Лосев_ПЗ (1191585), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

– методические рекомендации по выполнению лабораторных работ.

Состав основного изделия, а именно роботизированной платформы:

– Манипулятор с пятью степенями подвижности под управлением контроллера Arduino;

– оптические датчики базирования плеч манипулятора;

– доска для разметки системы координат;

– поворотная платформа-конвейер карусельного типа;

– дополнительные многофункциональные захваты для манипулятора.

Стоимость изделия: 423 тысячи 600 рублей.

1.2.3 Выводы по результатам обзора

В результате обзора рынка и учета особенностей было установлено, что на текущий момент у высших учебных заведений есть два пути решения существующей проблемы, а именно отсутствия технического обеспечения и наглядных лабораторных стендов для изучения основ робототехники:

– приобретение дорогой готовой системы «под ключ» в коммерческой организации. Следует отметить, что присутствие компаний-разработчиков таких продуктов на рынке говорит о том, что интерактивные роботы действительно востребованы и имеют своих покупателей;

– создание собственного макета интерактивного обучающего робота и его сопровождение.

Рассматривая ДВГУПС как потенциально нуждающуюся организацию, следует упомянуть два важных обстоятельства:

– в университете уже имеется свое конструкторское бюро, способное производить весь цикл разработки – от проектирования моделей до сборки готовых конструкций;

– среди факультативных занятий можно найти дисциплины, связанные с конструированием роботов и программированием микроконтроллеров.

Таким образом, ДВГУПС имеет образовательную и техническую базу для создания собственных макетов интерактивных обучающих роботов, и выполнение ВКР на данную тему является востребованной работой.

1.3 Принципы и этапы проектирования корпусов интерактивных
обучающих роботов

Так как одной из целей макета обучающего робота является создание опытного образца для последующих конструкторских проектов других студентов, макет должен разрабатываться в соответствии с планом создания полноценного робота.

Укажем основные этапы проектирования корпусов роботов в хронологическом порядке, которые будут служить планом для дальнейшего выполнения практической части ВКР. Данные этапы, в целом, удовлетворяют процессу создания любого специализированного робота [4], в том числе и макета лабораторной установки.

1. Определение требуемых функций, составление технического задания, создание эскизов будущего изделия.

Заинтересованные лица определяют техническое задание, согласовывают функционал будущего робота, его общие характеристики.

2. Создание трехмерных моделей деталей по эскизам.

На основании идеи, а также необходимых стандартов и технических расчетов, инженер выполняет моделирование механических узлов и деталей корпуса. При этом необходимо учитывать особенности технического процесса воспроизведения деталей уже на этапе моделирования.

3. Прототипирование.

Данный этап включает в себя производство образцов наиболее сложных узлов корпуса, проверку выбранных допусков при моделировании, установление особенностей пластика, исправление недостатков (если выявлены).

4. Финальная проверка моделей, выбор ориентаций деталей при печати, подготовка к печати.

На данном этапе детали конвертируются и подготавливаются к воспроизводству, будь то 3D-принтер, фрезеровальный или токарный станок.

5. Воспроизводство всех деталей сборного корпуса.

6. Обработка деталей (если требуется).

7. Сборка макета.

Следует отметить, что, согласно теме дипломного проекта, из этапов создания робота выше приведен лишь план, касающийся создания деталей и механизма макета. Для получения полностью рабочего робота его необходимо оснастить электронными компонентами и запрограммировать.

1.4 Теория проектирования механических манипуляторов

1.4.1 Виды манипуляторов

Манипулятор в механике – это механизм для управления пространственным положением орудий, объектов труда и конструкционных узлов и элементов [6].

Термин «многозвенный манипулятор» (многосуставной манипулятор) практически имеет тот же смысл, что и термин «манипулятор с несколькими степенями подвижности» [2].

Тело имеет n степеней подвижности, если оно способно совершать ровно n различных независимых видов перемещений в пространстве. В робототехнике это понятие используется в качестве количественной характеристики сложности конструкций манипуляторов и захватных устройств. При этом при подсчете степеней подвижности манипулятора принято не брать в расчет захватное устройство на конце. Пример на рисунке 1.4 представляет манипулятор с шестью степенями подвижности.

Рисунок 1.4 – Чертеж промышленного манипулятора

С точки зрения проектирования механизма, распространены два типа решений [6]:

1. Двигатели располагаются местно, по одному двигателю в зоне каждой из осей манипулятора.

Этим решением пользуется подавляющее большинство современных промышленных роботов-манипуляторов. На рисунке 1.4 представлен манипулятор именно этого типа. При таком подходе к проектированию, чаще всего, звенья манипулятора приводятся в движение с помощью электродвигателей, расположенных прямо в шарнирах манипулятора. Достоинства этого способа:

– простота организации преобразования электрической энергии в работу звена манипулятора;

– надежность конструкции;

– снижение количества движущихся частей;

– независимость углов в каждом шарнире манипулятора при движении.

Недостаток – двигатели, находящиеся не на конце манипулятора, совершают помимо полезной работы также работу по перемещению других электродвигателей в пространстве.

Данный недостаток особенно значителен в ситуациях, когда масса электродвигателей велика в сравнении с массой звеньев манипулятора в целом. Если такая реализация не эффективна, на помощь приходит второе решение:

2. Двигатели располагаются у основания манипулятора, а для передачи усилия к шарнирам используются механизмы.

В роли таких механизмов чаще всего выступают рычаги, реже тросы (блочная система). Манипуляторы, приводимые в движение с помощью гидравлики или пневматики также можно отнести к этой группе. При таком подходе проектирования, усилия от двигателя передаются шарниру не напрямую, а через одно или несколько дополнительных звеньев или механизмов. В компактных манипуляторах незаменимое преимущество решения – большая свобода в размещении редукторов, возможность многоэтапного повышения усилия, передаваемого на шарнир.

Многозвенные промышленные манипуляторы в подавляющем большинстве случаев имеют пары шарниров, оси которых расположены перпендикулярно друг другу. Такое расположение позволяет захвату манипулятора оперировать в пространстве, перемещаясь в любом направлении.

Наличие шарниров, не являющихся соосными друг другу, затрудняет передачу механического усилия в одни шарниры через другие. В этом случае гораздо рациональнее располагать двигатели местно.

Однако, при проектировании небольших роботов местная установка электродвигателей зачастую нецелесообразна в виду описанных выше проблем с массой манипулятора, а также громоздкостью крепления двигателей в малые по размерам шарниры. Большую популярность среди конструкторов простых интерактивных роботов имеют, так называемые, плоские манипуляторы.

Плоский манипулятор – это манипулятор, оси всех основных шарниров которого параллельны друг другу [6]. Это качество ограничивает подвижность всех звеньев плоскостью, откуда и берет свое начало данное название.

Рисунок 1.5 – Плоский манипулятор с пятью степенями подвижности

Плоские манипуляторы надежны, прочны, просты в проектировании и сборке. Они находят применение в различных отраслях машиностроения. Например, бетоноукладочная машина чаще всего снабжается именно плоским манипулятором (рисунок 1.5). Данный вид манипуляторов используется на большинстве макетов интерактивных обучающих роботов.

1.4.2 Расчет параметров плоских манипуляторов на стадии проектирования

Для проведения механического анализа плоских манипуляторов в большинстве случаев не требуется сложных комплексных расчетов. Очевидной заменой при расчете таких систем является представление манипулятора в качестве плоского рычажного механизма с некоторыми известными и неизвестными параметрами. Такой подход позволяет перейти к решению стандартной задачи по механике.

Наиболее распространенной из них является нахождение значения предельно допустимой нагрузки на звенья манипулятора. В обратной формулировке задача звучит так: «какой крутящий момент необходимо развить в шарнире, чтобы обеспечить движение звена?».

Для решения задачи в обратной формулировке воспользуемся формулой (1)

, (1)

где – ускорение свободного падения, – масса самой отдаленной от шарнира точки звена (материальной точки), – максимальное отдаление точки от оси шарнира и - угол между землей и прямой, соединяющей ось шарнира и материальную точку.

Расчет шарниров производится по направлению от основания манипулятора к его концу. Каждый шарнир рассчитывается отдельно, вся расположенная после него масса заменяется материальной точкой на определенном удалении.

Крайне важно точно определить длину рычага для каждого рассматриваемого шарнира. Если производится расчет, например, первого звена, очевидно, что угол между звеном 1 и 2 не является известным параметром задачи. Углы между звеньями необходимо зафиксировать для придания системе статической определенности. Положение звеньев выбирается по следующему принципу – расстояние от анализируемого шарнира до материальной точки должно быть настолько большим, насколько это позволяет конструкция звеньев. Таким образом, будет произведен расчет критического случая. При других углах между звеньями необходимый крутящий момент гарантированно будет иметь меньшее значение.

Такой упрощенный метод анализа можно применять только в том случае, когда прочность самих звеньев на изгиб и деформацию значительно превышает максимальные нагрузки, которые могут возникнуть в ходе штатной работы. В других случаях требуется расчет не только усилий шарниров, но и прочностных характеристик каждого звена.

2 Программные и технологические средства
разработки корпуса робота

2.1 Системы автоматизированного проектирования

Система автоматизированного проектирования (САПР), CAD – организационно-техническая система, входящая в структуру проектной организации и осуществляющая проектирование при помощи комплекса средств автоматизированного проектирования [10]. Такой комплекс средств реализует информационную технологию выполнения функций проектирования, автоматизирует процессы, связанные с проектированием и сопровождением.

В широком смысле, система состоит из персонала и комплекса технических, программных и других средств автоматизации его деятельности. В английском языке зачастую используется аббревиатура CAD (англ. computer-aided design), подразумевающая использование компьютерных технологий в проектировании. Однако в ГОСТ 15971-90 это словосочетание приводится как стандартизированный англоязычный эквивалент термина «автоматизированное проектирование» [20]. Понятие CAD не является полным эквивалентом САПР, как организационно-технической системы. Термин САПР на английский язык может также переводиться как CAD system, automated design system, CAE system.

Характеристики

Список файлов ВКР