Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 69
Текст из файла (страница 69)
м Рис. 7.1. Зоны тактильного очувствления робота: 1 — рабочий стол; 2, 4 — запястье и шарнир манипулятора; 3 — плечевой сустав; 5— губки захватного устройства; 6 — основание манипулятора Силомоментныс информационные системы используют для определения возникающих в зоне контакта силовых факторов в целях ее распознавания. Принципы построения таких систем предполагают «локализацию» сенсорной функции, т. е. оснащение датчиками сравнительно небольшого объема манипулятора или объекта манипулирования (внешней среды).
При этом механическую жесткость системы «манипулятор — объект» полагают достаточно высокой, чтобы ее упругость «сосредоточивалась» непосредственно в датчиках, т. е. в местах разрыва кинсматической цепи. Датчики сил и моментов, или многокомпонентные силомомен>пные датчики (СМД), используют для нахождения силовых параметров в зоне контактного взаимодействия в векторном пространстве силовых факторов. В отличие от них тактильные датчики служат для определения характеристик контактного пятна в целях получения тактильного образа. Их структура инвариантна к жесткости системы «манипулятор — объект» и построена по принципу информационных поверхностей. Тактильные датчики применяют для геометрического распознавания внешней среды в двух- и трехмерном геометрическом пространстве. 7.2.
Контакт и его особенности В общем случае процесс обработки тактильной информации в робототехнике состоит из четырех этапов: обнаружение контакта„его локализация в пространстве, измерение контактных усилий и распознаванис тактильного 7.2. Контакт и его особенности образа (или контактной ситуации). Контактное взаимодействие объектов в общем случае характеризуется шестикомпонентным вектором Р = = ($~, Мо)', действующим в некоторой системе координат, как правило, не т т связанной с роботом, Здесь Ео = (Ед Гу Р' ) Мо (М Му М~) — вектор сил и вектор моментов соответственно.
Вектор Р получил название главного вектора контактных сил и моментов. Применительно к операциям, например сборочного типа, он образуется системой сил, возникающих в точках контакта объектов сопряжения. Для упрощения модели сборки обычно ограничиваются рассмотрением цилиндрических объектов, контакт которых полагают точечным.
При этом допущении в зависимости от ширины зазора ЛИ = (Ив — ~~отв), где дв, д „, — диаметр вала и отверстия соответственно, и несоосности В (угла между осями вала и отверстия), число точек контакта в процессс сопряжения изменяется от одной (в момент касания) до двух. Будем считать, что оси вала и отверстия лежат в одной плоскости (не скрещиваются). Тогда каждую силу в точке контакта можно разложить на две составляющие: нормальную к поверхности детали силу Р;, и касательную к этой поверхпосги силу трения Е . Эти силы связаны между собой соотношением '~н ~тр ~тр где кт — коэффициент трения.
Заметим, что значения контактных сил при сопряжении варьируются в широких пределах, и при некоторых их значениях может возникнуть заклипивание. В этом случае контактные силы уже неоднозначно завйсят от приложенных сил и моментов; в системе возникают внутренние напряжения, приводящие к деформации сопрягасмых объектов Поэтому при сборке с помощью силомоментной системы ситуацию заклинивания будем считать недопустимой. Это возможно, если в<в пзвх тр в В операциях типа абразивная обработка контакт всегда подразумевается одноточечным. В точке контакта абразивного круга с деталью возникает сила, являющаяся равнодействующей двух составляющих: силы резания Рр, направленной по касательной к контуру детали, и силы прижатия Р'„, действующей но нормали к ней.
Для плоской поверхности имеем ~р ~трал > где й. = 0,3...1,0 и зависит от материалов детали и абразивного круга, а также скорости его вращения. При абразивной обработке обычно стремятся добиться равномерного удаления материала. Это, в свою очередь, требует поддержания в заданных пределах как силы резания Ер, так и скорости подачи абразивного круга. Для автоматизации указанных операций, как правило, приходится переводить силовые факторы из одной системы координат в другую.
В роботс такой системой координат является система Оху~, связанная со стойкой манипулятора. Выполним приведение некоторого вектора сил Р из системы координат О1х~у~~~ в систему координат Оху~, где О~ — точка контакта объектов. Пусть компоненты вектора Р измеряются трсхкомпонентным датчиком силы, связанным с системой координат О~х~уд. Заметим, что для приведения вектора сил в систему координат. Оху~ необходим также трехкомцонентный датчик положения, определяющий координаты точки контакта относительно системы, Охуя.
В системс координат ОХ~7 возникают следующие силовыс факторы: ГО=к;МО=КР, или ~ГО,, ГО „КО,) = ~Г, Г~, К,); Ох~ Оу~ О1) '~ е ~~> у Д~ х ~Й 2 ~х~ у /х х где МΠ— вектор моментов сил Е; Ку = (Р~~, Рд„К~д) — радиус-вектор, проведенный из центра системы координат Охи в центр системы координат О~ х~ у~ ~~. Таким образом, компоненты вектора момента вычисляются через компоненты вектора силы Г и проекции точки его приложения в. системе координат Оху~. Нетрудно видеть, что РО МО + гО МО, + гО МО, — — О. Тогда, установив шестикомпонентный СМД в основание робота, т.
е. связав его с системой координат Оху~, можно вычислить точку контакта объектов по измеренным значениям РО. ~В частном случае использованис трсхкомпонентного датчика силы позволяет найти центр тяжести плоской детали.) 7.3. Принципы силомоментного очувствления роботов Системой силомоментного очувствления ~ССО) робота называется информационная система, которая включена в его контур управления и предназначена для измерения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на схват или инструмент манипулятора, и формирования логического или непрерывного управляющего воздействия на исполнительный механизм в проекциях на связанную со схватом систему координат.
Типовая структура ССО приведена на рис. 7.2, В отличие от СТЗ вычислительные средства ССО обычно размещены в конструкции манипулятора и построены на базе контроллеров и однокристальных ЭВМ. 330 7, 3. Принципы еилачомеюиного очувствленин роботов Рис. 7.2. Типовая структура ССО робота: !, 2 — - запястье и ~парпир манипулятора; 3 — захватное устройство Современные ССО подразделяют по трем основным признакам: 1) по принципу измерения компонент главного вектора сил и моментов — системы прямого измерения (включают СМД, устанавливаемый в разрыве кинематической цепи) и системы косвенного измерения (используют вариации моментов нагрузки в приводах); 2) по способу очувствления — «очувствленный» манипулятор и «очувствленная» среда; 3) по способу включения в систему управления — управляется непосредственно манипулятор робота и управляется автономный модуль.
С учетом этого деления различают пять типовых вариантов построения ССО (табл. 7.1). Так, например, первый вариант построения ССО предполагает управление манипулятором с помощью установленного на нем СМД. Рассмотрим эти варианты подробнее. Таблица 7.1 Варианты построения ССО роботов В общем случае определение реакции между предметом в захватном устройстве робота и некоторой поверхностью (при абразивной обработке) или двумя предметами (при сборке) возможно несколькими способами. Чаще всего применяют способ прямого измерения с «очувствлением» рабочей среды (в этом случае объект устанавливают на оснащенную датчиками платформу) или «очувствлением» захватного устройства робота (губок или 7. Системы такптльпога типа запястья), а также способ косвенного измерения, когда информацию об усилиях, действующих на приводы робо'га, получают через следящую систему.
Способ «очувствления» рабочей среды был разработан в Стенфордском исследовательском институте (СШЛ) П. Уотсоном и С. Дрейком для сборки цилиндрических объектов. Объекты устанавливали на динамометрическую платформу, представляющую собой три одинаковые квадратные пластины размером 400х 400 мм и толщиной 25 мм. Пластины соединяли между собой упругими опорами с тензорсзисторами, причем деформация каждого тензорезистора происходила под действием двух или трех компонент главного вектора сил и моментов (рис; 7,3). Тензорезисторы включали в потенциометрические схемы с функций преобразования вида У; =-5',Р~, где с/;— выходное напряжение с ~'-й схемы; 5', — ее чувствительность, / = 1, 2, ..., 8„' /г = 1, 2, ..., б.
Тогда, обозначив длину платформы через /, получим Р' =Уз/5~+У6/Бв,' Г. =У5/55+07/57,' /г ' ~ ! /5~ +1./2/~2 +('3/53+с/4/54 М„. = 1(У~ /5~ + У4/54) — (У~/52 + (/3/53)~//2; Му = ~%%+ ~/~/52) -(~/3/53+ ~/4/54)1//2*' М, = ~(Уб/56 + И7/Ь7) — (~/5/55 + Из/ЦЯ/2. Рис. 7.3. Динамомегрическвя платформа (У~ — Уз — сигналы с датчиков) При сопряжении установленных на платформе объектов возникает некоторая сила,.координа.гы гочки приложения Р которой можно определить по формулам Указанные зависимости можно использовать при формировании закона управления роботом при сборке цилиндрической пары.
Дсйс.гвительно, в 7.3. Принггггггы свлолгочввтвога ачувствлепия роботов процессе сопряжения объектов положение центра тяжести пары меняется, вызывая изменение показаний тензорезисторов: ~х ~у 0 ~г (~!% +~2%+~3'~3+~4 54> М = !.(г" ! ~5! + г-'4 /54) (У2 ~52 + УЗ~53).!г 'г2*' гну И~!'Ж +~2~'52) 6~3~~3+(~4г'54)1~~21 Му Для упрощения расчетов будем считать, что чувстви гельности 5, всех измерительных схем одинаковы. Тогда координаты проекции цснтра тяжести в плоскости хоу будут соответственно: г-~! +~'г2 ('~3 =~4 . ~ ~!+~4 ~2 ~ 3 Хц ' Уггг = 2 и!+и +иЗ+и4 2 У!+У2+г.'3+г'г4 Недостатком рассмотренного способа «очувствления» рабочей среды является появление значительньгх динамических ошибок из-за инерционности динамометрических платформ. (Масса рассмотренной платформы составляет около 25 кг.) Кроме того, такой подход усложняет организацию рабочего пространства робота.
Способ «очувствлснного» захватного устройства предполагает использование многокомпонентных СМД, расположенных максимально близко к зоне, в которой возникагот контактные силы. Первые эксперименты по использованию СМД в робототехнике были проведены в 80-х годах ХХ в. К. Розеном, Р. Грумом и А. Ьей"гси в США и Т. Гото в Японии. В качестве тестовой операции рассматривалась сборка цилиндрической пары типа «вал — втулка», Исследование этой операции привело к появлению трех основных конструктивных схем: активной силомоментной адаптации, пассивной аккомодации и адаптивного запястья. Наиболее распрос.граненной являстся схема активной силомоментной адаптации, в соответствии с которой СМД представляет собой совокупность упругих и чувствительных элементов, измеряющих силовые факторы по трем осям связанной с ним системы координат.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
