Роботы

Белгородский государственный технологический университет им. В.Г.Шухова

Кафедра «Технология машиностроения»

Утверждено научнометодическим

советом университета

Рыбак Л.А.

РОБОТЫ И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ

Учебное пособие к выполнению курсовых работ и расчетнографических заданий для студентов специальности

151001 – Технология машиностроения (очная, заочная формы обучения)

270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций (очная, заочная формы обучения)

Одобрено редакционно-издательским советом университета

Белгород

2012

2

УДК 621.86

ББК 32.965.6

Р93

Рецензент:

д.т.н., проф. В.Г. Рубанов

Рыбак Л.А. Роботы и робототехнические комплексы. Учебное пособие к выполнению курсовых работ и расчетно-графических заданий. Белгород, БГТУ, 2012. – 81 с.

Учебное пособие к выполнению курсовых работ и расчетнографических заданий по курсу «Роботы и робототехнические комплексы» для студентов специальности 151001 – Технология машиностроения, очной и заочной форм обучения; 270101 – Механическое оборудование и технологические комплексы предприятий строительных материалов, изделий и конструкций, очной и заочной форм обучения

©Рыбак Л.А.

©БГТУ им. В.Г.Шухова

3

4

Введение

При решении задач проектирования и управления промышленными роботами приходится определять как положения его звеньев относительно неподвижной системы координат (абсолютные положения звеньев), так и их относительные положения (например, обобщенные координаты). Соответственно эти задачи известны в робототехнике как прямая и обратная задачи о положениях.

Для исследования движения исполнительного механизма манипулятора в пространстве наибольшее распространение получил метод преобразования координат с матричной формой записи. Он позволяет упорядочить выполняемые действия и сократить математические выкладки. При этом методе выбирают число систем координат, равное числу элементов звеньев, образующих кинематические пары. Неподвижная система координат обычно связывается со стойкой, а с каждой кинематической парой связывается подвижная система координат, одна из осей которой связана с характерными признаками звена, например осевой линией.

Достоинство метода проявляется в случае специального выбора подвижных систем координат. Если координатные оси совмещать с осью вращательной пары или направлением поступательной пары, то матрицы перехода существенно упрощаются.

Решения обратных задач о положениях манипуляторов в явном виде имеют важное значение как при проектировании, так и при управлении. При проектировании такие решения позволяют оценить влияние конструктивных параметров на процесс движения, при управлении – построить быстродействующие алгоритмы управления.

Сложность решения задачи о положениях связана с ее нелинейностью, поэтому точные значения не всегда возможны. Однако особенность исполнительных механизмов промышленных роботов, состоящая в том, что оси соседних кинематических пар или параллельны, или перпендикулярны между собой, позволяет получать в таких случаях явное решение.

5

1.Основные понятия и определения

1.1.Манипулятор. Классификация манипуляторов по методу

управления

Манипулятор (М) – устройство для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.

Объектом манипулирования называют тело, перемещаемое в пространстве манипулятором. К объектам манипулирования относят заготовки, детали, захватные устройства, вспомогательный, мерительный или обрабатывающий инструмент, технологическую оснастку и т.п.

Метод управления манипулятором (рис. 1) наиболее полно характеризует уровень автоматизации конструкции и возможность ее применения в различных условиях. По методу управления все М можно разделить на:

–биотехнические (с ручным управлением);

–интерактивные (со смешанным управлением);

–автоматические.

Манипулятор с ручным управлением (биотехнический) – М, управляемый оператором. Это управление может осуществляться дистанционно или (и) непосредственно за счет перемещения рабочего органа М.

В состав структурной схемы М входят приведенные ниже основные элемен-

ты.

Задающий орган – функциональная часть М, предназначенная для создания управляющих сигналов и движений.

Исполнительный орган – функциональная часть М, предназначенная для выполнения действий по сигналам и движениям, поступающих от задающего органа.

Связующий орган предназначен для передачи сигналов и движений от задающего к исполнительному органу.

Рабочий орган – часть исполнительного органа, предназначенная для реализации технологического назначения М (выполняется в виде захватов, инструмен-

6

та и т.п.).

Взависимости от типа задающего органа биотехнические М. могут быть трех разновидностей.

Вкопирующем М движение рабочего органа повторяет перемещение кисти

руки оператора. Задающее устройство кинематически подобно исполнительному механизму (обычно снабжается устройствами, позволяющими оператору ощутить в масштабе силы, действующие на исполнительный механизм).

В командном (некопирующем) М движение рабочего органа не связано кинематически с задающим устройством, а управление осуществляется по каждой из степеней подвижности в отдельности с помощью кнопок, рукояток и т.п.

В полуавтоматическом М задающая система включает в себя рукоятку, управляющую несколькими степенями подвижности, и малую ЭВМ или специальный вычислитель, которые преобразуют сигналы с рукоятки в сигналы, управляющие движениями исполнительных или рабочих органов.

Функциональные схемы основных видов биотехнических манипуляторов выполняют по принципу копирующего управления, по принципу раздельного управления приводами (командная система) и управления от задающего устройства типа рукоятки.

Все биотехнические М отличаются от автоматических отсутствием устройств памяти и требуют непрерывного участия оператора в процессе управления.

Одной из наиболее распространенных разновидностей биотехнических манипуляторов являются сбалансированные (шарнирные сбалансированные) манипуляторы с ручным управлением, содержащие систему уравновешивания рабочего органа.

В автоматическом М выполнение рабочих функций обеспечивается без участия оператора. К числу автоматических манипуляторов могут быть отнесены автооператоры (А), промышленные роботы (ПР) и манипуляторы с интерактивным управлением (ИМ).

Автооператор (А) – автоматическая машина, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора (или совокупности М и устройства передвижения) и неперепрограммируемого устройства управления, другими словами, А – неперепрограммируемый автоматический М.

Промышленный робот (ПР) – автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде М, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций (по ГОСТ 25686–85). В технической литературе часто встречается и более короткое определение: ПР – перепрограммируемый автоматический М промышленного применения. Характерными признаками ПР являются:

–автоматическое управление;

–перепрограммируемость – способность к быстрой автоматической или при помощи человека-оператора замене управляющей программы (к из-

менению последовательности, системы и содержания команд);

7

–способность к выполнению трудовых действий.

Интерактивный робот – попеременно управляемый оператором или действующий автоматически. В отличие от биотехнических, интерактивные системы имеют устройства памяти для автоматического выполнения отдельных действий. В зависимости от формы участия человека интерактивное управление может быть двух видов:

1)автоматизированное, т.е. чередование во времени автоматических режимов управления с биотехническими;

2)супервизорное, когда все части заданного цикла операций выполняются роботом автоматически поэтапно, но переход от одного этапа к другому может осуществляться только после подачи оператором необходимой целеуказательной команды.

Разновидностью интерактивного управления является диалоговое управление, предполагающее разнообразные формы общения оператора с системой управления (на языках любого уровня, включая подачу команд голосом, текстом и т.п.).

1.2. Кинематические пары и их классификация

Кинематическую пару можно определить как подвижное соединение двух соприкасающихся звеньев. Возможные соединения звеньев в кинематические пары весьма разнообразны. Таким образом, на относительное движение каждого звена кинематической пары накладываются ограничения, зависящие от способа соединения звеньев пары. Эти ограничения принято называть условиями связи в кинематических парах.

В общем случае движение в пространстве всякого абсолютно твердого тела может быть всегда представлено как вращение вокруг трех произвольно выбранных осей (координатных векторов) и поступательное перемещение вдоль тех же осей, образующих базис, т.е. твердое тело в пространстве обладает шестью видами независимых возможных движений.

Вхождение звена в кинематическую пару с другим звеном налагает на относительные движения этих звеньев условия связи. Очевидно, что число этих условий связи может быть только целым и должно быть меньше шести, так как уже в том случае, когда число условий связи равняется шести, звенья теряют относительную подвижность и кинематическая пара переходит в жесткое соединение двух звеньев. Точно так же число условий связи не может быть меньшим единицы, ибо в этом случае, когда число условий связи равно нулю, звенья не соприкасаются, и, следовательно, кинематическая пара перестает существовать; в таком случае мы имеем два тела, движущиеся в пространстве одно независимо от другого.

Математически вышеизложенные ограничения для числа условий связи S записываются следующим образом

Следовательно, число степеней свободы Н звена кинематической пары в относительном движении может быть выражено зависимостью

8

Из двойного неравенства (1.1) и уравнения (1.2) следует, что число степеней свободы звена кинематической пары в относительном движении может изменяться также от 1 до 5. Связи, наложенные на относительное движение звена кинематической пары, ограничивают те возможные относительные движения, которыми обладают звенья в свободном состоянии. В результате этих ограничений некоторые из шести возможных относительных движений свободно движущегося звена становятся для него связанными. Например, соответствующим подбором соприкасающихся элементов звеньев можно устранить возможность одного из вращений вокруг ка- кой-либо оси или одного из поступательных движений вдоль какой-либо оси, или одновременно одного из вращений и одного поступательного движения и т.д.

Оставшиеся возможные движения могут быть или независимыми друг от друга, или же быть одно с другим связаны какими-нибудь дополнительными геометрическими условиями, устанавливающими функциональную связь между движениями. Например, в кинематической паре винта и гайки (винтовой паре) вращение винта вокруг оси вызывает его поступательное движение, причем оба эти движения связаны определенной аналитической зависимостью.

Оставшиеся независимыми возможные движения определяют число степеней свободы звеньев кинематической пары в их относительном движении.

Число простейших движений вокруг и вдоль трех координатных осей может оказаться больше числа степеней свободы, если между простейшими движениями установлены функциональные зависимости, являющиеся дополнительными условиями связи как, например, в винтовой паре.

Все кинематические пары делятся на классы в зависимости от числа условий связи, налагаемых ими на относительное движение их звеньев. Класс кинематической пары может быть всегда определен, если будет принята во внимание зависи-

мость (1.2). Из этого равенства находим

S 6 Н .

Итак, кинематические пары могут быть классифицированы как по числу степеней свободы звеньев в и относительном движении, так и по числу связей, налагаемых парой на относительное движение звеньев. По первому признаку различают одно-, двух-, трех-, четырех- и пятиподвижные кинематические пары. По второму признаку – кинематические пары V, IV, III, II и I класса (классификация И.И. Артоболевского).

В манипуляторах в основном получили распространение одноподвижные кинематические пары, т.е. пары V класса, допускающие относительное вращательное, поступательное или винтовое движение.

9

1.3. Кинематические цепи

Кинематической цепью называется система звеньев, связанных между собой кинематическими парами. Кинематические цепи делятся на простые и сложные. Простой кинематической цепью называется такая цепь, у которой каждое звено входит не более чем в две кинематические пары.

Сложной кинематической цепью называется цепь, в которой имеется хотя бы одно звено, входящее более чем в две кинематические пары.

Простые и сложные кинематические цепи в свою очередь делятся на замкнутые и незамкнутые. Незамкнутой кинематической цепью называется кинематическая цепь, имеющая звенья, входящие в одну кинематическую пару.

Кроме этого, кинематические цепи подразделяются на плоские и пространственные в зависимости от вида движения звеньев: в одной или нескольких параллельных плоскостях и в пространстве.

В конструкциях манипуляторов промышленных роботов наибольшее распространение получили простые разомкнутые пространственные кинематические цепи,

10