Mekhatronika_KPMO_EMO / Конспект лекций / Лекция 6

8

Лекция 6: Манипуляторы робототехнических систем

6.1. Манипулятор. Кинематические пары, цепи и схемы.

Базовым элементом робота является манипулятор - механизм, обладающий несколькими степенями подвижности, который предна­значен для перемещения и ориентации объектов в рабочем простран­стве. Многозвенная конструкция манипулятора заканчивается смен­ным схватом (иногда называют захватом) - инструментом, предназначенным для захвата объек­тов определенной формы. Вместо схвата на конце этой конструкции может быть закреплен сменный инструмент (гайковерт, фреза, сверло, метчик и т.п.). В этом случае с помощью манипулятора могут быть выполнены различные технологические операции, например зачистка заготовок, нарезание резьбы, сверление отверстий.

Две характерные конструкции манипуляторов показаны на рис. 6. 1. Один из них имеет только шарнирные соединения (рис. 6.1, а). Его звенья могут поворачиваться относительно трех основных осей О1, О2 и О3, обеспечивающих перемещение схвата в рабочей зоне; еще две оси О4 и О5 определяют ориентирующие движения схвата. Вто­рой манипулятор (рис. 6.1, б), кроме вращений относительно осей 01, 02 и 03, допускает поступательное перемещение звеньев вдоль оси 04.

Рисунок 6.1 .- Конструкция промышленных манипуляторов: а- PUMA-560; б - UNIMATE

Напомним, что механизмом называют систему тел, предназначен­ную для преобразования движения одних тел в требуемое движение других. Манипуляционный механизм (манипулятор) представляет со­бой систему тел, которые предназначены для перемещения тела, удер­живаемого в схвате манипулятора (инструмента, детали). Тела, обра­зующие манипулятор, называют его звеньями.

Звенья, образующие попарные соединения и допускающие относи­тельные перемещения, называют кинематическими парами. Каждое звено, рассматриваемое как твердое тело, имеет шесть степеней свобо­ды. Если в кинематической паре на относительное движение звеньев наложено S условий связи (число S определяет класс кинематической пары), то число степеней кинематической пары равно

h = 6 – S.

При S = 0 звенья взаимно свободны, а при S = 6 -- взаимно неподвиж­ны, т.е. 1 < S < 6. Так, для шарового шарнира S = 3 , h = 3 ; для цилинд­рической пары S = 4, h = 2 ; для простого цилиндрического шарнира и призматической пары поступательного движения S = 5, h =1.

Систему звеньев, образующих кинематические пары, называют ки­нематической цепью. Если в цепи имеются звенья, входящие только в одну кинематическую пару, то цепь называют незамкнутой (разомк­нутой). В противном случае, т.е. если каждое звено входит, как мини­мум, в две кинематические пары, цепь считают замкнутой. Кинемати­ческие цепи манипуляторов, показанные на рис. 6.1, являются незамк­нутыми; если же один из них обрабатывает поверхность, расположен­ную на неподвижном основании, то его кинематическая схема совме­стно с инструментом и объектом работы образует замкнутую кинема­тическую цепь. При этом следует учитывать условное неподвижное звено, которое замыкает цепь.

Число степеней подвижности кинематической цепи равно

где п — число подвижных звеньев, p_i — число кинематических пар i-гo

класса.

Например, для манипулятора, изображенного на рис. 6.2, а, кине­матическая цепь имеет ν = 6·5 — 5·5 = 5 степеней подвижности.

Рисунок 6.2.- Разомкнутая (а) и замкнутая (б) кинематические цепи

Заметим, что число степеней подвижности кинематической цепи совпадает с числом кинематических пар только в том случае, если все пары относятся к пятому классу. В последнем случае ν = 6п - 5р₅.

Число степеней подвижности кинематической цепи — важнейшая характеристика манипулятора, поскольку она определяет число степеней свободы схвата манипулятора. Чтобы манипулятор мог свободно пере­мещать и ориентировать в пространстве твердое тело, удерживаемое в схвате, он должен иметь не менее шести степеней подвижности. При­чем, если ν > 6 , то говорят о кинематической схеме с избыточностью. Кинематические схемы с избыточностью необходимы в тех случаях, когда на перемещение предмета наложены дополнительные условия, например при перемещении тела внутри цилиндрической трубы.

При замыкании кинематической цепи число ее степеней подвиж­ности понижается. Например, предполагая, что манипулятор удержи­вает рычаг без проскальзывания (рис. 6.2, б), получаем п = 6, р₅ =7, следовательно, ν = 1.

Типовые кинематические схемы манипуляторов приведены на рис. 6.3.

Рисунок 6.3.- Типовые кинематические схемы манипуляторов: а – прямоугольная, б – цилиндрическая, в – сферическая, г- антропоморфная, д- с избыточностью, е – SCARA, ж- схема гидравлического манипулятора с ветвлением кинематической цепи.

На рис. 6.3, а все звенья взаимно перпендикулярны и образуют пары поступательного движения пятого класса. В декартовой системе координат OXYZ, связанной с основанием робота, координаты схвата определяются перемещениями по каждой из степеней подвижности кинематической цепи. Поэтому можно сказать, что робот функциони­рует в прямоугольной декартовой системе координат. Основным дос­тоинством такого робота является удобство управления, поскольку исключается необходимость пересчета требуемых координат объекта работы в значения перемещений в отдельных степенях подвижности. Однако конструкция такого робота имеет большие габаритные разме­ры, что является недостатком.

Один из наиболее известных промышленных роботов VERSATRAN имеет кинематическую схему, представленную на рис. 6.3, б. В этой схеме две пары поступательного перемещения и одна — вращательного (все — пятого класса). Координаты схвата в данном случае можно задать тремя переменными - высотой h, длиной выдвижения L и уг­лом поворота φ, что соответствует цилиндрической системе коорди­нат, в которой и работает робот рассматриваемого типа.

Не менее известная конструкция промышленного робота типа UNIMATE (см. рис. 6.3, в) имеет две вращательные пары и одну по­ступательную (телескопическую) пару. Таким образом, координаты схвата определяются в сферической системе координат двумя углами φ , θ и радиусом R.

Из этих трех конструкций наименее сложной является вторая. Наибольшую гибкость в достижении различных точек рабочего про­странства имеет третья схема. Недостатком второй и третьей схем по сравнению с первой является меньшая точность и необходимость при­менения специальных конструктивных решений для обеспечения сба­лансированности конструкции.

Многозвенный манипулятор, имеющий четыре шарнирных пары, показан на рис. 6.3, г. В соответствии с такой схемой построены мани­пуляторы промышленного робота Cincinatti Milacron, российских роботов типа УЭМ-5, РМ-01, ТУР. Они относятся к манипуляторам антропоморфного типа. Гибкость «руки» обеспечивается за счет ус­ложнения конструкции. Задача управления при этом значительно ус­ложняется, поскольку требуется расчет движений в каждом шарнире, обеспечивающем необходимое движение схвата.

Эта задача усложняется и для многозвенных манипуляторов с из­быточностью, предназначенных для работы в пространстве с препятст­виями (рис. 6.3, д).

Кинематическая схема манипулятора типа SCARA приведена на рис. 6.3, е. Две вращательные степени подвижности обеспечивают произвольное перемещение объекта в плоскости, а перемещение плос­кости позиционирования осуществляется поступательной степенью подвижности. Такая схема, сочетающая значительную гибкость при движениях в плоскости с жесткостью конструкции в вертикальном направлении, оказалась эффективной при выполнении задач сборки и обработки плоских поверхностей.

В рассмотренных кинематических схемах все звенья манипулятора связаны между собой с помощью соединений, обеспечивающих взаимное перемещение. Двигатели, приводящие в движение звенья, можно размещать в этих соединениях или передавать соответствующие силы и моменты через механизмы передачи движений, не меняющие кинематическую схему. Однако это не всегда возможно. Схема гидравлического манипулятора, силовыми элементами которого являются гидроцилиндры, приведена на рис. 6.3, ж. Эти гидроцилиндры вместе с соответствующими штоками составляют дополнительные связи в кине­матической схеме, причем количество звеньев, соответствующих одной степени подвижности, становится больше двух. Такие кинематические схемы называют схемами с ветвлением кинематической цепи. Простота конструктивного решения схемы приводит к трудностям, связанным с расчетом управляющих сигналов для каждой степени подвижности.

Мы рассмотрели только те движения, которые обеспечивают перенoc объекта в рабочем пространстве, но его необходимо еще и ориентировать. Например, при дуговой сварке электрод, удерживаемый роботом, должен быть перпендикулярен рабочей поверхности. В большинстве известных конструкций перемещение и ориентацию объекта обеспечивают различные степени подвижности манипулятора, которые подразделяют на переносные и ориентирующие соответственно. Наиболее характерная компоновка ориентирующих степеней под­вижности показана на рис. 6.4.

Они обеспечивают три вращательных движения схвата — наклон, вращение и качание. Чем ближе оси этих степеней подвижности расположены одна к другой и к схвату, тем меньше возникает дополнительных по­ступательных движений, сопутствующих ориентирующим, тем самым задача управ­ления сложным движением объекта упро­щается.

Рисунок 6.4.- Компоновка ориентирующих степеней подвижности схвата

Однако очевидно, что при такой компоновке ориентирующих степеней по­ворот объекта относительно неподвижной оси, связанной, например, с его центром масс, обеспечивается как ориентирующи­ми, так и переносными степенями подвиж­ности манипулятора.

В ряде случаев степени подвижности не подразделяют на переносные и ориентирую­щие. Примером может служить схема мани­пулятора с избыточностью (см. рис. 6.3, д), обеспечивающая как ориентацию, так и пе­ремещение объекта. Другой характерный пример - манипуляционная конструкция, построенная по принципу платформы Стюар­та (рис. 6.5.)

Рисунок 6.5.- Платформа Стюарта

Еще одна степень подвижности кинема­тической цепи манипулятора, пока не приня­тая нами во внимание, — это сам схват. За исключением случаев, когда захват предмета происходит немеханическим путем (электромагнит, вакуумные «присоски» и т.п.), схват представляет собой механизм, имеющий в наиболее простом случае две губки для зажима предмета. При необходимости схват может быть трехпалым или иметь большее количество пальцев.

Схват в качестве степени подвижности манипулятора также необ­ходимо учитывать при подсчете суммарного числа степеней подвиж­ности. Так, для манипулятора, обеспечивающего произвольную ориен­тацию и перемещение объекта в рабочей зоне с учетом схвата, мини­мальное число степеней подвижности равно семи.