Файл: Учебное пособие Учебное пособие разработано в Омском государственном тех ническом университете.pdf

В. Г. Хомченко
Робототехнические системы
Учебное пособие
_____________
Учебное пособие разработано в Омском государственном тех-
ническом университете
Омск, 2016

2
УДК 621.865.8(075)
ББК 32.816.1я73
Х76
Рецензенты:
Брейдо И.В., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов» Карагандинского государственного техниче- ского университета, Казахстан
Воронов Е. А., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Основы теории механики и автоматического управления» Омского государственного техни- ческого университета, Россия
В. Г. Хомченко
Робототехнические системы:
Учебное пособие
Омск 2016 г. – 195 стр.
Учебное пособие предназначено для изучения методов проектирования роботов и робототехнических систем. Учебное пособие будет полезно при исследованиях в области кинематики и динамики манипуляторов роботов, а также в области разработки и анализа робототехнических систем. Большое внимание в учебном пособии уделено решению прямой и обратной задач ки- нематики манипуляторов роботов с последовательной кинематикой и реше- нию обратной задачи кинематики манипуляторов с параллельной кинемати- кой типа платформы Гауфа-Стюарта. В качестве математического аппарата при решении названных задач используется, в основном, матричное исчисле- ние. В учебном пособии рассмотрены вопросы моделирования взаимодей- ствия роботов и технологического оборудования в составе робототехниче- ских систем с использованием сетей Петри.
© Хомченко В. Г., 2016

3
Аннотация
В настоящем учебном пособии основное внимание уделяется аспектам изучения и исследования кинематических и динамических свойств манипу- ляторов промышленных роботов, необходимых для выработки управляющих силовых воздействий на звенья манипулятора робота, а также вопросам син- теза оптимальных по тем или иным критериям траекторий движения схвата манипулятора робота в составе робототехнических комплексов, конструиро- ванию захватных устройств, изучению и моделированию робототехнических систем.
Проведение практических и лабораторных работ реализуется с исполь- зованием методических материалов и программного обеспечения, разрабо- танных в ОмГТУ на основе программного пакета MathCAD и некоторых дру- гих.
Полученные знания будут достаточны: для разработки структурных и кинематических схем манипуляторов роботов, оптимальных по принятым критериям; для решения прямых и обратных задач кинематики и динамики роботов с использованием матричного исчисления; для решения траекторных задач в соответствии с выполняемыми роботом производственными функци- ями; для моделирования роботов и робототехнических комплексов в терми- нах сетей Петри.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям «Автома- тизация технологических процессов и производств», «Управление в техниче- ских системах» и «Мехатроника и робототехника».

4
Оглавление
Раздел 1. Основные понятия и классификация роботов и манипуляционных систем ....................................................................................................................... 8
Лекция 1. Введение. Области применения, классификация и технические характеристики роботов ..................................................................................... 8
Введение ........................................................................................................... 8 1.1. Области применения роботов ............................................................... 10 1.2. Классификация промышленных роботов ............................................ 11 1.3. Технические характеристики промышленных роботов ..................... 13
Вопросы к лекции 1 ...................................................................................... 14
Лекция 2. Структурная и кинематическая классификация манипуляционных устройств робототехнических систем ............................ 14 2.1. Основные понятия структуры и кинематики манипуляторов ........... 14 2.2. Понятие о структуре манипуляционных систем ................................ 16 2.3. Классификация кинематических пар манипуляционных механизмов.. ................................................................................................... 17 2.4. Классификация переносных степеней подвижности манипулятора с последовательной кинематикой .................................................................. 20 2.5. Классификация переносных степеней подвижности по системам координат ....................................................................................................... 25 2.6. Классификация ориентирующих степеней подвижности .................. 26
Вопросы к лекции 2 ...................................................................................... 28
Раздел 2. Основы кинематики и динамики манипуляционных систем роботов с последовательной кинематикой ........................................................................ 29
Лекция 3. Преобразования координат в манипуляционных системах ........ 29 3.1. Описание положения схвата в абсолютной системе координат.
Понятие о прямой и обратной задачах кинематики манипуляторов роботов ........................................................................................................... 29 3.2. Однородные координаты в кинематике манипуляторов роботов.
Матрицы перехода 4×4 кинематических пар 5-го класса ......................... 31
Вопросы к лекции 3 ...................................................................................... 36
Лекция 4. Определение взаимного положения последовательно соединенных звеньев манипуляционных систем........................................... 37 4.1. Специальные системы координат Денавита-Хартенберга ................ 37 4.2. Преобразования Денавита-Хартенберга .............................................. 43 4.3. Определение ориентации звеньев манипулятора с использованием углов Эйлера .................................................................................................. 46
Вопросы к лекции 4 ...................................................................................... 49

5
Лекция 5. Прямая задача кинематики манипуляционных систем с последовательной кинематикой ...................................................................... 50 5.1. Обобщенные координаты манипуляционных систем. Таблица кинематических пар манипулятора ............................................................. 50 5.2. Расчет положения схвата в пространстве абсолютных координат ... 54 5.3. Определение взаиморасположений промежуточных звеньев манипулятора ................................................................................................. 57
Вопросы к лекции 5 ...................................................................................... 58
Лекция 6. Решение прямой задачи кинематики при позиционном управлении ......................................................................................................... 58 6.1. Синтез законов движения по обобщенным координатам манипулятора (первая подзадача) ............................................................... 60 6.1.1. Синтез прямоугольного закона движения из физических предпосылок .................................................................................................. 61 6.1.2. Синтез прямоугольного закона как сплайн-функции ..................... 63 6.1.3. Синтез синусоидального безударного закона движения ................ 65 6.1.4. Синтез безударного закона на основе сплайн-функций ................. 66 6.2. Расчет закона движения схвата в абсолютной системе координат
(вторая подзадача) ......................................................................................... 68
Вопросы к лекции 6 ...................................................................................... 69
Лекция 7. Определение абсолютных скоростей точек звеньев манипулятора ..................................................................................................... 69
Вопросы к лекции 7 ...................................................................................... 73
Лекция 8. Обратная задача кинематики манипуляционных систем с последовательной кинематикой при контурном управлении ...................... 74 8.1. Постановка обратной задачи кинематики манипуляционных систем… ......................................................................................................... 74 8.2. Решение обратной задачи прямыми геометрическими методами .... 77 8.3. Решение обратной задачи кинематики манипуляторов на основе нелинейного математического программирования ................................... 80 8.4. Решение обратной задачи кинематики манипуляционных систем при управлении по скорости ............................................................................... 88 8.5. Метод обратных преобразований в решении обратной задачи манипуляторов ............................................................................................... 95
Вопросы к лекции 8 ...................................................................................... 97
Лекция 9. Исследование динамики манипуляционных систем с последовательной кинематикой на основе уравнений Лагранжа 2-го рода…. ............................................................................................................... .99

6 9.1. Постановка задачи динамического синтеза и анализа манипуляционных систем ............................................................................ 99 9.2. Решение примера динамического синтеза и анализа манипулятора….. ......................................................................................... 101
Вопросы к лекции 9 .................................................................................... 105
Лекция 10. Кинематика манипуляционных механизмов с параллельной структурой. Решение обратной задачи ......................................................... 106
Вопросы к лекции 10 .................................................................................. 113
Раздел 3. Робототехнические комплексы ......................................................... 114
Лекция 11. Назначение, состав и классификация робототехнических комплексов ....................................................................................................... 114 11.1. Назначение робототехнических комплексов .................................. 114 11.2. Состав и классификация робототехнических комплексов ............ 119
Вопросы к лекции 11 .................................................................................. 126
Лекция 12. Компоновка РТК и возможные траектории схвата манипулятора ................................................................................................... 126 12.1. Компоновочные схемы РТК .............................................................. 126 12.2. Анализ местных (частных) траекторий схвата манипуляторов .... 130
Вопросы к лекции 12 .................................................................................. 135
Лекция 13. Использование нескольких роботов в одном РТК.
Межстаночные траектории схватов .............................................................. 135 13.1. Особенности использования нескольких роботов в одном РТК ... 135 13.2. Межстанционные траектории как функции числа схватов и организации производственной сцены ..................................................... 138
Вопросы к лекции 13 .................................................................................. 143
Лекция 14. Общие требования к РТК и его компонентам .......................... 143 14.1. Применение робототизированных технологических комплексов в механообрабатывающем производстве .................................................... 143 14.2. Требования к технологическим процессам, реализуемым в
РТК……. ................................................................................................. …..145 14.3. Требования к деталям, обрабатываемым в РТК ............................. 146 14.4. Требования к технологическому оборудованию, используемому в
РТК ................................................................................................................ 149 14.5. Требования к промышленным роботам, включаемым в состав
РТК… ............................................................................................................ 149 14.6. Требования к вспомогательному и транспортно-накопительному оборудованию, включаемому в РТК ......................................................... 155 14.7. Требования к РТК в целом ................................................................ 158 14.8. Обшие характеристики и особенности РТК механообработки ..... 159

7
Вопросы к лекции 14 .................................................................................. 160
Лекция 15. Планирование траекторий схвата манипулятора робота в составе РТК на основе сплайн-функций ....................................................... 161 15.1. Общие требования к траекториям движения схвата манипуляторов в составе РТК ............................................................................................... 161 15.2. Представление траектории движения схвата одним полиномом
(первый подход) .......................................................................................... 164 15.3. Представление траектории движения схвата сплайн-функциями
(второй подход) ........................................................................................... 167 15.4. Общие случаи планирования траекторий сплайн-функциями в пространстве обобщенных координат ...................................................... 172
Вопросы к лекции 15 .................................................................................. 177
Лекция 16. Моделирование робототехнических систем в терминах сетей
Петри ................................................................................................................ 178 16.1. Основные понятия и терминология сетей Петри ........................... 178 16.2. Имитационные модели робототехнических систем на основе сетей
Петри ............................................................................................................ 185 16.2.1. Моделирование однопозиционного РТК сетями Петри ............. 185 16.2.2. Моделирование многопозиционного РТК в терминах сетей
Петри. ........................................................................................................... 189
Вопросы к лекции 16 .................................................................................. 194
Использованная литература ………………….………………………………194

8
Раздел 1. Основные понятия и классификация роботов и
манипуляционных систем
Лекция 1. Введение. Области применения, классификация и
технические характеристики роботов
Введение
Роботы и создаваемые на их основе робототехнические системы явля- ются достаточно сложными устройствами. Включаемые в робототехнические системы роботы и обслуживаемое ими оборудование имеют разнообразные связи между собой: информационные, кинематические, программные и мно- гие другие.
Интенсивное развитие промышленной робототехники началось с сере- дины прошлого века, когда первые из них начали применять для высвобож- дения человека от монотонных, однообразных операций на конвейерах по выпуску автомобилей.
В настоящее время роботы, в том числе и промышленные, применяются в весьма широких областях человеческой деятельности: от выполнения про- стейших операций по сборке изделий до изготовления высокоточных дета- лей; от обслуживания оборудования в производственных помещениях до ра- боты в экстремальных условиях, где нежелательно или недопустимо присут- ствие человека.
В роботе для выполнения двига- тельных функций используется мани- пулятор, представляющий собой ряд кинематических звеньев, соединенных между собой кинематическими парами
(рис. 1.1).
Рисунок 1.1 – Манипулятор робота