2. Основные понятия и определения в мехатронике.

Современный термин «Мехатроника» был введён фирмой Yaskawa Electric в 1969 году и зарегистрирован как торговая марка в 1972 году. Уже в 1980 году термин «Мехатроника» утверждается в мировой и технической литературе как название целого класса машин с компьютерным управлением движением. Наличие трёх обязательных частей - механической (точнее электромеханической), электронной и компьютерной, связанных энергетическими и информационными потоками, явилось первичным признаком, отличающим мехатронные системы. Характерно, что электрическая, гидравлическая или пневматическая энергия используется в современных мехатронных системах как промежуточная энергетическая форма с управлением на основе принципа обратной связи.

2.1. Основная терминология мехатроники.

В современных мехатронных системах используются следующие ключевые слова и терминология:

Автоматическая линия − совокупность машин-автоматов, соединенных между собой автоматическими транспортными устройствами и предназначенных для выполнения определенного технологического процесса.

Входной сигнал − сигнал, подаваемый на вход системы управления машины.

Выходной сигнал − сигнал, полученный на выходе системы управления машины.

Д^’Аламбера принцип – один из принципов динамики, согласно которому приложенные к точкам материальной системы «задаваемые» (активные) силы могут быть разложены на «движущие» силы, сообщающие точкам системы ускорения, и на «потерянные» силы, уравновешивающиеся противодействиями (реакциями) связей.

Д^’Аламбера – Лагранжа принцип, объединяющий принцип возможных перемещений и принцип Д^’Аламбера. Согласно этому, если к действующим на точки механической системы активным силам присоединить силы инерции, то при движении механической системы с идеальными связями сумма элементарных работ активных сил и сил инерции на любом возможном перемещении системы равна нулю. Д.–Л. принцип выражается равенством, которое называется общим уравнением механики:

где F_i, m_i, a_i, δs_i – соответственно активная сила, масса, ускорение и возможное

перемещение i-й материальной точки системы;

α_i и β_i – углы между направлениями соответствующих сил и возможных

перемещений;

n – число материальных точек.

Этот принцип, позволяет изучать движение системы с идеальными связями, не вводя в уравнение неизвестные реакции связи.

Информационное устройство предназначено для сбора и передачи в устройство управления информации о фактическом состоянии внешней среды и движущейся мехатронной машины.

Манипулятор − это управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом (обычно захватным устройством). Система управления манипулятора может быть выполнена в виде незамкнутой кинематической цепи и может содержать мехатронные средства управления и автоматики. Оптимизация движений манипуляторов предполагает количественное определение предельно достижимых показателей (например, максимальной силы или скорости рабочего органа, которые могут быть реализованы роботом в заданном направлении) при известных технических и технологических ограничениях. С точки зрения подхода к решению задач этого класса можно выде­лит две основные группы методов анализа кинематических и динамиче­ских свойств манипуляторов.

1. Группа методов, в которых манипулятор рассматривается как сложный механизм без учета приводных ограничений на скорости или моменты. Основным инструментом исследования является тензорно-геометрический метод. Фактически главным для всех методов исследования данной группы является то, что манипулятор рассматривается как передаточный механизм (трансмиттер), передающий скорости (ускорения, моменты) из сочленений на рабочий орган робота, воздействующий на окружающую среду.

2. Группа методов, в которых законы управления движением робота определяются с учетом ограничений (скоростных, моментных, энергетических) в исполнительных приводах. Основным инструментом анализа являются так называемые политопы - многогранники, ограничивающие области допустимых скоростей или сил в выбранной системе координат

Модуль: 1) название какого-либо важного коэффициента или величины;

2) унифицированный узел массового производства, выполняющий самостоятельную функцию в различных устройствах.

Звено механизма – одно или несколько неподвижно соединенных твердых тел, входящих в состав механизма.

Число степеней свободы – число независимых между собой возможных перемещений механической системы. Для механизма, все связи которого голономные, – это будет число обобщенных координат. Для твердого тела, свободно движущегося в пространстве, число степеней свободы равно шести: три поступательных вдоль осей x, y, z и три вращательных вокруг этих осей.

Мехатронный модуль движения (ММД) – это конструктивно и функционально

самостоятельное изделие, включающее в себя управляемый двигатель, механическое

и информационное устройство.

Мехатронные машины – это интеллектуальные многомерные системы, построенные на мехатронных принципах и технологиях, которые способны эффективно выполнять программы функциональных движений в измеряющихся условиях внешней среды.

Внешней средой является технологическая среда (детерминированная или недетерминированная), которая содержит различное основное и вспомогательное оборудование, технологическую оснастку и объекты работ.

Обратная связь в мехатронной системе – устройство установленное между выходным звеном механизма и управляющим звеном привода и ограничивающее инерционное воздействие привода на выходное звено привода.

Параметрический ряд – ряд параметров механизма, построенный на основе ряда предпочтительных чисел.

Он содержит такие параметры, как: межосевое расстояние, модуль зубьев, передаточное число, момент на ведомом звене, консольную нагрузку на ведомом валу и др.

Рабочий орган мехатронной машины – это составная часть механического устройства для непосредственного выполнения технологических операций и/или вспомогательных переходов.

Робототехника – это область науки, ориентированная на создание роботов и робототехнических систем, предназначенных для автоматизации сложных технологических процессов и операций, в том числе выполняемых в недетерминированных условиях, для замены человека при выполнении тяжелых, утомительных и опасных работ.

Мехатроника и робототехника различаются по классификационным признакам. Мехатроника изучает новый методологический подход к созданию модулей и машин с качественно новыми характеристиками. Роботы же представляют собой один из современных классов машин с компьютерным управлением движением.

Проектирование и производство роботов базируется не только на мехатронных принципах и технологиях, но требует привлечения и других методологических подходов: методов технической кибернетики, бионики и САПРа.

Проектирование современных мехатронных систем основано на модульных принципах и технологиях.

Робот – это машина с антропоморфным (человекоподобным) поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека при взаимодействии с окружающим миром.

Промышленные роботы, применяемые в автомобилестроении, обычно состоят из мехатронных модулей, манипулятора и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Используют робот в условиях, недоступных или вредных для человека, а также для выполнения тяжелых технологических операций.

Силовой анализ механизма – представляет определение действующих в механизме сил при заданном движении. Обычно следует определять реакции в кинематических парах и уравновешивающие силы, приложенные к начальному звену. Для этого предварительно раскладывают механизм на структурные группы, которые должны удовлетворять условию кинетостатической определенности: число уравнений кинетостатики должно быть равно числу неизвестных величин, характеризующих реакции в кинематических парах. Далее определяют касательные составляющие реакции в кинематических парах со стороны отсоединенных звеньев, используя при этом уравнение .

Затем строят план сил – замкнутый векторный контур – и определяют оставшиеся неизвестные величины. Силы ведут последовательно, переходя от структурных групп с заданными внешними силами к структурным группам или звеньям, для которых следует определять внешние силы.

2.2 Гомеостаз, самоорганизация и антропоморфность мехатронных объектов (МО).

В последнее время термин «гомеостаз» стали толковать расширительно, трактуя его как способность живых организмов и кибернетических систем сохранять свое состояние в условиях меняющейся среды за счет действия обратных связей. При этом механизмы восстановления и поддержания гомеостаза способны обеспечить не только выживаемость организма, но и его активную жизнедеятельность в условиях изменчивой среды обитания. В связи с этим весьма актуальным является распространение принципов организации, функционирования и форм проявления гомеостатических механизмов живого организма на теорию и практику построения высокоэффективных автоматических систем, к которым с полным правом можно отнести и мехатронные объекты.

Понятие гомеостаза, методологически тесно связанное с общесистемными понятиями самосохранения, устойчивости и целостности систем, заняло прочное место среди фундаментальных понятий современной науки и породило новое направление в развитии кибернетики - гомеостатику, которая изучает глубинные механизмы поддержания гомеостаза в сложных системах различной природы (биологических, технических, социальных и экономических). Для МТ использования идей гомеостаза при проектировании объектов СДМ весьма актуально, тем более что это прямой путь к бионике и к созданию биотехнических систем. В определении МТ есть термин «синергетика» - понятие, связанное с самоорганизацией объекта, которое опирается на гомеостаз и развивает его. Самоприспосабливаемая (адаптивная) система - система автоматического управления, способная обеспечить функционирование, самостоятельно изменяя свое поведение и/или состояние в соответствии с внешними факторами, например, с характеристикой среды, с которой она соприкасается.

Различают следующие виды самоприспосабливаемых систем:

• самонастраиваемые - изменяют собственные характеристики для компенсации изменяемых условий функционирования;

• самообучаемые - совершенствуют характер функционирования по мере накопления опыта;

• самоорганизуемые - изменяют свою структурную схему в зависимости

от условий функционирования и/или от накопленного опыта.

В настоящее время много говорят о стремлении МО к антропоморфности, широко и длительно дискутируемой в применении к «интеллектуальным» работам.

Антропоморфизм - уподобление человеку, наделение человеческими свойствами предметов и явлений неживой природы. Это положение в первую очередь относится к манипуляционным системам (механическим, состоящих из звеньев и кинематических пар, как всякий механизм), и к природе их управления, к гомеостазу технических (в том числе мехатронных) систем. Так, фирма «Хонда» представила робототехническому обществу прототип гуманоида и поставила вопрос об использовании строго антропометрической концепции для создания новых направлений исследований в робототехнике.[14]

Бионика − прерогатива не только робототехники, но и мехатроники, дальнейшее развитие которой пойдет по пути синтеза с бионикой, поскольку любой мехатронный объект представляет собой имитацию живого организма.