Переносные и ориентирующие степени подвижности манипулятора

Для обеспечения пространственного движения схвата в общем случае достаточно трех переносных степеней подвижности робота, расположенных относительно друг друга определенным образом. Основными минимальными (необходимыми) условиями обеспечения пространственного движения схвата в манипуляторе, образованного парами 5-го класса, являются:

1) наличие двух вращательных пар с непараллельными осями (обычно оси в этом случае перпендикулярны друг другу) и третьей вращательной или поступательной пары, обеспечивающей изменение радиуса сферы (рис. 2.4а);

2) наличие двух вращательных пар с параллельными осями и третьей поступательной пары, направляющая которой не перпендикулярна осям вращательных пар, или вращательной пары, ось которой не параллельна осям предыдущих пар (рис. 6.4б);

3) наличие двух поступательных пар с непараллельными направляющими и одной вращательной пары (рис. 6.4в), ось которой не перпендикулярна плоскости, образованной осями направляющих поступательных пар, или поступательной пары, направляющая которой не параллельна названной плоскости (обычно направляющие перпендикулярны друг другу, а ось вращательной пары параллельна плоскости).

в)

а)

б)

Рис. 2.4. Переносные движения манипулятора

Приведем основные манипуляционные системы, обеспечивающие переносные движения схвата манипулятора при различной последовательности использования вращательных и поступательных кинематических пар.

1. Вращательная – вращательная – вращательная (ВВВ)

А)

2. Поступательная – вращательная – вращательная (ПВВ)

Б)

3. Вращательная – поступательная –(вращательная ВПВ)

В)

4. Вращательная – вращательная – поступательная (ВВП)

Д)

5.Поступательная – вращательная – поступательная

6.Вращательная – поступательная – поступательная (ВПП)

Е),

7.Поступательная – поступательная – вращательная (ППВ)

8.Поступательная – поступательная – поступательная (ППП)

Ж)

Не все приведенные схемы обеспечивают совершенно различные рабочие зоны. В некоторых случаях перестановка поступательной и вращательной пары не влияет на форму рабочей зоны, например схемы Б, В и Г имеют одинаковые рабочие зоны. Однако на динамику манипулятора это оказывает существенное влияние, а следовательно, и на характер управляющих воздействий. Более предпочтительной по энергетическим затратам из трех упомянутых является схема Г, так как для вертикального перемещения груза в этой схеме не требуется перемещение промежуточных звеньев.

Схемы А, Г, Д, Е и Ж являются наиболее распространенными и по ним выполнено большинство промышленных роботов.

Переносные степени подвижности удобно классифицировать по системе координат, которую обеспечивает та или иная комбинация кинематических пар манипулятора.

Различают четыре основные системы координат манипуляторов:

1. Цилиндрическая:

2. Сферическая:

3. Прямоугольная:

4. Ангулярная (угловая):

Если в заданной точке рабочего пространства манипулятора его схват должен иметь вполне определенную ориентацию, то манипулятор необходимо снабдить тремя ориентирующими степенями подвижности. Хотя в промышленных роботах обычно обходятся одной – двумя ориентирующими степенями подвижности.

Чтобы не вносить помехи в положение схвата или свести их к минимуму, ориентирующие степени подвижности делают так, чтобы они как можно меньше перемещали схват.

Манипуляционные системы, обеспечивающие ориентирующие движения схвата.

1. Обеспечение полной пространственной ориентации схвата:

2. Ротация с дополнительным пространственным движением схвата:

3. Ротация схвата:

4. Без ориентирующих степеней подвижности (в этом случае оборудование расставляется так, чтобы рука робота оказывалась в требуемом относительно него положении).

Твердые тела, входящие в состав исполнительного меха­низма и являющиеся функциональными элементами его кине­матической цепи называются звеньями. Звено исполнительного механизма конструктивно может состоять из нескольких дета­лей, не имеющих между собой относительного движения.

Соединение двух соприкасающихся звеньев, допус­кающих их относительное движение, называется кинемати­ческой парой. Совокупность поверхностей, линий и точек зве­на, входящих в соприкосновение (контакт) с другим звеном па­ры, называется элементом пары. Для того, чтобы элементы па­ры находились в постоянном соприкосновении, пара должна быть замкнута геометрическим (за счет конструктивной формы звеньев) или силовым (силой тяжести, пружиной, силой давле­ния жидкости или газа и т.п.) способом.

Контактирующие поверхности, линии и точки звеньев, являющиеся элементами кинематической пары, могут образо­вывать простые и сложные кинематические пары. В простой кинематической паре (рис. 2.2 а) контактируют только два эле­мента 1 и 2, которые определяют соответствующее число ком­понент реакций связей. В сложной паре (рис. 2.2 б) необходимые геометрические связи дублируются дополнительными связями 1¹ и 2¹. Дополнительные элементы кинематических пар вводят для уменьшения давления и износа контактирующих поверхно­стей за счет перераспределения реактивных сил и увеличения размеров элементов кинематических пар.

Рис. 2.3. Кинематические пары: а) простые, б) сложные

Если помимо необходимых элементов кинематической пары, обусловленных требуемыми геометрическими связями, при конструировании используют дополнительные элементы, то в такой сложной кинематической паре могут появиться избыточные локальные связи. При наличии избыточных локальных связей относительное движение звеньев либо становится невоз­можным (заклинивание, защемление элементов), либо осуществляется за счет деформации звеньев, увеличенных зазоров между реальными поверхностями элементов или их износа.

Чтобы кинематическая пара была работоспособной и надежной в эксплуатации, предъявляют определенные требова­ния к размерам, форме и относительному положению ее эле­ментов. Обычно указывают пределы отклонений от заданных или требуемых геометрических форм и расположения поверхностей, осей или точек.

Схема кинематической пары, отражающая только необ­ходимое число геометрических связей, соответствующее вид} пары называется основной. Схема кинематической пары, отражающая как необходимые, так и избыточные локальные (дополнительные) связи, называется действительной. Избыточ­ные локальные связи вносят статическую неопределимость.

Число избыточных локальных связей в реальной кон­струкции пары называется степенью статической неопредели­мости кинематической пары. Применение сложных кинемати­ческих пар с избыточными локальными связями возможно при достаточной жесткости звеньев, когда их деформация при воз­действии нагрузок не приводит к заклиниванию элементов ки­нематических пар или их повышенному изнашиванию.

Исполнительные механизмы, удовлетворяющие требова­ниям приспособляемости к деформациям звеньев, надежности, долговечности и технологичности конструкции, обладают оп­тимальной структурой.

Оптимальная система расположения элементов кинема­тической пары - понятие относительное: конструкция опти­мальная для одних условий, может быть неприемлемой для дру­гих. Часто это связано с технологичностью, как совокупностью свойств конструкции, проявляемых при оптимальных затратах труда, средств, материалов и времени при принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта промышленного робота. Конструкция, достаточно технологичная в единичном произ­водстве, часто оказывается малотехнологичной в массовом про­изводстве и совершенно нетехнологичной в автоматизирован­ном производстве.

Кинематические пары классифицируют по числу связей (ограничений), налагаемых парой на относительное движение звеньев (классификация И. И. Артоболевского) на кинематиче­ские пары пятого, четвертого, третьего, второго и первого клас­сов (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Примеры кинематических пар.

По характеру соприкосновения звеньев кинематические пары делят на низшие, если элементы звеньев соприкасаются только по поверхности, и высшие, если элементы звеньев со­прикасаются только по линиям или в точках. При этом линей­ный или точечный контакт понимается как первоначальный при соприкосновении звеньев без усилия, а под нагрузкой звенья, образующие высшую пару, будут соприкасаться по не­которой фактической поверхности, называемой пятном контакта.

Преимущество низших кинематических пар по сравне­нию с высшими - возможность передачи больших сил, по­скольку контактная поверхность соприкасающихся звеньев низшей пары может быть весьма значительна. Применение высших пар позволяет уменьшить трение (пример - шарико­подшипник) и получать нужные, самые разнообразные законы движения выходного звена путем придания определенной фор­мы звеньям, образующих высшую пару.

Кинематические пары во многом определяют работо­способность и надежность исполнительного устройства про­мышленного робота, поскольку через них передаются усилия от одного звена к другому; в кинематических парах, вследствие относительного движения, возникает трение, элементы пары находятся в напряженном состоянии и в процессе изнашива­ния.

Конструкция сложных кинематических пар наряду с по­вышением жесткости и точности должна обеспечивать непри­нужденную сборку узлов и позволять исполнительному меха­низму сохранять заданное число степеней подвижности при возможных деформациях стойки, валов, осей и других деталей под действием внешних нагрузок.

В исполнительных механизмах промышленных роботов используют кинематические пары только 5, 4 и 3 классов, но в основном кинематические пары 5- го класса.

Пары 4 и 3 классов эквивалентно заменяют комбинацией двух или трех пар 5-го класса (рис. 2.5.), т.е. кинематическим сое­динением – кинематической цепью, конструктивно заменяющей в исполнительном механизме кинематическую пару.

Рис. 2.5. Варианты замены кинематических пар высшего класса низшими.

Звено, принимаемое за неподвижное, называется осно­ванием (стойкой). Звено, которому сообщается движение, пре­образуемое исполнительным механизмом в требуемые движения упругих звеньев, называется входным. Звено, совершающее дви­жение, для выполнения которого предназначен исполнительный механизм, называется выходным (конечным, последним).

Максимальное число входных звеньев равно числу степеней подвижности исполнительного механизма.

Звенья манипулятора соединяются друг с другом с помощью кинематических пар пятого порядка (по классификации теории механизмов и машин), вращательных и поступательных. Каждое звено имеет свое наименование. Так, с неподвижным основанием связана колонна, с колонной связана каретка, с кареткой – рука, с рукой – кисть, с кистью – захват (рис.2.6).

Рис. 2.6. Кинематика манипулятора промышленного робота.

Эти звенья образуют друг с другом кинематические пары 5-го класса, имеющие по одной степени подвижности. Каждая кинематическая пара получает движение от управляемого привода.

Система звеньев, связанных между собой кинематиче­скими парами называется кинематической цепью. В зависимос­ти от вида движения звеньев кинематические цепи подразделя­ют на плоские (рис 2.7. а, в) - звенья движутся в одной или нескольких параллельных плоскостях, и пространственные (рис. 2.6, б, г) - звенья движутся в пространстве.

Рис. 2.7. Примеры кинематических цепей.

Кинематические цепи могут быть замкнутыми (рис.2.6,в) и незамкнутыми (рис. 2.6, а, б, г). Кинематические цепи исполнительных механизмов ПР являются в основном не­замкнутыми. Существуют незамкнутые кинематические цепи с местными замкнутыми контурами (рис. 2.6, г).

Исполнительный механизм промышленного робота в процессе функционирования может иметь различную структуру. Во время движения в пространстве его можно рассматривать как незамкнутую кинематическую цепь. При выполнении тех­нологической операции на движение исполнительного меха­низма накладываются дополнительные связи и он превращается в замкнутый механизм.

Для полного осуществления пространственного движения необходимо иметь в манипуляторе шесть степеней подвижности, из них три нужны для приведения конца манипулятора в требуемую точку пространства (переносные движения), еще три – для получения необходимой угловой ориентации захватного устройства (ориентирующие степени подвижности).

Под степенями подвижности манипулятора (степенями свободы) понимают обобщенные координаты, определяющие в пространстве положения его звеньев. Число степеней подвижности манипулятора n определяется по формуле

где к – число подвижных звеньев; Р_i – число кинематических пар i-го класса.

Например, в рассматриваемом случае манипулятор, изображенный на рис. 4.8. содержит 5 подвижных звеньев (исключая неподвижное основание и внутреннее подвижное звено в захвате), образующих 5 кинематических пар 5-го класса. Поэтому

n = 6*5 – 5*5 = 5.

Различают следующие степеней подвижности: координатные (глобальные) - обеспечивающие выведение манипулятора в зону манипулирования; переносные (рабочие) - определяющие выведение захвата в заданные места рабочей зоны; ориентирующие (локальные) – обеспечивающие требуемые ориентации захвата в заданном месте рабочей зоны.

Если рабочая зона является объемной, то манипулятор должен иметь не менее трех переносных степеней подвижности. В случае плоской зоны манипулирования достаточно иметь лишь две переносные степени свободы. Увеличение числа степеней подвижности усложняет манипулятор, но одновременно увеличивает его маневренность, т.е. способность обходить препятствия в рабочей зоне.

Компоновка манипулятора зависит от выбранной системы координат его функционирования. С этой точки зрения различают манипуляторы, работающие в декартовой, цилиндрической, сферической и ангулярной (угловой) системах координат. Конструкция ПР зависит и от количества рук манипуляционной системы, управляемой одним и тем же устройством управления, а также от типа устройств передвижения.

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

Рабочий орган – составная часть исполнительного устройства промышленного робота для непосредственного выполнения технологических операций и/или вспомогательных переходов.

Основная особенность ПР заключается в том, что он предназначен для работы с другим технологическим оборудованием (ТО) и, по существу, представляет собой элемент этого оборудования, позволяющий создавать роботизированные технологические комплексы. Поэтому структуру ПР, работающего совместно с некоторым технологическим оборудованием можно представить так, как это показано на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Структура промышленного робота.

В общем случае технологическое оборудование состоит из тех же блоков и устройств, что и ПР. Как и ПР оно включает в себя блок управления, привод, рабочие органы, которые подобно рабочему органу ПР взаимодействуют с объектом манипулирования. ТО имеет также свои датчики, определяющие положение его рабочих органов, т.е. датчики внутренней информации. Исполнительные элементы как ТО, так и ПР управляются от ЭВМ. Единственное отличие ПР от ТО заключается лишь в том, что он дополнительно содержит антропоморфную исполнительную систему – манипулятор.

Очевидно, что характер обслуживаемого ТО существенно влияет на конструкцию и технические характеристики ПР. По этой причине говорят не о ПО вообще, а роботах-сборщиках, роботах прессового производства, роботах сварщиках и т.п. Универсальность ПР, как перепрограммируемой манипуляционной системы, носит не абсолютный, а относительный характер, поскольку имеет смысл лишь в рамках того оборудования, для обслуживания которого проектируется робот.

Дата добавления: 2014-01-07