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

84 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

809. Проектирование механического привода конвейера для транспортирования сухих сыпучих материалов 182 KB
  Определение мощности и выбор электродвигателя. Определение общего передаточного отношения привода и разбивка передаточного числа редуктора по ступеням. Определение вращающих моментов на валах редуктора. Проверочный расчет передач на контактную прочность. Уточненный расчет промежуточного вала.
810. ППП Евфрат 231.5 KB
  Удобный инструмент для адаптирования системы конкретно под нужды и структуры организации, позволяет создать полный маршрут движения определенного типа документа, что в процессе работы позволяет экономить время и ресуры, затрачиваемые на обработку документа.
811. Сравнительный анализ требований зарубежных (национальных) и отечественных нормативных и технических документов 300.5 KB
  Сравнительный анализ методов контроля обсадных труб по ГОСТ 632-80, документам API. Попробуем сравнить российские национальные стандарты со стандартами Американского института нефти (API) на примере стандартов API 5CT/ISO 11960:2001 и ГОСТ 632-80.
812. База данных 250.5 KB
  Совокупность сведений о реальных объектах, процессах, событиях или явлениях, относящихся к определённой теме или задаче. Создание базы данных Продажи книг. Описание структуры базы данных, обработка данных и управление данными.
813. Особенности использование кодов 170 KB
  Создать алфавит А, используемый при форматировании Ф.И.О., которые будут являться исходным текстом. Построить прямые двоичные коды постоянной длины и закодировать ими исходный текст. Коды, учитывающие частоту символов. Коды Грея. Построение кода для обнаружения и исправления ошибок.
814. Сознание в философии 229 KB
  Постановка проблемы сознания в философии. Информационное взаимодействие как генетическая структура. Сознание как необходимое условие воспроизводства. Типы и уровни информационного взаимодействия.
815. Привод ленточного транспортера 7.73 MB
  Подготовка данных для расчета червячной передачи на ЭВМ. Выбор типа и схемы установки подшипников. Расчет валов на статическую прочность и сопротивление усталости. Порядок сборки привода, выполнение необходимых регулировочных работ. Выбор смазочных материалов и системы смазывания.
816. Реформы и контрреформы государственного управления во второй половине ХIХ в. 227.5 KB
  Предпосылки реформ государственного управления в начале ХIХ века. Поиск путей совершенствования государственного управления при Александре I. Конституционные проекты декабристов. Причины незавершенности реформ государственного управления 1-й половины ХIХ века. Кризис абсолютистко-бюрократической системы управления при Николае I. Сущность и значение реформ государственного управления в период правления Александра II.
817. Разработка техпроцессов сборки и монтажа 222 KB
  Выбор возможного типового или группового ТП и (при необходимости) его доработка. Составление маршрутов ТП сборки блоков (сборочных единиц) и установление технологических требований к входящим в них сборочным единицам и деталям. Выдача технического задания на проектирование и изготовление специальной технологической оснастки. Корректировка документации по результатам испытаний опытной партии.