Лекции 1 - Основы робототехники
Лекция 1
Основы робототехники. Устройство роботов
План лекции.
1. Задачи и история робототехники, основные предпосылки к применению.
2. Основные термины и определения
3. Поколения промышленных роботов
4. Состав и режимы работы роботов
Задачи и история робототехники, основные предпосылки к применению. Современная робототехника возникла на основе синтеза механики и кибернетики и дала толчок новому направлению их развития. Для механики это оказалось связано с многозвенными механизмами типа манипуляторов, а для кибернетики — с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов последнего поколения с искусственным интеллектом.
Рекомендуемые материалы
Таким образом задача робототехники — это развитие и синтез механики и кибернетики с целью создание и применение роботов и основанных на их использовании робототехнических систем различного назначения.
Роль роботов в таких системах и комплексах может быть различной — от основной, когда роботы осуществляют главные функции, до вспомогательной, когда роботы обслуживают основное или вспомогательное оборудование, выполняющее эти функции. Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов, принято называть роботизированными. Роботизированные системы и комплексы, в которых роботы выполняют основные функции, называют робототехническими.
Происхождение слова «робот» имеет славянские корни. Впервые ещё в 1920 г. его ввел известный чешский писатель К. Чапек в своей фантастической пьесе «R. U. R.» («Россумовские универсальные роботы»), где фигурировали так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Чешское слово "robota" означает тяжелый подневольный труд.
У американского писателя А. Азимова в цикле рассказов "Я робот" был тот же подход в взгляде о том, что собой должно представлять устройство называемое "роботом".
Ошибочность их видения заключалась в том, что и Чапек и Азимов представляли робота как копию человека, которому присуще выполнение лишних функций не нужных для осуществления конкретных задач.
Термин "промышленный робот" появился в 70-е годы.
Первые роботы были выпущены фирмой АМF в 1962 г. в США, затем в: 1966 г. в СССР (ЭНИКМАШ); 1967 г. в Великобритании; 1968 г. в Швеции и Японии; 1971 г. в ФРГ; 1972 г. в Франции; 1973 г. в Италии.
Эти роботы представляли собой устройства, совершающие некоторые действия по заданной программе и не имели конкретного проеназначения и лишь в 1971 г. появились первые "современные" роботы промышленного назначения – промышленные роботы (ПР), а автоматизированные на их базе технологические комплексы — роботизированными технологическими комплексами (РТК). ПР составляют 90% всего парка роботов в мире.
Одной из главных причин создания ПР во всем мире является экономия средств, однако в СССР по данным за 1988 г. сроки окупаемости ПР в Минавтопроме составила 38 лет, а в Минтяжмаше – 196 лет. В 1985 г. в СССР было внедрено в производство около 600 ПР общей стоимостью 10 млн. руб., а эффективность их использования составила всего 0,2% в год, т.о общий срок окупаемости составил 500 лет.
За рубежом эффективность использования ПР естественно выше, а окупаемость соответственно – ниже, но эти цифры будут не существенно отличаться от данных приведенных по СССР (в 3-5 раз).
Вопрос: Почему данные по другим странам выгодно отличаются от данных по СССР? Почему такая низкая эффективность и что при этом обусловило их применение?
Ответ: 1. Заработная плата у иностранных рабочих выше, чем у рабочих в СССР. 2. Необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием при интенсификации производства и создании новых технологий:
– помимо внедрения в действующие производства ПР открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов и их использование в настоящем – это задел на будущее (как в оборонной отрасли).
– многие существующие технологические процессы связаны с обременительными ограничениями, налагаемыми на непосредственное участие человека. Это как ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности, быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемую для него комфортность условий труда (соответствующее качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. п.).
Основные термины и определения.
Манипулятор (М) – устройство, предназначенное для имитации двигательных и рабочих функций руки человека. Метод управления М может быть биотехническим (ручным), интерактивным (смешанным) и автоматическим.
К манипуляторам с ручным управлением относятся т.н. копирующие манипуляторы, телеоператоры и т.п. Первыми появились М с биотехническим управлением и были предназначены для работы с объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.).
Весь класс манипуляционных машин и механизмов, которыми занимается робототехника, имеет общее наименование «роботы и манипуляторы».
Определения, которые мы приводим даны в соответствующих отечественных ГОСТах. За рубежом в целом используют ту же терминологию. Исключение составляет только Япония, где в общее понятие «робот» включены ещё и все виды манипуляторов вплоть до ручных. Поэтому официальные японские данные о парке роботов, если при этом не делается соответствующих оговорок, оказываются завышенными в шесть-семь раз по сравнению с данными других стран.
Объект манипулирования – тело, перемещаемое в пространстве манипулятором (предметы обработки ПО, инструмент, захватный орган ЗО и т.д.)
Структурная схема манипулятора включает следующие элементы:
а) задающий орган ЗДО – предназначен для создания управляющих сигналов и движений;
б) исполнительный орган ИО – функциональная часть М, предназначенная для совершения действий по сигналам, создаваемым ЗДО;
в) связующий орган СО – предназначен для связи ЗДО и ИО, в принципе может отсутствовать;
г) рабочий орган РО – часть ИО, предназначенная для реализации технологического назначения М.
Рассмотрим биотехнический, интерактивный и автоматический манипуляторы в зависимости от типа ЗДО.
Биотехнические М могут быть копирующими, командными и полуавтоматическими.
В копирующих М движение РО повторяет движение, например, руки оператора. В командных – управление осуществляется по каждой из степеней подвижности в отдельности путем подачи соответствующих управляющих сигналов оператором. В полуавтоматических – ЗДО содержит механизм (рукоятку), который управляет несколькими степенями свободы и процессор, служащий для преобразования сигналов, поступающих от рукоятки, в команды.
Все биотехнические М характеризуются отсутствием памяти и требуют непрерывного участия оператора в процессе управления.
Автоматические М работают без участия человека. К ним относятся автооператоры АО, промышленные роботы и М с интерактивным управлением.
Автооператор – неперепрограммируемый автоматический М.
Промышленный робот – перепрограммируемый автоматический М.
Интерактивный М – робот, попеременно управляемый автоматически или оператором, оснащен устройством памяти для автоматического выполнения отдельных действий.
В зависимости от формы участия человека интерактивное управление может быть:
– автоматизированным, т.е. чередующим во времени автоматические и биотехнические режимы;
– супервизорным, в котором все части цикла операций выполняются автоматически и поэтапно, а переходы между этапами задаются оператором.
Диалоговое управление – разновидность интерактивного.
Поколения промышленных роботов. В настоящее время промышленные роботы делят на 3 основные группы (поколения):
1. Роботы первого поколения. К ним относятся неперепрограммируемые роботы, работающие по жесткой программе: механические руки и роботы с ЧПУ. Эти роботы характеризуются неспособностью адаптироваться к изменяющимся условиям работы и имеют постоянную программу движения не зависимо от наличия объекта манипулирования. Применяются для решения простых производственных задач, требуют жесткого порядка входа в систему (ориентации детали или инструмента в пространстве, заданного времени срабатывания, наличия защитных блокировок и т.п.). Это автооператоры и механические руки.
2. Роботы второго поколения. Это адаптивные, работающие по гибкой программе, оснащенные датчиками внешней среды и визуальными системами роботы. Для управления ими применяют микроЭВМ, микропроцессоры, а в последнее время – контроллеры. Эти роботы используются для решения более сложных задач, ПР 1-го поколения.
3. Роботы третьего поколения. К ним относятся интегральные, или интеллектные (интеллектуальные роботы), которые способны полностью адаптироваться к условиям работы и производства, обладают возможностью автоматического сбора и обработки информации. Управление осуществляется с промышленной ЭВМ с эвристической программой, где оператор программирует только конечную цель, а сами действия и их порядок определяет программа.
Важно отметить, что поколения ПР не сменяют друг друга, а дополняют и работают там, где это наиболее целесообразно.
ПР 1-го поколения способны заменить порядка 2% рабочих;
2-го поколения – 25-30%;
3-го поколения еще до 30%.
Состав и режимы работы роботов.
Функциональная схема ПР (Рис.1):
В состав ПР входят следующие основные части:
– манипулятор, или иначе механическая система робота;
– информационная система (ИС);
– система программного управления (СПУ), или иначе устройство управления;
В совокупности информационная система и система программного управления образуют устройство автоматического управления (УАУ).
Манипуляторы ПР содержат рабочий орган в виде захватного устройства (УЗ), сварочной головки, краскораспылителя и т.п. и механизмы, необходимые для выполнения всех его двигательных функций:
– передаточные механизмы;
– исполнительные механизмы;
– приводы;
– несущие элементы.
Рис. 1 – Функциональная схема ПР.
Исполнительный механизм ПР с приводом и захватным устройством называют рукой манипулятора (Р). Для перемещения М относительно технологического оборудования (ТО) используются устройства передвижения (УП).
Все манипуляционные устройства характеризуются маневренностью и коэффициентом сервиза (КС), под которым понимают возможность подхода РО к заданной точке с разных направлений. КС дает представление о двигательных возможностях М, т.е о его маневренности. Маневренность М – это число степеней подвижности при фиксированном положении РО, которая определяет возможность обхода манипулятором препятствий в рабочем объеме и способность к выполнению сложных операций.
Движения М подразделяются на группы. Так, например, движения М, снабженного наиболее распространенным в ПР РО в виде УЗ бывают следующих видов:
– ориентирующие перемещения УЗ, соизмеримые с его размерами;
– транспортирующие перемещения, определяемые размерами звеньев руки и соизмеримые с размерами рабочего объема;
– координатные перемещения на расстояния, превышающие размеры ПР и размеры рабочего объема.
Информация в лекции "5 Диаграммы взаимодействия" поможет Вам.
В состав ИС входят чувствительные (сенсорные) устройства внешней среды, система внутренней диагностики и устройства контроля и блокировок. ИС обеспечивает сбор, первичную обработку и перевод в СПУ данных о функционировании механизмов М робота и о состоянии внешней среды.
СПУ предназначена для формирования и выдачи управляющих воздействий исполнительным механизмам М в соответствии с управляющей программой.
Под перепрограммируемыми устройствами СПУ понимают такие, которые обеспечивают изменение последовательности и (или) значений перемещений по степеням подвижности и управляющих функций на пульте управления. Это изменение управляющей программы может быть выполнено автоматически или при помощи оператора.
СПУ содержит: пульт управления (ПУ), с помощью которого оператор осуществляет ввод и контроль задания; запоминающее устройство (ЗУ), в котором хранится вся необходимая информация, включая программы работ; вычислительное устройство (ВУ), реализующее алгоритм управления манипулятором; блок управления приводами (БУП) механизмов манипулятора.
Из схемы видно, что ПР и ТО включены в единый цикл работы и содержат общий пульт управления всем ТП.
Возможны два варианта режима работы ПР: режим программирования (режим обучения), при котором в запоминающее устройство вводится управляющая программа, и режим выполнения технологических операций (режим работы).
