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

93 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

9713. Критерии оценки хозяйственных рисков 31.5 KB
  В риск-менеджменте определяют четкую зависимость между степенью хозяйственного риска и результатом: чем больше риск, тем потенциально выше выгода или ущерб. Схематически данную закономерность можно отразить путем выделения областей или зон риска. Пр...
9714. Математические методы определения вероятностей рисковых событий 43 KB
  Математические методы определения вероятностей рисковых событий: В практике анализа рисков всегда выгоднее прибегать к поэтапной процедуре оценки: сначала провести измерения в шкале номинаций, т.е. оценить вероятности рискованных исходов как событий...
9715. Методологические основы анализа хозяйственного риска 27 KB
  Параметры решаемой риск-проблемы должны определяться на основе конкретизации предмета, объекта и субъектов хозяйственного риска, форм проявления его характерных элементов и сущностных черт с выходом на целевой результат конкретного вида и подвида ри...
9716. Общая характеристика идентификации и анализа рисков 29 KB
  Содержание идентификации и анализа рисков: Основной целью идентификации и анализа рисков является формирование у лиц, принимающих решения, целостной картины рисков, угрожающих бизнесу фирмы, жизни и здоровью ее сотрудников, имущественным интересам в...
9717. Принципы информационного обеспечения системы управления риском 71 KB
  Принципы информационного обеспечения системы управления риском: Информация является ключевым аспектом при идентификации и анализе риска, так как ее наличие позволяет в дальнейшем принимать правильные решения в условиях риска и неопределенности...
9718. Основные принципы оценки риска 52.5 KB
  Концепция приемлемого риска: В большинстве ситуаций невозможно полностью избавиться от риска. Поэтому защита от него состоит не в том, чтобы сделать бизнес абсолютно безопасным, а в том, чтобы снизить риск до уровня, когда он перестает быть угрожающ...
9719. Поведенческий риск 26.5 KB
  Причина поведенческого риска понятна каждому, кто живет среди людей: субъекты, вовлеченные в определенную совместную деятельность, не обязательно одинаково относятся к ее целям и результатам. Иногда это различие не носит принципиального характера и ...
9720. Показатели хозяйственного риска 29.5 KB
  В соответствии с общепринятой классификацией показатели хозяйственного риска можно разделить на три группы: единичные, комплексные и обобщающие (интегральные). Первые характеризуют возможные проявления отдельных элементов рискованных ситуаций в отн...
9721. Природные риски 26.5 KB
  Рассмотрим теперь способы измерения риска для ситуации не стохастической и не поведенческой неопределенности. Методов здесь несколько. Наиболее распространенный - это так называемый метод рандомизации. Суть его в искусственном привнесении случайност...