Цель работы — провести структурный анализ и ознакомиться с основными свойствами кинематических цепей копирующего манипулятора и промышленных роботов.

Промышленный робот – программируемая автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенная для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах. Манипулятор – совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.

Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и единичном производстве. Копирующие манипуляторы, управляемые человеком-оператором, необходимы при выполнении различных работ с радиоактивными материалами. Кроме того, эти устройства незаменимы при выполнении работ в космосе, под водой, в химически активных средах. Таким образом, промышленные роботы и копирующие манипуляторы являются важными составными частями современного промышленного производства.

Промышленные роботы классифицируются по следующим признакам:

• по характеру выполняемых технологических операций: основные, вспомогательные, универсальные;

• по виду производства: литейные, сварочные, кузнечно-прессовые, для механической обработки, сборочные, окрасочные, транспортно-складские;

• по системе координат руки манипулятора: прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, сферическая угловая (ангулярная), другие;

• по числу подвижностей манипулятора;

• по грузоподъемности: сверхлегкие (до 10 Н), легкие (до 100 Н), средние (до 2000 Н), тяжелые (до 10000 Н), сверхтяжелые (свыше 10000 Н);

• по типу силового привода: электромеханический, пневматический, гидравлический, комбинированный;

• по подвижности основания: мобильные, стационарные;

• по виду программы: с жесткой программой, перепрограммируемые, адаптивные, с элементами искусственного интеллекта;

• по характеру программирования: позиционное, контурное, комбинированное.

Манипулятор промышленного робота по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена и закрепленного в нем объекта манипулирования в пространстве по заданной траектории и с заданной ориентацией. Для полного выполнения этого требования основной рычажный механизм манипулятора должен иметь не менее шести подвижностей, причем движение по каждой из них должно быть управляемым. Промышленный робот с шестью подвижностями является сложной автоматической системой. Эта система сложна как в изготовлении, так и в эксплуатации. Поэтому в реальных конструкциях промышленных роботов часто используются механизмы с числом подвижностей менее шести. Наиболее простые манипуляторы имеют три, реже две, подвижности. Такие манипуляторы значительно дешевле в изготовлении и эксплуатации, но предъявляют специфические требования к организации рабочей среды. Эти требования связаны с заданной ориентацией объектов манипулирования относительно механизма робота. Поэтому оборудование должно располагаться относительно такого робота с требуемой ориентацией.

Рассмотрим для примера структурную и функциональную схемы промышленного робота с трехподвижным манипулятором. Основной механизм руки манипулятора состоит из неподвижного звена 0 и трех подвижных звеньев 1,2 и 3 (рис.12.1). Структурная схема механизма этого манипулятора соответствует цилиндрической системе координат. В этой системе звено 1 может вращаться относительно звена 0 (относительное угловое перемещение j ₁₀ ), звено 2 перемещается по вертикали относительно звена 1 (относительное линейное перемещение S ₂₁ ) и звено 3 перемещается в горизонтальной плоскости относительно звена 2 (относительное линейное перемещение S ₃₂ ). На конце звена 3 укреплено захватное устройство или схват, предназначенный для захвата и удержания объекта манипулирования при работе манипулятора. Звенья основного рычажного механизма манипулятора образуют между собой три одноподвижные кинематические пары (одну вращательную А и две поступательные В и С) и могут обеспечить перемещение объекта в пространстве без управления его ориентацией. Для выполнения каждого из трех относительных движений манипулятор должен быть оснащен приводами, которые состоят из двигателей с редуктором и системы датчиков обратной связи. Так как движение объекта осуществляется по заданному закону движения, то в системе должны быть устройства сохраняющие и задающие программу движения, которые назовем носителями программ. При управлении от ЭВМ такими устройствами могут быть дискеты, диски CD, магнитные ленты и др. Преобразование заданной программы движения в сигналы управления двигателями осуществляется системой управления. Эта система включает ЭВМ, с соответствующим программным обеспечением, цифроаналоговые преобразователи и усилители. Система управления, в соответствии с заданной программой, формирует и выдает на исполнительные устройства приводов (двигатели) управляющие воздействия u _i . При необходимости она корректирует эти воздействия по сигналам D x_i , которые поступают в нее с датчиков обратной связи. Функциональная схема промышленного робота приведена на рис. 12.2.

12.5. Основные понятия и определения. Структура манипуляторов. Геометро-кинематические характеристики.

Формула строения - математическая запись структурной схемы манипулятора, содержащая информацию о числе его подвижностей, виде кинематических пар и их ориентации относительно осей базовой системы координат (системы, связанной с неподвижным звеном).

• глобальные (для роботов с подвижным основанием) - движения стойки манипулятора, которые существенно превышают размеры механизма;
• региональные (транспортные) - движения, обеспечиваемые первыми тремя звеньями манипулятора или его “рукой”, величина которых сопоставима с размерами механизма;
• локальные (ориентирующие) - движения, обеспечиваемые звеньями манипулятора, которые образуют его “кисть”, величина которых значительно меньше размеров механизма.

В соответствии с этой классификацией движений, в манипуляторе можно выделить два участка кинематической цепи с различными функциями: механизм руки и механизм кисти. Под “рукой” понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает перемещение центра схвата – точки М ( региональные движения схвата); под “кистью” – те звенья и пары, которые обеспечивают ориентацию схвата (локальные движения схвата).

Структурная схема механизма – его графическое изображение на котором показаны стойка, подвижные звенья, кинематические пары и их взаимное расположение. Графическое изображение элементов схемы выполняется с учетом принятых условных обозначений. В таблице 12.1 приведены условные обозначения кинематических пар. Кинематической цепью называется система звеньев, образующих между собой кинематические пары. Цепь в которой каждое звено входит не более чем в две кинематические пары, называется простой. Незамкнутой называется такая кинематическая цепь, в которой есть звенья входящие только в одну кинематическую пару.

Таблица 12.1

Одноподвижная вращательная	Одноподвижная поступательная	Двухподвижная цилиндрическая
Двухподвижная сферическая	Трехподвижная сферическая	Трехподвижная плоская

Рассмотрим структурную схему антропоморфного манипулятора, то есть схему которая в первом приближении соответствует механизму руки человека (рис.12.3). Этот механизм состоит из трех подвижных звеньев и трех кинематических пар: двух трехподвижных сферических А_3сф и С_3сф и одной одноподвижной вращательной В_1в .

Кинематические пары манипулятора характеризуются: именем или обозначением КП - заглавная буква латинского алфавита (A,B,C и т.д.); звеньями, которые образуют пару (0/1,1/2 и т.п.); относительным движением звеньев в паре ( для одноподвижных пар - вращательное, поступательное и винтовое); подвижностью КП (для низших пар от 1 до 3, для высших пар от 4 до 5); осью ориентации оси КП относительно осей базовой или локальной системы координат.

Рабочее пространство манипулятора - часть пространства, ограниченная поверхностями огибающими к множеству возможных положений его звеньев. Зона обслуживания манипулятора - часть пространства соответствующая множеству возможных положений центра схвата манипулятора. Зона обслуживания является важной характеристикой манипулятора. Она определяется структурой и системой координат руки манипулятора, а также конструктивными ограничениями наложенными относительные перемещения звеньев в КП.

     (12.1)

или для незамкнутых кинематических цепей.

     (12.2 )

Маневренность манипулятора М - подвижность манипулятора при зафиксированном (неподвижном) схвате

М = W - 6 . (12.3 )

Возможность изменения ориентации схвата при размещении его центра в заданной точке зоны обслуживания характеризуется углом сервиса - телесным углом y , который может описать последнее звено манипулятора (звено на котором закреплен схват) при фиксации центра схвата в заданной точке зоны обслуживания

y = f_C / l_CM³ , (12.4 )

где f_C - площадь сферической поверхности, описываемая точкой С звена 3,

l_CM - длина звена 3.

Относительная величина ky = y / (4× p ), (12.5 )

называется коэффициентом сервиса. Для манипулятора, изображенного на рис.12.3,

подвижность манипулятора W = 6× 3 - (3× 2 - 5× 1) = 18- 11 = 7;

маневренность M = 7 - 6 = 1;

формула строения

W = [ q ₁₀+ j ₁₀ + y ₁₀ ] + j ₂₁ + [ q ₃₂ + j ₃₂ + y ₃₂ ]. (12.6 )

Структура кинематической цепи манипулятора должна обеспечивать требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией. Для этого необходимо, чтобы схват манипулятора имел возможность выполнять движения минимум по шести координатам: трем линейным и трем угловым. Рассмотрим на объекте манипулирования точку М, которая совпадает с центром схвата. Положение объекта в неподвижной (базовой) системе координат 0x₀y₀z₀ определяется радиусом-вектором точки М и ориентацией единичного вектора с началом в этой точке. В математике положение точки в пространстве задается в одной из трех систем координат:

• прямоугольной декартовой с координатами x_M, y_M, z_M;
• цилиндрической с координатами r_{sM, j M}, z_M;
• сферической с координатами r_{M, j M}, _{q M}.

Ориентация объекта в пространстве задается углами a , b и g , которые вектор ориентации образует с осями базовой системы координат. На рис. 12.5 дана схема шести подвижного манипулятора с вращательными кинематическими парами с координатами объекта манипулирования.

При структурном синтезе механизма манипулятора необходимо учитывать следующее:

• кинематические пары манипуляторов снабжаются приводами, включающими двигатели и тормозные устройства, поэтому в схемах манипуляторов обычно используются одноподвижные кинематические пары: вращательные или поступательные;

Рис 12.5

• необходимо обеспечить не только заданную подвижность свата манипулятора, но и такую ориентацию осей кинематических пар, которая обеспечивала необходимую форму зоны обслуживания, а также простоту и удобство программирования его движений;
• при выборе ориентации кинематических пар необходимо учитывать расположение приводов (на основании или на подвижных звеньях), а также способ уравновешивания сил веса звеньев.

Перемещение схвата в пространстве можно обеспечить, если ориентировать оси первых трех кинематических пар по осям одной из осей координат. При этом выбор системы координат определяет тип руки манипулятора и вид его зоны обслуживания. По ГОСТ 25685-83 определены виды систем координат для руки манипулятора, которые приведены в таблице 12.2. Здесь даны примеры структурных схем механизмов соответствующие системам координат. Структурные схемы механизмов кисти, применяемые в манипуляторах, даны в таблице 12.3. Присоединяя к выходному звену руки тот или иной механизм кисти, можно получить большинство известных структурных схем манипуляторов, которые применяются в реальных промышленных роботах.

Структура манипулятора определяется и местом размещения приводов. Если приводы размещаются непосредственно в кинематических парах, то к массам подвижных звеньев манипулятора добавляются массы приводов. Суммарная нагрузка на приводы и их мощность увеличиваются, а отношение массы манипулятора к полезной нагрузке (максимальной массе объекта манипулирования) уменьшается. Поэтому при проектировании роботов приводы звеньев руки, как наиболее мощные и обладающие большей массой, стремятся разместить ближе к основанию робота. Для передачи движения от привода к звену используются дополнительные кинематические цепи. Рассмотрим схему руки манипулятора ПР фирмы ASEA (рис.12.6). К трехзвенному механизму с ангулярной системой координат добавлены:

• для привода звена 2 - простейший кулисный механизм, образованный звеньями 4,5 и 2;
• для привода звена 3 - цепь, состоящая из кулисного механизма (звенья 6,7 и 8) и шарнирного четырехзвенника (звенья 8,9,2 и 3).

Таким образом, в рычажном механизме можно выделить кинематическую цепь руки (звенья 1,2 и 3) и кинематические цепи приводов. Манипуляторы использующие принцип размещения приводов на основании имеют более сложные механизмы. Однако увеличение числа звеньев и кинематических пар компенсируется уменьшением масс и моментов инерции, подвижных звеньев манипулятора. Кроме того, замкнутые кинематические цепи повышают точность и жесткость механизма. В целом манипуляторы, использующие принципы комбинированного размещения приводов (часть приводов на основании, часть на подвижных звеньях), обладают лучшими энергетическими и динамическими характеристиками, а также более высокой точностью.

Системы координат “руки” манипулятора. Таблица 12.2

Прямоугольная (декартова)	Цилиндрическая
Сферическая	Угловая (ангулярная)
Другие

Таблица 12.3

Структурные схемы кисти манипулятора

В кинематических схемах рассмотренных манипуляторов веса звеньев вызывают дополнительную нагрузку на приводы. Фирма SKILAM разработала робот SANCIO ( рис. 12.7) в котором веса приводов и звеньев воспринимаются кинематическими парами, а на момент двигателей влияют только через силы трения. Такая структурная схема механизма потребовала увеличения размеров кинематических пар, однако в целом был получен существенный выигрыш по энергетическим и динамическим показателям.

Важная особенность манипуляторов – изменение структуры механизма в процессе работы, о чем говорилось на лекции по структуре механизмов. В соответствии с циклограммой или программой работы робота, в некоторых кинематических парах включаются тормозные устройства. При этом два звена механизма жестко соединяются с друг другом, образуя одно звено. Из структурной схемы механизма исключается одна кинематическая пара и одно звено, число подвижностей схвата механизма уменьшается (обычно на единицу).

Изменяется структура механизма и в тех случаях, когда в процессе выполнения рабочих операций (на пример, при сборке или сварке) схват с объектом манипулирования соприкасается с окружающими предметами, образуя с ними кинематические пары. Кинематическая цепь механизма замыкается, а число подвижностей уменьшается. В этом случае в цепи могут возникать избыточные связи. Эти структурные особенности манипуляторов необходимо учитывать при программировании работы промышленного робота.

Для рассматриваемых манипуляторов провести структурный и кинематический анализ механизма выполнив при этом следующее:

• выбрать систему координат О xyz; вычертить структурную схему манипулятора, на которой оси пар ориентировать по осям этой системы; обозначить на ней звенья - цифрами и кинематические пары - латинскими буквами (в обозначении КП индексами указать подвижность и вид пары: вращательная – 1в, поступательная – 1п, сферическая - 3сф, цилиндрическая – 2ц);
• обозначить на схеме относительные перемещения звеньев в КП (линейные перемещения – x,y,z; угловые - j ,q ,y );
• составить и записать формулу строения механизма;
• определить звенья образующие соответственно “руку” и “кисть” манипулятора;
• определить систему координат “руки” манипулятора;
• определить число звеньев (общее и подвижных), число одноподвижных кинематических пар (поступательных и вращательных);
• подсчитать число подвижностей механизма и маневренность, число избыточных связей в механизме;
• для кинематических пар механизма определить звенья, образующие КП, относительное движение в КП, подвижность КП и ориентацию оси КП относительно осей системы координат.

В качестве примера рассмотрим структурный и кинематический анализ манипулятора робота Unimate . Структурная схема механизма изображена на рис.12.8.

Заполним таблицы лабораторного журнала. После заполнения таблицы сделаем вывод, который для данной схемы можно сформулировать так:

1. Включить промышленный робот или манипулятор и изучить относительное движение звеньев механизма. Начертить структурную схему манипулятора, нанести обозначения звеньев, кинематических пар, центра схвата манипулятора.
2. Определить основные параметры структурной схемы манипулятора и параметры его кинематических пар, заполнить соответствующие таблицы журнала.
3. Для выбранного промышленного робота или манипулятора по заданию преподавателя (задается формула строения манипулятора) выполнить структурный и кинематический анализ (п.2 лабораторного журнала).

Сделать выводы по работе указав в них число подвижностей манипулятора, систему координат, вид кинематической цепи.

Формулы строения манипуляторов промышленных роботов

Таблица 12.4

Структурная схема манипулятора

Рис. 12.8

1	Формула строения	W= q 10 + j 21 + y32 + y 43 + q 54 + y 65
2	Подвижные звенья, образующие в манипуляторе	“ руку ”		1	2	3
		“ кисть ”		4	5	6
3	Система координат “руки” манипулятора		сферическая
4	Число звеньев	общее		k	7
		подвижных		n	6
5	Число одноподвижных кинематических пар	вращательных		p1 в	5
		поступательных		p1 п	1
6	Число подвижностей в пространстве			W пр	6
7	Маневренность в пространстве			M пр	0
8	Число избыточных связей в механизме			q	0

Обозначение КП	A	B	C	D	E	F
Звенья, образующие КП	1/0	2/1	3/2	4/3	5/4	6/5
Относит. движение	вр.	вр.	пост.	вр.	вр.	вр.
Подвижность в КП	1	1	1	1	1	1
Ось ориентации КП	z	x	y	y	z	y