим, тем самым задача управления сложным движением объекта упрощается.

Рисунок 6.4.- Компоновка ориентирующих степеней подвижности схвата

Однако очевидно, что при такой компоновке ориентирующих степеней поворот объекта относительно неподвижной оси, связанной, например, с его центром масс, обеспечивается как ориентирующими, так и переносными степенями подвижности манипулятора.

В ряде случаев степени подвижности не подразделяют на переносные и ориентирующие. Примером может служить схема манипулятора с избыточностью (см. рис. 6.3, д), обеспечивающая как ориентацию, так и перемещение объекта. Другой характерный пример -  манипуляционная конструкция, построенная по принципу платформы Стюарта (рис. 6.5.)

Рисунок 6.5.- Платформа Стюарта

Еще одна степень подвижности кинематической цепи манипулятора, пока не принятая нами во внимание, — это сам схват. За исключением случаев, когда захват предмета происходит немеханическим путем (электромагнит, вакуумные «присоски» и т.п.), схват представляет собой механизм, имеющий в наиболее простом случае две губки для зажима предмета. При необходимости схват может быть трехпалым или иметь большее количество пальцев.

Схват в качестве степени подвижности манипулятора также необходимо учитывать при подсчете суммарного числа степеней подвижности. Так, для манипулятора, обеспечивающего произвольную ориентацию и перемещение объекта в рабочей зоне с учетом схвата, минимальное число степеней подвижности равно семи.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25927. Контакторы электромагнитные. Назначение контакторов. Контакторы постоянного и переменного тока. Конструктивные особенности. Выбор контакторов 42 KB
  Контакторы постоянного и переменного тока. Классификация электромагнитных контакторов Общепромышленные контакторы классифицируются: по роду тока главной цепи и цепи управления включающей катушки постоянного переменного постоянного и переменного тока; по числу главных полюсов от 1 до 5; по номинальному току главной цепи от 15 до 4800 А; по номинальному напряжению главной цепи: от 27 до 2000 В постоянного тока; от 110 до 1600 В переменного тока частотой 50 60 500 1000 2400 8000 10 000 Гц; по номинальному напряжению включающей...
25928. Магнитные пускатели. Назначение пускателей. Схема включения. Выбор пускателей 24.5 KB
  Магнитные пускатели. Характеристики пускателей Современные магнитные пускатели классифицируются: по назначению нереверсивные реверсивные наличию или отсутствию тепловых реле и кнопок управления степени защиты от воздействия окружающей среды уровням коммутируемых токов рабочему напряжению катушки. Магнитные пускатели применяются для управления электрическими нагрузками в диапазоне мощностей от 75 до 80 кВт. Чаще всего пускатели располагают максимальной защитой от перегрузок недопустимой продолжительности и от токов повышенной...
25929. Виды щелей дугогасительных устройств. Перемещение дуги под воздействием магнитного поля. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. Виды дугогасительных решеток 33 KB
  Перемещение дуги под воздействием магнитного поля. Гашение дуги с помощью дугогасительной решетки. Дугогасительное устройство узел высоковольтного выключателя предназначенный для гашения электрической дуги которая возникает на контактах выключателя при размыкании цепи. Гашение дуги в Д.
25930. Способы гашения электрической дуги. Область применения 47.5 KB
  Способы гашения электрической дуги. Способы гашения дуги в коммутационных аппаратах до 1 кВ. Удлинение дуги при быстром расхождении контактов: чем длинее дуга тем большее напряжение необходимо для ее существования. Деление длинной дуги на ряд коротких дуг.
25931. Разъединители. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора 31.5 KB
  Разъединители – аппараты которые предназначены для включения и отключения участков электрических цепей под напряжением при отсутствии нагрузочного тока. Разъединитель и механизм его привода должны надежно удерживаться во включенном положении при протекании тока К3. Как мы уже говорили они должны надежно работать при номинальном режиме а также при перегрузках и сквозных токах короткого замыкания. При больших токах контакты выполняют из нескольких до восьми параллельных пластин.
25932. Отделители и короткозамыкатели. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора. Совместная работа отделителей и короткозамыкателей 25 KB
  Для замены выключателей на стороне высокого напряжения используются короткозамыкатели и отделители. Отделитель служит для отключения обесточенной цепи высокого напряжения за малое время не более 01 сек. Короткозамыкатели и отделители устанавливаются на стороне высшего напряжения РУ малоответственных потребителей когда в целях экономии площади и стоимости РУ выключатели предусмотрены только на стороне низшего напряжения. Отделители и короткозамыкатели устанавливаются на стороне высшего напряжения в менее ответственных РУ в целях экономии...
25933. Реакторы. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора. Сдвоенные реакторы 26 KB
  Реакторы. Сдвоенные реакторы. Для ограничения ударного тока короткого замыкания применяют токоограничивающие реакторы. По этой причине реакторы выполняют без стальных сердечников несмотря на то что при этом для поддержания такого же значения индуктивности их приходится делать больших размеров и массы.
25934. Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Назначение. Конструктивное исполнение. Принцип действия. Условия выбора 26 KB
  Измерительные трансформаторы тока и напряжения. Трансформатор напряжения трансформатор предназначеный для преобразования высокого напряжения в низкое в цепях РЗиА. Применение трансформатора напряжения позволяет изолировать логические цепи защиты и цепи измерения от цепи высокого напряжения. Виды трансформаторов напряжения Заземляемый трансформатор напряжения однофазный трансформатор напряжения один конец первичной обмотки которого должен быть наглухо заземлен или трехфазный трансформатор напряжения нейтраль первичной обмотки которого...
25935. Разрядники: назначение, конструкция, принцип действия. Вентильные и трубчатые разрядники. Нелинейные ограничители перенапряжения (ОПН): назначение, конструкция, принцип действия. Условия выбора 52.5 KB
  Нелинейные ограничители перенапряжения ОПН: назначение конструкция принцип действия. В результате пробоя в трубке возникает интенсивная газогенерация и через выхлопное отверстие образуется продольное дутье достаточное для погашения дуги . ОПН Ограничитель перенапряжения нелинейный ОПН это разрядник без искровых промежутков. Активная часть ОПН состоит из последовательного набора варисторов.