Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 70
Текст из файла (страница 70)
Впервые подобный датчик, разработанный в 1951 г. В; Шейнманом (США), использовали для измерения сил резания в металлообработке. Позднее СМД стали применять для угграшгения приводами исполнительного механизма. Так, использование схем активной силомоментной ада!! гации позволило избежать заклинивания деталей при сборке цилиндрической пары, и в 1976 г. П. Уотсон (США) осуществил установку цилиндра диаметром 40 мм в отверстие с допуском 15 мкм за 0,2 с. Схема пассивной аккомодации предназначена для сборочных операций и основана на построении СМД в виде пассивного центрирующего устройства. В этом случае измерения силовых факторов не проводятся, а сопряжение объектов осуществляется благодаря специальной конструкции центрирующего устройства.
Наиболее извесгная коне"грукция, названная устройством с вынесеггггым ггеггигром податливости, или КСС (от англ. Нетоге Сеп~ег Сопгрйапсе), была разработана в 1972 г. Ч, Дрейпером (США), ЗЗЗ 7. Системы таппильного пипа Устройство, закрепленное в запястье манипулятора, состоит из двух функциональных модулей: силового,- представляющего собой упругий параллелограмм, и моментного в виде упругого треугольника (рис. 7.4, а). Упругие элементы, в качестве которых используют штыри на упругих шарнирах, испытывают деформации изгиба под действием четырех компонент главного вектора сил и моментов: Е„„Е„, М„и М,.
В ненагруженном состоянии фокус 4, являющийся точкой приложения силовых факторов и совпадающий с точкой контакта объектов, находится на оси захватного устройства. При действии компонент Р,. и Р;, деформируются упругие элементы силового модуля, смещая фокус в направлении действующей силы ~рис. 7.4, б). При возникновении моментов М,. и М,, происходит деформирование упругих элементов моментного модуля и ось устройства поворачивается относительно оси симметрии на некоторый угол ~рис. 7,4, в), В результате действия указанных силовых факторов фокус всякий раз перемещается в направлении действующей компоненты. В настоящее время существует много модификаций схемы КСС.
В большинстве из них вместо штыревых упругих элементов применяют эластомсрные конструкции ~рис. 7.4, г). Достоинством средств пассивной аккомодации типа КСС является возможность «слепой» сборки цилиндрических объектов при начальных рассогласованиях до 1...3 мм и 2...5 и простота конструкции.
В то жс время этот подход не. позволяет проводить операции, требующие обеспечения заданных значений сил и моментов; кроме того, он применим преимущественно для осевой сборки. Схема адаптивного запястья, учитывающая достоинства обоих подходов, связана с использованием систем активно-пассивной адаптации. Она была разработана сотрудником фирмы Н11асЫ ~Япония) Т. Гото в 1982 г. Как и в схеме пассивной аккомодации, упругие элементы здес выполнены в виде эластомеров, однако их деформация измеряется с помощью ЧЭ. Датчики, построенные по схеме адаптивного запястья, используют в сборке деталей типа «вал — втулка» с допусками менее 2 мкм, при абразивной обработке и других операциях с замкнутой кинематической цепью.
Наконец, способ косвенного измерения вообще не требует никакого дополнительного оснащения манипулятора. Заметим, что если робот содержит приводы с обратимыми редукторами, то любая сила, действующая ниже некоторого ~-го сочленения исполнительного механизма (т. с. в сочленениях ~ — 1, ~ — 2, „О), оказывает влияние на все движущие моменты„управляющие сочленениями выше данного 1~ = ~ + 1, ~ + 2, ..., Щ Тогда внешнее воздействие можно определить.
измеряя разность между моментами в приводах при его наличии и отсутствии. Поскольку в большинстве приводов роботов используяот двиГатсли постОяннОГО тока, то эти момснты мОжнО измерить косвенна через токи цепи якоря. Для состояния равновесия справедливо выражение М, +М, =О. 334 7.3. Принципы силоломентного очувел~вления роботов Рис. 7.4. Устройство с вынесенным центром податливости: а — схема; 6 — деформация устройства под действием силы; в — то же под действием момента; г — конструкция устройства; 1, 2 — упругие элементы силового и моментного модулей; 3 — - ось захватного устройства; 4 — фокус Здесь М, — вектор моментов в сочленениях, возникающих под действием веса звеньев робота; Мдв — вектор моментов в сочленениях, развиваемых двигателями.
Сила реакции Р внешней среды создает момент реакции М, и уравнение равновесия принимает вид М,+Мдв+М=О. Оба уравнения соответствуют одной и той же конфигурации манипулятора по, когда следящая система робота поддерживает заданные значения углов и = по. Используя принцип виртуальных работ, запишем Е~Ах = Май+ МдвАц, 7.
Системы тактильного типа Здесь Ах=Я~(ц)Лц;3(ц) — л~атрииа Якоби, связывающая пространство задачи с пространством обобщенных координат. Тогда Следовательно, внешняя сила Р может быть вычислена косвенно через моменты в приводах Мл, при известной кинематической схеме манипулятора Л(ц). Заметим, что когда манипулятор принимает вырожденную конфигурацию, при которой де1 Дц) = О, проводить измерения нельзя. Этот подход, предложенный Р. Полом для сборки узлов водяного насоса в 70-х годах ХХ в. в проекте «ЯапГогд Агп1», вызвал большой интерес и был развит впоследствии Х.
Иноки, П. Борелем и другими. Однако очевидное достоинство способа, связанное с его практичностью и дешевизной решения, нс компенсируется недостатками, важнейший из которых — изменение статических моментов в сочленениях манипулятора в зависимости от его конфигурации, наличия груза, упругости в шарнирах и др. Все это требует очень точного моделирования динамики, манипулятора.
7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов В настоящее время более 80 крупных фирм выпускают СМД для роботов. Как правило, во всех датчиках осуществляется разложение многокомпонентного вектора Г по компонентам вектора электрических сигналов б. Дальнейшее преобразование. информации, в том числе и формирование управляющих воздействий в систему управления роботом, реализуется либо непосредственно в датчике («интеллектуальный» СМД), либо в управляющем процессоре системы управления роботом. 7.4Л. Коиструктивиые схемы датчиков Структурно СМД представляет собой многоканальную измерительную систему в виде совокупности упругих и чувствительных элементов, специальным образом.
ориентированных в пространстве. Процедура преобразования информации в СМД,заключается в получении вектора электрических сигналов $3, компоненты которого прямо пропорциональны компонентам главного вектора Р сил и моментов. Следовательно, функцию.преобразования СМД можно описать выражением $3 = Я Е, где 8 — матрица чувсевительности. Данное преобразование реализуется тремя функциональными блоками — механическим преобразователем, блоком ЧЭ и измерительной цепью.
Первый блок осуществляет преобразование вида где С вЂ” матрица жесткости датчика (бхб); К вЂ” вектор перемещения центра измерсний (бх 1) (центром измерений обычно считают центр тяжести или центр симметрии датчика). 7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов Далее деформация упругих элементов СМД вызывает изменснис импе- данса связанных с ними ЧЭ, которое с помощью измерительной схемы преобразуется в выходное напряжение: б =ВСЕ.
Размерность матрицы Я определяется количеством ЧЭ датчика. Включение такой многоканальной системы в контур управления робота существенно влияет на его динамические характеристики и точность. Особенно большое влияние оказывает конструкция СМД, представляющая собой многомерную пружину, через которую осуществляется замыкание кинематической цепи манипулятора. Поэтому к датчикам ССО предъявляют как традиционные, так и частные требования. К первым относят погрешность нелинейности не выше 0,5%, быстродействие ~время преобразования) не более 0,01 с, а также малую массу и вес.
Среди вторых необходимо отметить избирательность и жесткость. Требование избирательности регламентирует значение коэффициента влияния Л' ~так называемый уровень перекрестных связей между каналами измерения). Для уменьшения Л' конструкцию выполняют механически избирательной, т. е. датчик должен быть более податлив к действию измеряемой компоненты главного вектора сил и моментов. Значение Л' не должно превышать 5 %. Требование жесткости конструкции ограничивает собственную частоту колебаний СМД. Датчик с прикрепленным захватным устройством образует колебательную систему с шестью степенями свободы, Низшая собственная частота колебаний «с должна быть достаточно велика по сравнению с частогами„отрабатываемыми манипулятором.
Собственную частоту измерительного канала определяют по формуле где и = Ид — характерная масса нагрузки, Значение«с должно быть нс менее 50 Гц. В СМД при расчете характерной массы можно использовать не только силовыс, но и моментныс компоненты главного вектора нагрузки. Связь между ними описывается выражением М = Я„„~, где 1,~„— характерное плечо нагрузки, как правило, равное расстоянию от центра измерений датчика до точки приложения силы и приблизительно соответствующее длине захватного устройства. Параметр 1„, также является одной из характеристик СМД, определяющих целесообразность включения конкретного датчика в кинематичсскую цепь манипулятора.
Так, если грузоподъемность манипулятора равна К„,~, а длина захватного устройства 1„,Р, то максимальный 337 7. Системы тактильного типа измеряемый момент должен составлять Мп,„= Р' 1„, . У СМД выделяют две характерные длины 1хар~ ~1хшах ~умах 1хар2 1~1утах ~хнах ' причем каждая из них обычно меньше 1„, . При построении ССО робота это обстоятельство необходимо учитывать и стремиться выбрать такой СМД, у которого 1~~др1 = 1~~др2 = 1>~др. Как уже отмечалось выше, функция преобразования СМД имеет вид (3 = Б Г и, следовательно, Е = Я ~$3, где Я ~ — матрица, обратная матрице чувствительности Я.
Вид матрицы Я в общем случае зависит от конструкции СМД. Если число компонент вектора Р не равно числу компонент вектора $А т. е. матрица Б не квадратная, а прямоугольная с размерностью 1п х 6), где и — число компонент вектора электрических сигналов, то расчеты проводят на основании псевдообратной матрицы Я ~ = (Я~Я) Ь~.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
