lect_24 (Лекции Тимофеева)

17

Лекция N24.

Манипуляционные роботы.

Робототехника - новое направление науки и техники, связанное с созданием и применением робототехнических систем. Робот, являющийся одним из основных объектов изучения в этой науке, представляет собой автоматическую машину для воспроизведения двигательных и интеллектуальных функций человека. Существуют различные классы роботов, среди которых важнейшими являются автоматические манипуляционные роботы. Частный вид этих роботов - промышленные роботы.

На сегодняшний день промышленные роботы и подобное им оборудование являются практически единственным средством автоматизации мелкосерийного про­изводства. Важная особенность промышленных роботов состоит в том, что они позволяют наиболее просто совместить в едином цикле как транспортные, так и основные технологические операции, что позволяет создать на базе универсального оборудования гибкие автоматизированные производства.

Среди всех частей промышленного робота исполнительное устройство - меха­низм, обеспечивающий движение рабочего органа, - имеет определяющее значение. Именно от этого устройства во многом зависят такие важные характеристики робота, как быстродействие, маневренность, точность позиционирования, возмож­ность работы в стесненных пространствах.

Классификация, назначение и области применения.

История механики богата примерами, которые свидетельствуют о постоянном стремлении человека создать механизмы и устрой­ства, подобные живым существам. Это стремление обусловлено многими причинами, среди которых не последнее место занимает желание заменить человека при выполнении сложной и вредной работы. В 40-х годах в связи с потребностями атомной технологии появились манипуляторы, основное назначение которых - выполнение разнообразных технологических операций с радиоактивными веществами. Применение таких устройств позволило удалить чело­века из опасной зоны, за ним остались только функции дистанцион­ного управления. Первыми такой манипулятор разработали сотруд­ники Аргонской национальной лаборатории США. Манипулятор под названием Master-Slave состоял из исполнительной механичес­кой руки (Slave), помещаемой в опасную для человека зону, и зада­ющей механической руки (Master), которой в безопасной зоне мани­пулировал оператор. Исполнительная рука отличалась от зада­ющей, только наличием схвата. Связь между ними осуществлялась кинематическими передачами так, что звенья исполнительной руки копировали движение звеньев задающей. Отсюда название манипу­лятора - копирующий.

В наше время на смену малоэффективным устройствам прошло­го пришли более эффективные автоматически действующие робототехнические устройства. В основе создания современных робототехнических устройств лежат новые технологии, получившие развитие лишь во второй половине XX века: вычислительная техника и инфор­матика. Робототехнические устройства стали важным средством комплексной автоматизации промышленного производства, они по­зволяют наиболее просто совместить в едином цикле как погрузочно-разгрузочные, так и основные технологические операции. Наибо­лее важные применения автоматических роботов связывают с раз­работкой и созданием автоматизированных участков, цехов и заво­дов.

Точного и однозначного определения робота не существует. Скорее всего можно говорить о целой группе определений. Наибо­лее полно сущность роботов можно отразить, определив их как программируемые устройства (машины), предназначенные для вос­произведения рабочих функций руки человека в процессе его трудо­вой деятельности. Понятие «программируемые» играет немаловаж­ную роль: оно показывает, что действие робота не сводится к реше­нию какой-то одной задачи - его функции можно целенаправленно изменять. Большинство современных роботов включают в себя компьютеры, которые помогают реализовать заданные про­граммные действия.

В данной главе рассматриваются манипуляционные роботы. Манипуляционным роботом называют техническое устройство (ма­шина), предназначенное для выполнения работ универсального ха­рактера, исполнительными устройствами которого служат манипу­ляторы (механические руки). В зависимости от степени участия человека в управлении манипуляционные роботы подразделяются на три типа: автоматические, биотехнические и интерактивные.

Рис. 24.1

А втоматические манипуляционные роботы возникли и развились из систем программного управления станками. Процесс управления их действиями может происходить с участием и без непосредствен­ного участия человека. Функциональная схема автоматического манипуляционного робота представлена на рис. 24.1 Манипуляционный робот состоит из манипулятора, исполнительных устройств, устройств очувствления, устройств связи с оператором и ЭВМ. Манипулятор имитирует движения руки человека и представляет собой многозвенный разомкнутый механизм с одноподвижными вращательными и поступательными кинематическими парами. Чис­ло степеней подвижности манипуляторов изменяется в пределах от 3 до 10. Функцию кисти в манипуляторе выполняет, так называемый, схват, конструкция которого предусматривает выполнение опера­ций с определенным типом объектов манипулирования. Информационная система предназначена для сбора информации о состоя­нии внешней среды. В качестве ее элементов используются телевизи­онные, ультразвуковые, тактильные и другие датчики. Управля­ющая система служит для выработки законов управления привода­ми исполнительных органов на основании созданных алгоритмов и собранной информации.

В автоматических манипуляционных роботах можно выделить три разновидности в зависимости от связи с человеком-оператором: программные, адаптивные и интеллектуальные.

Программные роботы работают по жесткой программе, зало­женной в устройстве памяти, однако их можно перенастраивать на работу с другой жесткой программой действий. Их также называют автоматическими программными манипуляторами или промыш­ленными роботами. Простота изменения программы, т. е. возмож­ность переобучения промышленных роботов новым операциям, сделала эти роботы достаточно универсальными и гибко перенаст­раиваемыми на различные классы задач.

Адаптивные роботы отличаются от программных большим ко­личеством внешних (оптических, телевизионных, тактильных) и внутренних датчиков. Системы управления роботами этого типа более сложные, не ограничиваются только работой по жесткой программе движения и могут в зависимости от внешних условий несколько корректировать ее. Как правило, они требуют для своей реализации управляющую ЭВМ. Важной частью адаптивных роботов является их развитое программное обеспечение, предназначенное для об­работки информации, поступающей от внешних и внутренних дат­чиков и оперативного изменения программы движения. Благодаря способности воспринимать изменения во внешней среде и приспосабливаться к существующим условиям функционирования адаптив­ные роботы могут манипулировать с неориентированными деталя­ми произвольной формы и производить сборочные операции.

Характерной особенностью интеллектуальных роботов является их способность вести диалог с человеком, распознавать и анализи­ровать сложные ситуации, планировать движения манипулятора и осуществлять их реализацию в условиях ограниченной инфор­мации о внешней среде. Все это обеспечивается совершенством управляющих систем, включающих в себя элементы искусственного интеллекта, способность к обучению и адаптации в процессе ра­боты.

Биотехнические манипуляционные роботы берут свое начало от копирующих и командных механических систем. Операции, которые могут выполнять роботы этого типа, являются менее определен­ными, чем технологические операции, осуществляемые автомати­ческими роботами. Широкое распространение они получили при работе с радиоактивными материалами.

Управление манипуляторами этого типа роботов осуществляет­ся оператором, а ЭВМ используется для облегчения его работы.

Различают три разновидности управления биотехническими манипуляционными роботами: копирующее, командное и полуавтома­тическое. Копирующее управление осуществляется с помощью за­дающего устройства, кинематически подобного исполнительной ру­ке робота. Такие системы называют копирующими манипулятора­ми. Человек-оператор перемещает задающее устройство, а манипу­лятор повторяет эти движения одновременно по всем степеням подвижности. В случае командного управления оператор с команд­ного устройства дистанционно задает движение звеньям манипуля­тора путем поочередного включения соответствующих приводов. При полуавтоматическом управлении оператор, манипулируя упра­вляющей рукояткой, имеющей несколько степеней свободы, задает движение схвата манипулятора. ЭВМ по сигналу от управляющей рукоятки формирует сигналы управления на приводы всех звеньев манипулятора. Существуют также биотехнические системы, в кото­рых управление манипулятором осуществляется при помощи био­импульсов от соответствующих мышц человеческой руки.

Интерактивные манипуляционные роботы отличаются активным участием человека в процессе управления, которое выражается в различных формах взаимодействия его с ЭВМ. Здесь также раз­личают три разновидности управления: автоматизированное, супервизорное и диалоговое.

При автоматизированном управлении простые операции робот выполняет без управляющего воздействия со стороны оператора, а остальные - при участии оператора в биотехническом режиме. Супервизорное управление отличается тем, что весь цикл операций разбивается на части, выполняемые манипуляционным роботом автоматически, но переход от одной части к другой осуществляется оператором путем подачи соответствующих команд. При диалого­вом управлении оператору и ЭВМ представляется возможность совместно принимать решения и управлять манипулятором в слож­ных ситуациях.

Кинематические схемы, структура и технические

характеристики манипуляторов.

Первый вопрос, с которым сталкивается создатель манипулято­ра, - выбор его кинематической схемы, структуры его скелета. В процессе выполнения операций с объектами манипулирования в большинстве случаев манипуляторы имитируют движение рук человека. Поэтому структурная схема манипулятора должна об­ладать кинематическими характеристиками, аналогичными характеристикам руки человека. Подвижности, имеющиеся у руки человека

Рис 24.2

(без учета подвижностей па­льцев), можно обеспечить с по­мощью пространственной ки­нематической цепи, у которой к неподвижному звену 4 (ана­лог лопатка) посредством раз­личных кинематических, пар присоединяются звенья (рис. 24.2) трехподвижной парой А - звено 1 (плечо), через одноподвижную пару В - звено 2 (предплечье) - и трехпод­вижной парой 3 (кисть). Испо­льзуя для оценки степени по­движности руки человека формулу Малышева без учета движения кисти (пальцев и фаланг), получим W = 7; с учетом всех звеньев и в самой кисти имеем W = 27.

Рис 24.2

Рис. 24.3

Опыт работы с неориентированными объектами показывает, что манипулятор должен иметь по крайней мере семь (и более) степеней подвижности. Три степени необходимы для перемещения инструмента в любую точку зоны обслуживания, а три - для ориентации инструмента, например схвата электрода, краскораспылителя и т. п. Как минимум одна степень подвижности должна быть у схвата.

К аждая степень подвижности манипуляционного робота управ­ляется индивидуальным приводом, в результате чего исполнитель­ный орган получает направленное вполне определенное движение. В современных манипуляторах используют электромеханические, гидравлические, пневматические или комбинированные приводы.

П

Рис. 24.3

оскольку манипулятор предназначен для замены физических функций руки человека, у робота можно выделить три основные группы движений: глобальные, региональные и локальные.

Глобальные движения осуществляются путем перемещения подвижного основания робота с помощью двигательной системы. В стационарных роботах глобальные движения отсутствуют. Их станины неподвижно крепятся к полу, кронштейну или потолку возле технологического оборудования.

Р егиональные движения - перемещения схвата робота в различные зоны рабочего пространства, определяемого размерами звеньев манипулятора.

Л

Рис. 24.4

окальные движения - перемещения схвата, соизмеряемые с его размерами, в частности ориентация в малой зоне рабочего пространства.

И ногда глобальные и региональные движения называют транспортирующими движениями, а локальные - ориентирующими.

С

Рис. 24.5

уществует большое количество схем манипуляторов, различным образом реализующих региональные движения, но наиболее распространенными в промышленности являются пять следующих схем с одноподвижными кинематическими парами:

манипулятор (рис. 24.3), функционирующий в декартовой (прямоугольной) системе координат, прост в управлении и отличается высокой точностью действий. Схват манипулятора поступательно перемещается вдоль трех основных осей: х, у и z (т. е. слева направо, вперед-назад и вверх-вниз);