Структура и геометрия манипуляторов

Структура кинематических цепей довольно разнообразна и различается числом звеньев видами и расположением кинематических пар с различной подвижностью. Наиболее распространенным являются следующие схемы (рис. 3, а - г).

В

(Рис.3) Схема копирующего манипулятора

них используются как одноподвижные вращательные и поступательные пары, так и сферические. Сферические пары иногда заменяются тремя вращательными парами, оси которых пересекаются в одной точке. Каждый манипулятор характеризуется рабочим объемом, т. е. объемом, ограниченным поверхностью, огибающей все возможные положения захвата. Например, рабочий объем манипулятора (рис. 3, а) ограничивается сферой с радиусом, равным максимальной длине кинематической цепи, что показано на рис. 4.

Маневренность манипулятора – это число степеней свободы кинематической цепи при неподвижном захвате. Например, манипулятор по схеме рис. 3, а имеет m = 1; по схеме на рис. 3, б, в – m = 0. Повышение маневренности позволяет выполнять более сложные движения и увеличивает свободу действий оператора при управлении. Фактически, маневренность равная единице означает, что к заданной точке в заданном направлении схват может п одойти при различных положениях остальных звеньев.

(Рис.4)

Часть рабочего объема, в котором можно выполнять операции с объектом манипулирования, называют зоной обслуживания, или рабочей зоной. Так для манипулятора по схеме на рис. 3, а рабочая зона – пространство между сферами радиуса R1 и R2 (теоретически) (рис. 4). Практически, это часть пространства, определяемая конструкцией манипулятора. Каждая точка рабочей зоны характеризуется т. н. углом сервиса ψ – это некоторый телесный угол внутри которого схват может подойти к этой точке (мерой телесного угла является площадь, вырезаемая им на сфере единичного радиуса, с центром в вершине, а сам угол – это часть пространства, ограниченная прямыми, проведенными из одной точки (вершины) по всем точкам какой-либо замкнутой кривой). Отношение называется коэффициентом сервиса, значение которого может

Изменяться (рис. 5). По графикам θ(R) оценивают возможности той или иной кинематической схемы манипулятора.

К техническим показателям, характеризующим манипуляторы и промышленные роботы, относятся также: грузоподъемность, быстродействие, точность позиционирования, (определяемая разбросом положений руки ПР при выполнении одной операции) энергетические затраты.

(Рис.5)

Механика промышленных роботов

Кинематическая структура и двигательные возможности ПР определяются видом и последовательностью расположения кинематических пар. Обычно различают глобальные, региональные и локальные движения. Наличие возможности глобального перемещения обеспечивает мобильность робота, в противном случае он стационарен.

Региональные движения относятся к внутриоперационным, а локальные

обеспечивают ориентацию и точность позиционирования. Использование различных комбинаций кинематических пар 5-го класса позволяет получать схемы ПР, работающих в прямоугольной, цилиндрической, сферической рабочих зонах (рис. 6). Основным требованием при выборе варианта схемы

м

(Рис.6)

анипуляционной системы ПР является обеспечение возможности выведения рабочих органов робота в любую точку заданной рабочей зоны с требуемой точностью. Это, как правило, требует не менее шести степеней подвижности и более (с учетом подвижности захватных устройств). Чем больше степень подвижности, тем больше возможностей проникновения в труднодоступные области рабочей зоны. Поэтому требуется некоторая избыточность степени подвижности, хотя это и усложняет конструкцию и уменьшает точность.

Анализ возможных компоновок ПР позволяет обосновать обобщенную структуру манипуляционной системы, состоящую из следующих основных элементов (модулей): основание; колонна, закрепленная на основании; рука (руки), крепящаяся к колонне; кисть,

крепящаяся к руке; технологические механизмы, крепящиеся к кисти; захватные устройства или другие рабочие органы, крепящиеся к кисти. Для подвижных ПР добавляется тележка напольного или подвесного исполнения.

Для быстрой переналадки требуются унифицированные элементы сопряжения в соединениях «рука – кисть – технологический механизм –

захватное устройство», что позволяет изымать промежуточные элементы, не требующиеся в конкретном случае. Модульный принцип, или принцип агрегатирования позволяет формировать робот из законченных машинных агрегатов, содержащих как обычные приводные устройства и механизмы, так и энергетические и информационные. Каждый модуль обеспечивает одну или несколько степеней подвижности робота. В частности комбинация из трех модулей прямолинейного перемещения позволяет получать компоновку робота РПМ-25, работающего в декартовой системе координат. Использование модуля вращения дает компоновку с рабочей зоной в цилиндрических координатах, а при использовании модуля качения получаем компоновку в сферической системе координат. Число комбинаций модулей достигает 100 и более. В модулях используются различные винтовые передачи, червячно-зубчатые редукторы высокой точности (безлюфтовые), самотормозящие муфты дискового типа и т. д. Привод основных движений – электрический с обратной связью по положению и скорости.

Управление – тиристорное. Привод операционных механизмов – пневматический.