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

9
Одно из звеньев манипулятора является стойкой и оно неподвижно, а другие могут совершать управляемые движения благодаря воздействию со стороны приводов.
В манипуляторах роботов используются одноподвижные вращательные или поступательные кинематические пары пятого класса.
Распространенность в манипуляторах роботов одноподвижных кинема- тических пар пятого класса объясняется тем, что такие пары обеспечивают движение образующих их кинематических звеньев относительно друг друга по одной координате, а, следовательно, для перемещения одного звена по от- ношению к другому требуется один привод.
Силовое воздействие приводов на звенья манипулятора осуществляется в соответствии с управляющими сигналами, поступающими от системы управления робота, которые в свою очередь формируются по требуемым (за- данным) законам движения схвата, а также с учетом состояния робота и окружающей технологической среды. Таким образом, под воздействием при- водов робота звенья манипулятора и его схват будут совершать вполне опре- деленные перемещения в пространстве.
Для роботов наиболее характерны два типа заданий на перемещение схвата:
1. Перемещение от одной точки к другой за заданный период времени – позиционное управление. В этом случае задаются координаты начальной, промежуточных и конечной точек (рис. 1.2). Траектория движения схвата и скорость его движения между точка- ми не регламентируется. Понятно, что число таких точек может быть неограниченно большим.
Суще- ственным моментом является то, что в каждой точке схват должен сделать остановку. Значит, каждую пару
Рисунок 1.2 – Позиционное управление

10 соседних точек при исследовании движений робота можно условно рассмат- ривать как начальную и конечную. Частным случаем позиционного управле- ния является цикловое управление, когда схват должен совершать движение между двумя точками. Примером позиционного и циклового управления мо- жет быть движение от места хранения заготовки к приспособлению станка и обратно.
2. Перемещение схвата по заданной траектории и заданному во времени закону движения по этой траектории – контурное управление. В этом случае задается закон движения схвата во времени, то есть задается закон движения схвата по координатам x, y, z в виде: x = x(t); y = y(t); z = z(t), а также ориен- тация схвата при движении по траектории в функции времени. Ориентация схвата в пространстве может задаваться либо с использованием углов Эйле- ра:

=

(t),

=

(t),

=

(t), или с помощью направляющих косинусов (с помощью углов между осями координат инерциальной системы координат и осями координат схвата) x
0
^z n
= f
1
(t), y
0
^z n
= f
2
(t), x
0
^y n
= f
3
(t).
1.1. Области применения роботов
Робот представляет собой техническое устройство, создаваемое на осно- ве мехатронного подхода, состоящее из манипулятора и системы управления и предназначенное для перемещения предметов труда в пространстве или выполнения определенных технологических функций.
В качестве предметов труда, перемещаемых роботом, могут выступать:

в машиностроении: заготовки, детали, инструмент, емкости с рас- плавленным металлом и т. п.;

в атомной промышленности: стержни радиоактивного материала, крышки люков, приборы контроля и т. п.;

в исследовательских (информационных) роботах: теле- и видеокаме- ры, буровые инструменты, космические модули и т. п.;

11

в роботах для экстремальных условий: специальные устройства по обработке местности, навесные орудия для обработки земли, поверхности зданий и т. д.
При использовании робота в качестве технологического оборудования он может выполнять сборочные операции, операции по окраске и сварке из- делий, раскрою материала и многие другие.
1.2. Классификация промышленных роботов
В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы:
1. Человекоподобные (бытовые);
2. Информационные (исследовательские), предназначенные для сбо- ра информации в средах опасных или не доступных для человека;
3. Промышленные, предназначенные для автоматизации технологи- ческих процессов в различных отраслях производства.
В дальнейшем в курсе лекций основное внимание будет уделено про- мышленным роботам и робототехническим системам.
Промышленные роботы (ПР) имеют большое число классификационных признаков. Классификация по основным из них представлена на рисунке 1.3.

12
Рисунок 1.3 – Признаки и классификация промышленных роботов

13
1.3. Технические характеристики промышленных роботов
К основным техническим характеристикам промышленных роботов от- носятся показатели, приведенные на рисунке 1.4.
Рисунок 1.4 – Технические характеристики промышленных роботов

14
Вопросы к лекции 1:
1. Назовите области применения роботов.
2. Назовите основные классификационные признаки промышленных ро- ботов.
3. Проведите классификацию промышленных роботов по основным классификационным признакам.
4. Каковы технические характеристики промышленных роботов?
5. Какое управление ПР называется позиционным?
6. Какое управление ПР называется цикловым?
7. Какое управление ПР называется контурным?
Лекция 2. Структурная и кинематическая классификация
манипуляционных устройств робототехнических систем
2.1. Основные понятия структуры и кинематики манипуляторов
Манипулятор – это кинематическая цепь, образованная последователь- ным, параллельным или последовательно-параллельным соединением тел, называемых кинематическими звеньями, и предназначенная для преобразо- вания движения входных звеньев в требуемое (заданное) движение схвата.
При этом кинематические звенья соединяются друг с другом подвижно с по- мощью кинематических пар.
Кинематическая цепь, образующая манипулятор, имеет два оконечных звена: одно из них будет являться основанием – стойкой (ему присваивается нулевой номер), а другое оконечное звено оснащается схватом. Этому око- нечному звену присваивается последний n-й номер, равный при последова- тельном соединении звеньев числу подвижных звеньев манипулятора.
Дадим определение тем терминам, которые уже использованы.

15
Кинематическое звено – совокупность жестко соединенных друг с дру- гом тел, входящих в состав механизма, в данном случае в состав манипуля- тора.
Кинематическая пара – подвижное соединение двух кинематических звеньев, допускающее их вполне определенное движение относительно друг друга.
Входное (входные) кинематическое (ие) звено (звенья) – это звено (зве- нья), получающее(ие) независимое, заданное движение.
Кинематическая цепь – это совокупность кинематических звеньев, по- движно соединенных друг с другом с помощью кинематических пар.
Если в кинематической цепи есть кинематические звенья, входящие в одну кинематическую пару, то такая цепь называется разомкнутой (рис. 2.1), а если же каждое звено входит как минимум в две кинематических пары, то это замкнутая кинематическая цепь (рис.2.2).
Манипулятор может быть образован как на основе разомкнутой кинема- тической цепи (рис. 2.1) с последовательным соединением звеньев (антропо- морфные человекоподобные роботы) и на основе замкнутой кинематической цепи с последовательно-параллельным или параллельным соединением (рис.
2.2) звеньев (роботы с параллельной кинематикой, в частности, гексаподы на основе платформы Стюарта).
Рисунок 2.1 – Манипулятор на основе разомкнутой цепи
Рисунок 2.2 – Манипулятор с парал- лельной кинематикой

16
2.2. Понятие о структуре манипуляционных систем
Итак, манипулятор – это механизм, представляющий собой разомкну- тую или замкнутую кинематическую цепь, предназначенную для получения требуемого движения схвата в пространстве.
Важной характеристикой манипулятора является число степеней его по- движности – число степеней свободы.
Для произвольной пространственной кинематической цепи в общем случае следует использовать формулу Сомова–Малышева:











5
i
1
i i
1 2
3 4
5
ip n
6
p p
2
p
3
p
4
p
5
n
6
W
, где p i
– число кинематических пар i-го класса; n – число подвижных зве- ньев.
Для манипуляторов с кинематическими парами 5- го класса
5
p
5
n
6
W


Так как в манипуляторе с последовательной кинематикой каждому по- движному звену соответствует одна кинематическая пара пятого класса, то n = p
5
Следовательно,
W = 6n – 5n = n или W = p
5
, то есть число степеней подвижности в таких манипуляторах равно чис- лу подвижных звеньев и числу кинематических пар.
Использование в манипуляторах в основном одноподвижных враща- тельных или поступательных пар 5-го класса связано с тем, что для опреде- ленности движения одного звена относительно другого в случае, если они подвижно соединены парой 5-го класса требуется задание одного перемеще- ния (рис.2.3), что легко реализуется современными двигателями, которые приводят в движение либо вал (электродвигатели), либо шток (пневмо- и гидродвигатели).

17
Рисунок 2.3 –
Схема расположения приводов на звеньях манипулятора
2.3. Классификация кинематических пар манипуляционных
механизмов
Дадим характеристику кинематическим парам. Именно от характера ки- нематических пар и от их взаимного расположения в манипуляторе во мно- гом зависят законы преобразования движения.
Кинематические пары, как отмечалось, допускают вполне определенные движения образующих их звеньев относительно друг друга. Эта определен- ность достигается теми ограничениями, которые создают пары геометрией своих элементов.
Пары классифицируют по классам, номер которого равен числу ограни- чений (числу условий связи), накладываемых данной парой:

одно ограничение (одно условие связи) – пара I класса, например, шар на плоскости (рис. 2.4).
Рисунок 2.4 –
Шар на плоскости

18

два ограничения (два условия связи) – пара II класса, например, ци- линдр на плоскости (рис. 2.5).
Рисунок 2.5 –
Цилиндр на плоскости

три ограничения (три условия связи) – пара III класса, например, при соприкосновении двух плоскостей (рис. 2.6).
Рисунок 2.6 –
Соприкосновение двух плоскостей

четыре ограничения (четыре условия связи) – пара IV класса, напри- мер, вал во втулке (рис. 2.7).
Рисунок 2.7 –
Вал во втулке

пять ограничений (пять условий связи) – пара V класса (пары пятого класса могут быть поступательными (рис. 2.8) и вращательными (рис. 2.9)).
Рисунок 2.8 –
Поступательная пара V класса
Рисунок 2.9 – Вращательная пара V класса

19
Приведем примеры условных обозначений кинематических пар пятого класса как наиболее часто используемых в манипуляторах ПР.
Вращательная пара, соединяющая подвижные звенья (рис. 2.10). а) б)
Рисунок 2.10 – а) плоское изображение; б) пространственное изображение
Вращательная пара, соединяющая неподвижное звено (стойку) с по- движным (рис. 2.11). а) б)
Рисунок 2.11 – а) плоское изображение; б) пространственное изображение
Поступательная пара, соединяющая подвижные звенья (рис. 2.12). а) б)
Рисунок 2.12 – а) плоское изображение; б) пространственное изображение

20
Поступательная пара, соединяющая неподвижное звено (стойку) с по- движным (рис. 2.13). а) б) в) г)
Рисунок 2.13 – а, б) плоское изображение; в, г) пространственное изображение
2.4.
Классификация
переносных
степеней
подвижности
манипулятора с последовательной кинематикой
Для обеспечения пространственного движения схвата в общем случае достаточно трех переносных степеней подвижности робота, расположен- ных относительно друг друга определенным образом. Основными мини- мально необходимыми условиями обеспечения пространственного движе- ния схвата в манипуляторе, образованного парами 5-го класса, являются:
1) наличие двух вращательных пар с непараллельными осями
(обычно оси в этом случае перпендикулярны друг другу) и третьей враща- тельной или поступательной пары, обеспечивающей изменение радиуса сферы (рис. 2.14, а);
2) наличие двух вращательных пар с параллельными осями и тре- тьей поступательной пары, направляющая которой неперпендикулярна осям вращательных пар, или вращательной пары, ось которой непарал- лельна осям предыдущих (рис. 2.14, б);
3) наличие двух поступательных пар с непараллельными направ- ляющими и одной вращательной пары, ось которой неперпендикулярна плоскости, образованной направляющими поступательных пар, или посту-

21 пательной пары, направляющая которой непараллельна названной плоско- сти (обычно направляющие перпендикулярны друг другу, а ось враща- тельной пары параллельна плоскости) (рис. 2.14, в). а) б) в)
Рисунок 2.14 – Переносные степени подвижности манипулятора
Приведем основные манипуляционные системы, обеспечивающие пе- реносные движения схвата манипулятора при различной последователь- ности использования вращательных и поступательных кинематических пар
(рис. 2.15-2.22):
Рисунок 2.15 – Сочетание пар «Вращательная – вращательная – враща- тельная» (схема робота немецкой фирмы KUKA)

22
Рисунок 2.16 – Сочетание пар «Поступательная – вращательная – вра- щательная»
Рисунок 2.17 – Сочетание пар «Вращательная – поступательная – вра- щательная»

23 а) б)
Рисунок 2.18 – Сочетание пар «Вращательная – вращательная – поступа- тельная»: а) схема робота японской фирмы «СКАРА»; б) схема робота аме- риканской фирмы «ЮНИМЕЙТ»
Рисунок 2.19 – Сочетание пар «Поступательная – вращательная – по- ступательная»
Рисунок 2.20 – Сочетание пар «Вращательная – поступательная – посту- пательная»: схема робота американской фирмы «ВЕРСАТРАН»

24
Рисунок 2.21 – Сочетание пар «Поступательная – поступательная – вра- щательная»
Рисунок 2.22-– Сочетание пар «Поступательная – поступательная – по- ступательная»
Не все приведенные схемы обеспечивают совершенно различные ра- бочие зоны. В некоторых случаях перестановка поступательной и враща- тельной пары не влияет на форму рабочей зоны, например, схемы, пред- ставленные на рис. 2.16, 2.17 и 2.18 а, имеют одинаковые рабочие зоны.
Однако на динамику манипулятора это оказывает существенное влияние, а, следовательно, и на характер управляющих воздействий. Более предпо- чтительной по энергетическим затратам из трех упомянутых является схе- ма, приведенная на рис. 2.18 а, так как для вертикального перемещения груза в этой схеме не требуется перемещение промежуточных звеньев, именно эта схема используется в роботах японской фирмы «СКАРА».
Схемы, представленные на рис. 2.15, 2.18 а, 2.18 б, 2.20 и 2.22, явля- ются наиболее распространенными и по ним выполнено большинство

25 промышленных роботов. В частности, по схемам, приведенным на рис.
2.18 б и 2.20, выполнены первые промышленные роботы соответственно
«Юнимейт» и «Версатран».
2.5. Классификация переносных степеней подвижности по системам
координат
Переносные степени подвижности классифицируют по системам коор- динат, которые они обеспечивают. Различают следующие системы коорди- нат, используемые в робототехнике: цилиндрическая система координат (рис.
2.23), сферическая (рис. 2.24), прямоугольная (рис. 2.25) и угловая (ангуляр- ная) (рис. 2.26).
Рисунок 2.23 – Цилиндрическая система координат
Рисунок 2.24 – Сферическая система координат