МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Ухтинский государственный технический университет»

(УГТУ)

Конспект лекций по дисциплине

"Роботы и манипуляторы"

для студентов очной и заочной формы обучения,

обучающихся по специальностям 270102 "ПГС, 270109 ТГВ, 270112 ВВ",

автор: Михитаров А.Р.

Ухта 2013

Лекция 1

Введение

Слово «робот» происходит от чешского слова «robota», означающего работу. Впервые это слово прозвучало в пьесе К.Чапека «Р.У.Р» в 1921г.

Современное значение слова «робот» - автоматическое устройство, которое выполняет функции, обычно приписываемые человеку. В соответствии с этим определением стиральная машина является роботом.

Более точное определение промышленных роботов: «перепрограммируемый многофункциональный манипулятор, предназначенный для осуществления различных, заранее заданных перемещений материалов, деталей, инструментов или специальных приспособлений с целью выполнения различных работ».

Современный промышленный робот – универсальный, оснащенный компьютером манипулятор, состоящий из нескольких твердых звеньев, последовательно соединенных вращательными или поступательными сочленениями.

Робот состоит из двух основных частей—исполнительных систем и информационно-управляющей системы с сенсорной системой. В свою очередь исполнительные системы включают манипуляционную систему (обычно в виде механических манипуляторов) и системы передвижения, имеющиеся только у мобильных (подвижных) роботов.

Манипулятор — оснащенное рабочим органом механическое устройство, предназначенное для перемещения в пространстве тела (объекта манипулирования), удерживаемого захватом. Манипулятор (лат, — кисть руки) можно рассматривать как аналог руки человека. Его конструкция в большей степени определяет возможности робота.

Относительное положение соседних звеньев м-ра определяется относительными (обобщёнными) координатами q(q₁,q_2,…,q_n), где n─число степеней подвижности манипулятора. Степени подвижности м-ра делятся на переносные и ориентирующие. Переносные служат для перемещения рабочего органа в рабочей зоне манипулятора, а ориентирующие,— для его угловой ориентации. Современные манипуляторы в среднем имеют 4 — 6 степеней подвижности, но существуют манипуляторы и с 8 — 9 степенями. Количество манипуляторов у роботов обычно ограничено одним, но не более 4.

Error: Reference source not found

Рисунок 1.1. Функциональная схема робота

Классификация роботов по назначению

Промышленные роботы (ПР) составляют 85-90% всех роботов. Например, в ФРГ ПР применяются:

1. Керамическая промышленность: выдавливание керамического сырья, загрузка вальцовых (крокетных) машин, извлечение сформованных изделий, складирование, покрытие глазурью путем окунания, нанесение глазури пульверизатором, шлифовка изделия после обжига, загрузка и разгрузка печей.

2. Стекольная промышленность: загрузка и разгрузка машин.

3. Швейная промышленность: загрузка швейных машин.

4. Деревообрабатывающая промышленность: покрытие лаком, сборка изделий, забивка гвоздей, закручивание винтов.

5. Производство и обработка кожи: загрузка машин.

6. Резинообрабатывающая промышленность: распознавание образов, манипулирование шинами.

7. Асбестообрабатывающая промышленность: разрезка, обточка, шлифовка, штукатурка.

8. Обработка пластиков: загрузка сырья, разгрузка машин.

9. Мясообрабатывающая промышленность: рубка мяса.

В немашиностроительных и непромышленных отраслях использования робототехники

Операции		Тип средств робототехники
Угольная и горнодобывающая промышленность
Установка крепи в забое		Мобильный робот с техническим зрением и двумя манипуляторами
Бурение шурфов		Многоманипуляторный мобильный робот с навигационной системой
Отделение угля от породы		Робот с техническим зрением и другими средствами очувствления
Погрузка горной массы Погрузочно-разгрузочные работы в обогатительном производстве		Мобильный робот-погрузчик
Металлургия
Загрузка чушек и металлолома в печь		Манипулятор с управлением
Ремонт огнеупорной кладки печей,		Мобильный робот
Пробивка корки шлака и устранение анодного эффекта при электролизе алюминия
Извлечение штырей в электролизерах и их перестановка
Укладка и обвязка пакетов чушек, их погрузка и доставка
Лесозаготовительное производство
Валочно-пакетирующие работы на лесосеках		Манипулятор с управлением от оператора
Деревообрабатывающее производство
Погрузочные работы		Те же средства что и в машиностроительном производстве
Строительная промышленность
Укладка кирпичей	Робот-каменщик

Сортировка кирпича на конвейере	Робот с техническим зрением и дальномерной системой
Загрузка печей кирпичами и выгрузка
Облицовочные работы		Робот для монтажа облицовочных плиток
Монтаж металлоконструкций (зданий, мостов, резервуаров и т.п.)		Робот-монтажник-высотник
Окрасочные работы		Робот-маляр
Лёгкая и пищевая промышленность
Обслуживание основного технологического оборудования (прядильных и швейных машин, агрегатов, формирующих синтетические нити, процессов горячей вулканизации, печей для обжига керамических изделий и др.			Средства робототехники ,как и в машиностроении
Внутрицеховые погрузочно-разгрузочные и транспортные работы
Раскрой кожи и других материалов
Укладка в тару конфет, овощей при консервировании и т.п.
Погрузочно-разгрузочные работы в холодильниках
Транспорт
Погрузочно-разгрузочные работы		То же
Регламентное обслуживание ж-д путей
Шагающие транспортные машины
Агропромышленное производство
Уборка овощей и фруктов
Прополка и прореживание о овощей		Робот с техническим зрением для работы в комплексе с прореживателями
Обслуживание теплиц		Мобильный робот (для выращивания рассады, уборки продукции)
Товарная доработка плодоовощной продукции (сортировка и загрузка в контейнеры)		Робот с техническим зрением и другими сенсорными системами
Обслуживание комплексов для крупного рогатого скота и свиноводческих
Дойка и санитарная обработка вымени коров Стрижка овец

Погрузочно-разгрузочные работы с сельхоз продукцией, сеном, силосом, удобрениями		Средства робототехники, как и в машиностроении
Вождение тракторов других сельхоз машин		Робот-тракторист
Медицина
Хирургия (микрохирургия, дистанционная хирургия, стерильная хирургия)		Прецизионные роботы и манипуляторы, управляемые оператором
Внутриполостная и внутисосудистая диагностика		Мобильные микророботы
Протезирование конечностей
Реабилитация инвалидов и больных			Робот для массажа и физических упражнений
Уход за больными и инвалидами			Робот-сиделка
Помощь при передвижении слепых людей			Робот-поводырь
Сфера обслуживания
Погрузочно-разгрузочные работы	Средства робототехники, как и в машиностроении
Охрана помещений	Робот с техническим зрением и другими сенсорными системами
Мойка окон высотных зданий
Уборка помещений	Бытовые роботы
Уход за детьми	Робот-нянька и робот-игрушка

Рабочая зона манипулятора – это пространство, в котором находится его рабочий орган при всех возможных положениях звеньев манипуляторов. Форма рабочей зоны определяется, во-первых, типом системы координат (прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, угловая (ангулярная) и различные их комбинации).Во-вторых, она зависит от числа степенейподвижности манипулятора (от 1 до 6, свыше 6 их мало, не более 2%);

Подвижность робота определяется наличием или отсутствием у него устройства передвижения (подвижный или стационарный). Подвижные имеют любые типы устройств перемещения: колесные, гусеничные, шагающие, воздушные, ракетные и т.п.

h_s

Y

h₁

φ₂

X

φ₁

сферическая система

(рабочая зона —сферический сегмент) рис.1.3

Z

Роботы находят применение в других (кроме промышленности) областях: транспорте (беспилотная авиация, луноходы и т.п.), в сельском хозяйстве, в здравоохранении (протезирование, микрохирургия, и т.п.), в сфере обслуживания (бытовые машины, спасательные работы, торговые автоматы), космос, подводные аппараты и т.п.

Состав манипулятора.

Манипулятор состоит из твёрдых звеньев, последовательно соединённых вращательными или поступательными сочленениями, рабочего органа и приводов.

Рабочие органы манипуляторов

Рабочие органы манипуляторов служат для непосредственного взаимодействия с объектами внешней среды и делятся на захватные устройства и специальный инструмент.Рабочие органы могут быть постоянными и съёмными, в том числе с возможностью их автоматической замены в ходе выполнения технологической операции.

Захватные устройства предназначены для того, чтобы брать объект, удерживать его в процессе манипулирования и освободить его по окончании этого процесса.

Типы захватных устройств: механические устройства-схваты, пневматические и электромагнитные и комбинации этих типов, а также множество специальных захватных устройств.

Схват—это механическое захватное устройство, аналог руки человека. Самые простые двухпальцевые схваты, применяют схваты с 3,4 и реже с большим числом пальцев. Схваты часто очувствляют помощью контактных датчиков, датчиков проскальзывания, усилия и дистанционныхдатчиков, выявляющих предметы вблизи схвата и между его пальцами.

Использование различных силовых эффектов в микрозахватных устройствах

а—захват за счёт сил сухого трения ; б—использование формы объекта для захвата; в—вакуумный захват; г—магнитный захват; д—электростатический захват; е—пушпульный захват; ж—капиллярный захват; з—криогенный захват; и—захват посредством эффекта Бернулли; к—захват «воздушной подушкой»; л—захват за счёт стоячей воды; м—захват сжимающей плёнкой; н—«оптический захват»; о—адгезионный захват

Рабочий инструмент. С его помощью робот выполняет определённые технологические операции (нанесение покрытий, завинчивание гаек, зачистка поверхностей и т.п.) этот инструмент ,как правило, не берется захватным устройством, а непосредственно крепится к манипулятору вместо него. Часто при этом к инструменту необходимо обеспечить подвод энергии или какого-либо рабочего тела. Для окрасочного робота—это краска и воздух к пульверизатору, для сварочного робота— сварочный ток к сварочным клещам при точечной сварке или проволочный электрод, газ и охлаждающая жидкость при дуговой сварке и т.д. Для этого требуется разработка специальной конструкции всего манипулятора.

Привод включает двигатель и устройство управления им. В состав привода могут входить

различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы), тормоз и муфта. В роботах нашли применение все типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

Пневмопривод и гидропривод состоят из двигателя, распределительного устройства и регулятора скорости. Двигатель поступательного движения (пневмо- или гидроцилиндр) или поворотный.

Электроприводы включают электродвигатель, механическую передачу, тормоз, муфту и устройство управления.

Микроприводы : пьезоэлектрические, пьзомагнитные, на эффекте памяти формы, электростатические, электро- и магнитострикционные, биметаллические

Мобильные роботы используют все известные транспортные средства.

Устройство управления робота осуществляет автоматическое управление его исполнительными системами—манипуляционными и передвижения, образуя систему автоматического управления робота.