1. Анализ конструкции роботов-манипуляторов для перемещения грузов.
1.2 Функциональные аналоги исследуемого манипулятора.
Поскольку областью применения исследуемых механизмов является перемещение грузов значительной массы и объема, то рассмотрим их ближайшие функциональные аналоги. К ним следует отнести некоторые разновидности роботов-манипуляторов, общая классификация которых приведена на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 - Классификация современных роботов-манипуляторов.
Роботы-манипуляторы, используемые в промышленности, могут быть разделены на группы, самую большую из которых по признаку распространенности составляют роботы, предназначенные для автоматизации процессов в машиностроении. По области применения современные роботы создаются для легкой, горнодобывающей и нефтяной промышленностей (обслуживание бурильных установок, монтажные и ремонтные работы), металлургии, строительства (монтажные, отделочные, транспортные работы). В последние годы распространение стали получать транспортные роботы (включая создание шагающих транспортных машин), роботы-манипуляторы для сельского хозяйства, здравоохранения. В машиностроительной отрасли промышленные роботы-манипуляторы разделяют на следующие группы: - выполнение сборочных работ (сборочные); - выполнение механической обработки; - для автоматизации штамповочного производства (прессовые); - для проведения сварочных работ (сварочные). По степени специализации все роботы вне зависимости от их назначения делятся на универсальные, специализированные и специальные. - универсальные (многоцелевые) роботы предназначены для выполнения различных операций и в том числе для работы совместно с разными видами технологических операций (ТО); - специализированные (целевые) роботы предназначены для выполнения одной определенной операции (например сварочные работы, покрасочные работы, обслуживание строго определенного вида оборудования); - специальные роботы выполняют только одну конкретную операцию (например, обслуживают конкретную модель технологического оборудования); Все промышленные роботы по виду выполняемых операций делятся на три группы: - производственные (технологические), предназначенные для выполнения основных операций технологического процесса и непосредственно в нем учувствующие в качестве производящих или обрабатывающих машин; - подъемно-транспортные (вспомогательные), которые применяются для обслуживания основного технологического оборудования при выполнении дополнительных и транспортно-складских операций; - универсальные, которые выполняют разнородные основные и вспомогательные ТО.
По типу привода, используемого в роботах различают: - электрический привод; - гидравлический привод; - пневматический привод; - пневмогидравлический привод. Нередко применяют их комбинации, например, в звеньях роботаманипулятора для повышения грузоподъемности используют гидравлический привод, а в схвате - пневматический, как более простой и недорогой. По грузоподъемности промышленных роботов разделяют на: - сверхлегкие (до 1 кг); - легкие (до 10 кг); - средние (до 100 кг); - тяжелые (до 1 т); - сверхтяжелые (свыше 1 т). В случае системы с несколькими манипуляторами, класс грузоподъемности робота определяется грузоподъемностью самого мощного манипулятора. При проектировании важна классификация роботов по быстродействию и точности движений. Эти параметры взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства мехатронной системы и являются основными. Быстродействие манипулятора определяется скоростью изменения его обобщенных координат. По признаку быстродействия роботов общего назначения можно разбить на три класса: - малое быстродействие - при скоростях до 0,5 м/с; - среднее быстродействие - при скоростях свыше 0,5 до 1 м/с; - высокое быстродействие - при скоростях больше 1 м/с. Большинство современных роботов относятся к мехатронным системам среднего быстродействия и только двадцать процентов от общего парка - высокого быстродействия. Точность манипулятора характеризуется результирующей ошибкой позиционирования (при дискретном движении) или отработки заданной траектории (при непрерывном движении). Как правило, точность перемещения звеньев робота выражают через абсолютную погрешность. По точности роботов общего назначения разделяют на три группы: - малая точность - при линейной погрешности от 1 мм и выше; - средняя точность - при линейной погрешности от 0,1 до 1 мм; - высокая точность - при линейной погрешности менее 0,1 мм. По числу степеней подвижности. Число степеней подвижности - это сумма возможных координатных перемещений объекта манипулирования относительно опорной системы.
Рисунок 1.2 - Напольный робот-манипулятор.
По способу размещения роботы бывают стационарные и подвижные (передвижные) и подразделяются на напольные (Рисунок 1.2), подвесные (перемещаются по поднятому рельсовому пути) (Рисунок 1.3) и встраиваемые в другое оборудование (например, в обслуживаемый станок) (Рисунок 1.4) и т.д. Подвижность робота определяется наличием или отсутствием у него устройства передвижения. Наиболее широко в промышленности при перемещении грузов большой массы помимо роботов-манипуляторов используются мостовые электрические краны. В зависимости от назначения крана на тележке можно размещать различные типы механизмов подъема или два механизма подъема, один из которых является главным, а второй (меньшей грузоподъемности) - вспомогательным.
Рисунок 1.3- Подвесной робот (канатный подвес).
Механизм передвижения крана установлен на мосту крана, механизм передвижения тележки - непосредственно на тележке. Управление всеми механизмами совершается из кабины, прикрепленной к мосту крана. Питание электродвигателей осуществляется от цеховых троллеев, обычно изготовляемых из стали уголкового профиля и прикрепляемых к стене здания. Для подачи напряжения на кран применяют токосъемники скользящего типа, прикрепляемые к металлоконструкции крана; Применение гибкого токопровода позволяет упростить конструкцию, повысить надёжность эксплуатации и снизить массу. При всем многообразии роботов-манипуляторов и подъемнотранспортного оборудования, конструктивные ограничения, накладываемые жесткостью конструкции, трудностью монтирования механизмов, которые для эксплуатации требуют строительства инфраструктуры (рельсовых путей, энергетики), необходимость подготовки квалифицированных операторов, человеческий фактор в плане безопасности препятствуют дальнейшему развитию и накладывают существенные ограничения на целый ряд требований. Таким образом, задача создания легко монтируемого, обладающего высокой степенью автоматизации робота-манипулятора для перемещения грузов, способного функционально заменить существующее оборудование является достаточно актуальной.
1.2 Анализ области применения манипуляторов исследуемого типа.
Тросовые управляемые манипуляторы состоят из управляемых приводов, которые позволяют контролировать высвобождение тросов (Рисунок 1.4). Эти тросы, в свою очередь, могут поддерживать широкий спектр конечных манипуляционных систем. Приводы могут быть как стационарными, так и мобильными, расположенными у границ рабочего пространства робота. В работе [3] описаны некоторые преимущества тросовых роботов, в том числе: 1) Удаленное расположение двигателей и элементов управления 2) Быстрая готовность к развертыванию 3) Потенциально большие рабочие области 4) Высокая нагрузочная способность 5) Надежность Благодаря этим характеристикам, тросовые роботы идеально подходят для решения многих задач, таких как обработка опасных материалов и поисково-спасательные работы. Система, подобная системе на рисунке 1.4 была представлена ранее на «Международной конференции по интеллектуальным роботам и системам IEEE/RSJ» и «Международной конференции по робототехнике и автоматизации ШЕЕ» [3]. Робот для использования в поисковых работах при стихийных бедствиях представлен в работах [4, 5]. Главным недостатком роботов подобного типа становится неустойчивость в ветреную погоду. Кроме того, несколько тросовых робототехнических систем, таких как SkyCam и Cablecam нашли применение в области спорта и развлечений. Похожие платформы были реализованы для использования в качестве тренажеров эмуляции воздушного транспортного средства в отработке стратегии управления. В последнее время подобные робототехнические системы продемонстрировали неплохие возможности для мониторинга наземных экосистем и водных ресурсов с упором на характеристики загрязняющих веществ. Существует достаточно много работ в области исследования кинематических, статических и динамических параметров тросовых робототехнических систем.
Создана аналитическая модель для плоского тросового управляемого робота и роботов с подобной аппаратной реализацией и получены экспериментальные результаты. Динамический анализ тросовых роботов представлен в [6] в случае жестких тросов и в для гибких тросов. Другие работы по проектированию и управлению тросовыми системами - WARP и FALCON. В работе [7] используется прямой и обратной методы кинематики с целью обеспечить контроль траектории тросового робота с использованием мобильных приводов. Управление осуществляется с помощью ПД - регулятора и предвычислителя. Авторы работ [8], [9] провели моделирование и получили некоторые экспериментальные результаты двух замкнутых асимптотических механизмов на основе критерия Ляпунова.
Рисунок 1.5 - Кабельный робот Robocam
1.3. Анализ конструктивных решений при проектировании манипуляторов.
Значительная часть промышленных роботов и манипуляторов имеет антропоморфные признаки (напоминают человеческую руку). Конструктивно это выражается в последовательном расположении двигателей, встроеных в шарнир или связаных с имеющим одну степень свободы шарнирным соединением. На рисунке 1.6 (а) показан двигатель вращения, расположенный непосредственно в шарнире; на рисунке 1.6 (б) показан линейный привод, "охватывающий" шарнирное соединение. С точки зрения геометрии и в том и в другом случае расположения привода выполняется одна и та же функция. Расположение двигателя на рисунке 1.6 (б) более "антропоморфно", поскольку втягивание линейного двигателя в значительной степени похоже на сокращение мышц конечности человека. На рисунке 1.7 показан схожий способ расположения приводов, охватывающих два шарнира, при этом приводы действуют частично в параллельном режиме и их соединение нельзя считать последовательным.
Рисунок 1.6 - Схема управления вращением шарнира.
а - с помощью вращательного двигателя в шарнире; б - с помощью линейного двигателя, "охватывающего" шарнир.
Рисунок 1.7 - Два плоских манипулятора с тремя степенями свободы.
а - три последовательно расположенные вращательные двигатели; б - два линейных двигателя, каждый из которых "охватывает" два шарнира.
Еще одним из подобных примеров является способ управления плоским движением исполнительного звена или стола. Два варианта, показанные на рисунке 1.8, геометрически эквивалентны; все три ведущие цепи действуют полностью параллельно. Такая схема представляет собой полную противоположность схемы обычного "последовательного" привода, например, крестового стола фрезерного станка.
