Форма зоны обслуживания манипулятора

Манипулятор промышленного робота (механическую руку) принято подразделять на две основные части - собственно манипулятор и захватное устройство (захват). Синонимами термина "захват" являются английские слова hand (рука), gripper (схват) и jaws (челюсти). В соответствии с терминологией, утвержденной японским промышленным стандартом JIS, захват называется просто кистью руки. Собственно манипулятор (без захватного устройства) часто называют рукой (arm), рукой манипулятора (manipulator arm) или просто манипулятором. Между двумя перечисленными частями механической руки существует следующее очевидное распределение ролей. Какую бы работу ни выполнял робот, в первую очередь необходимо правильно выбрать захватное устройство, способное надежно удерживать рабочий объект в процессе выполнения заданных манипуляций. Однако сами манипуляции (перемещение захвата с рабочим объектом) совершаются исключительно за счет манипулятора. Поэтому с этой точки зрения первостепенное значение приобретают кинематические возможности манипулятора.

Множество самых разнообразных перемещений манипулятора в трехмерном пространстве обеспечивается в основном за счет кинематических механизмов всего двух типов - механизма поступательного движения и механизма вращательного движения. На первый взгляд все манипуляторы отличаются друг от друга лишь количеством и порядком чередования поступательных и вращательных механизмов. Однако при более внимательном рассмотрении оказывается, что и поступательное, и вращательное движения могут быть выполнены разными способами при помощи различных кинематических механизмов. В табл. 3.2 представлены наиболее распространенные типы кинематических механизмов (звеньев и шарниров). Каждый такой механизм обозначен схематически в соответствии с японским промышленным стандартом JIS. Указанные типы шарниров покрывают весь класс кинематических механизмов, применяемых в современных промышленных роботах, включая новейшие экспериментальные модели с элементами искусственного интеллекта. По-видимому, на сегодняшний день не существует роботов, кинематические схемы которых не могли бы быть представлены в виде некоторой последовательности звеньев и шарниров из табл. 3.2. Даже если когда-нибудь практическое распространение получат роботы с эластичным манипулятором, который сможет изгибаться подобно щупальцам осьминога или хоботу слона, то, вероятно, и в этом случае все движения гибкого манипулятора смогут быть промоделированы с помощью соответствующего набора представленных в табл. 3.2 элементарных кинематических механизмов.

Таблица 3.2. Символическое обозначение кинематических пар и механизмов, применяемых в робототехнике (JIS 0138-1980)

Поступательное движение звеньев реализуется кинематическими механизмами скользящего типа. Наибольшее распространение получили две разновидности скользящих механизмов. Их схемы показаны в табл. 3.2 под номерами 1 и 2 соответственно. В механизме первого типа поступательное движение достигается за счет простого вложения перемещаемого звена в муфту. Во втором случае оно обеспечивается в результате удлинения-сокращения звена, один из концов которого закреплен. Под номером 3 в таблице приводится кинематический механизм вращательного типа. С помощью такого механизма выполняется вращение звена манипулятора вокруг собственной оси. Четвертым по порядку показан механизм поворотного типа (разновидность 1). С его помощью звено может поворачиваться на некоторый угол вокруг оси, проходящей перпендикулярно звену. Вторая разновидность механизма поворотного типа приведена под номером 5. Эта разновидность по своим кинематическим возможностям полностью аналогична предыдущей. Однако в этом случае горизонтальное звено поворачивается вместе с соединительной муфтой вокруг так называемой главной оси вращения антропоморфного манипулятора, которая в отличие от предыдущего случая остается неподвижной. Следующий, шестой по счету кинематический механизм называется дифференциалом или зубчатым дифференциальным механизмом с двумя степенями подвижности. Скорость и Направление вращения вертикальной оси зависят от разности скоростей вращения левой и правой горизонтальных осей. Таким образом, дифференциальный механизм оказывается более сложным, чем любой из предыдущих. Вслед за дифференциалом под номером 7 в таблице приводится схематическое обозначение шарового шарнира. Шаровой шарнир кинематически эквивалентен плечевому суставу человека, обладает тремя независимыми степенями подвижности и может одновременно совершать три вида движений.

Итак, в общем случае манипулятор любого робота может быть получен в результате последовательного соединения некоторого количества поступательных и вращательных звеньев; возможные типы некоторых приведены в табл. 3.2. При этом к самому последнему звену крепится захватное устройство. На рис. 3.75 приведены примеры кинематических схем манипуляторов, образованных определенными последовательностями поступательных и вращательных звеньев, а на рис. 3.76-3.78 - плоские проекции областей достижимости (геометрического места точек, которые достигаются запястьем при всевозможных значениях углов в шарнирах) для каждого из этих манипуляторов. Обычно область достижимости манипулятора называют рабочей областью (рабочей зоной) промышленного робота.

Рис. 3.75. Примеры типичных кинематических схем манипуляторов промышленных роботов (JIS В 0138-1980). а - манипулятор с цилиндрической системой координат основных движений, запястье которого имеет две степени подвижности; б - манипулятор со сферической системой координат основных движений, запястье которого имеет три степени подвижности; в - манипулятор с прямоугольной системой координат основных движений, запястье которого имеет две степени подвижности; г - многозвенный антропоморфный манипулятор, запястье которого имеет три степени подвижности

Сосредоточим теперь внимание на перемещении рабочего органа робота. Как уже отмечалось, при изменении значений углов во всех или некоторых шарнирах манипулятора запястье начинает перемещаться, описывая при этом пространственную кривую. К запястью прикрепляется захватывающее устройство. Кинематический механизм, с помощью которого реализуется присоединение захвата, сам обладает одной - тремя степенями подвижности. Следовательно, при одновременном движении каких-либо из поступательных или вращательных звеньев захват также описывает некоторую пространственную кривую, причем для выбора позиции и ориентации захвата в какой-либо точке рабочей области могут использоваться все без исключения степени подвижности манипулятора и запястья. Естественно, что количество, последовательность чередования и вид кинематических механизмов, с помощью которых построен манипулятор, всецело определяют характер возможных перемещений захвата. В частности, для манипулятора, показанного на рис. 3.75, а, основным видом перемещений является вращение звена с запястьем и захватом вокруг неподвижной вертикальной оси, жестко прикрепленной к полу. Помимо основного движения это звено может подниматься и опускаться в направлении той же вертикальной оси. Соответствующая рабочая область, образованная из множества точек, которые могут быть достигнуты запястьем в результате всевозможных сочетаний двух видов перемещений, приведена на рис. 3.76. Поскольку в данном случае рабочая область имеет форму цилиндра, робот, манипулятор которого обеспечивает соответствующий набор видов перемещений, называется цилиндрическим или роботом с цилиндрической системой координат основных движений. Для манипулятора на рис. 3.75, б позиция и ориентация запястья устанавливаются в результате последовательного или одновременного выполнения трех видов перемещений: вращения всего манипулятора вокруг вертикальной оси, наклона второго звена вверх-вниз в вертикальной плоскости и сокращения-удлинения второго звена. Рабочая область этого манипулятора схематически показана на рис. 3.77. Как следует из рисунка, множество точек достижимости запястья в этом случае представляет собой сферический сегмент. Поэтому второй робот называется сферическим или роботом со сферической системой координат основных движений.

Рис. 3.76. Рабочая область манипулятора с цилиндрической системой координат основных движений (JIS В 0138-1980). L - длина корпуса робота; R_max - расстояние от центральной оси робота до конца Захватного устройства при условии, что рука вытянута вперед на максимально возможное расстояние; R_min - то же, но при условии, что рука вытянута вперед на минимально возможное расстояние (максимальное сокращение руки); +θ_mах - максимальный угол вращения руки в горизонтальной плоскости (влево-вправо) в положительном направлении; -θ_max - то же, но в отрицательном направлении; +Z_max - предельное верхнее положение руки; -Z_max - предельное нижнее положение руки; R_bmах - максимальное расстояние от центральной оси робота, на котором может произойти столкновение заднего конца одного из звеньев робота с посторонним предметом при минимальном выносе руки вперед (при максимальном сжатии); Z₀ - расстояние от нормальной плоскости до точки 0 начала отсчета на центральной оси робота; В - ширина робота; L - длина робота; Н - высота робота; Н' - высота корпуса по отношению к нормальной плоскости; В₀, L₀ - ширина и длина корпуса робота, измеренные от точки отсчета 0 до граничных плоскостей

Рис. 3.77. Рабочая область манипулятора со сферической системой координат основных движений (JIS В 0138-1980). +Ф_max - максимальный угол поворота в вертикальной плоскости (вверх-вниз) в положительном направлении; -Ф_mах - то же, но в отрицательном направлении. При описании поворота в вертикальной плоскости предельные положения могут обозначаться как в угловых величинах +Ф_mах и -Ф_mах, так и в единицах длины -Z_max и +Z_min. При углах поворота, меньших 90°, поворот описывается с помощью линейных расстояний между крайними положениями захвата

Помимо двух отмеченных типов роботов широкое распространение получили так называемые декартовые роботы, или роботы с прямоугольной системой координат основных движений (рис. 3.75, в). Захват таких роботов достигает любой точки рабочей области в результате поступательных перемещений по трем взаимно перпендикулярным направлениям параллельно осям некоторой декартовой системы координат. Еще один распространенный тип кинематики манипулятора показан на рис. 3.75, г. Захват этого робота перемещается в результате вращения всего манипулятора вокруг вертикальной оси и последовательности поворотов смежных звеньев относительно друг друга. Его кинематика близка по количеству и типу степеней подвижности к кинематике руки человека. Поэтому такой робот принято называть антропоморфным или роботом с антропоморфным манипулятором. Выпускаемые в последнее время наиболее совершенные промышленные роботы, как правило, имеют антропоморфные манипуляторы. Их отличительной особенностью являются очень большие по сравнению с манипуляторами других типов размеры рабочей зоны (рис. 3.78). Именно благодаря этому популярность антропоморфных роботов неуклонно возрастает.

Рис. 3.78. Рабочая область многозвенного антропоморфного манипулятора (JIS В 0138-1980). +θ_max - максимальный угол поворота руки в горизонтальной плоскости (влево-вправо) в положительном направлении; -θ_mах - то же, но в отрицательном направлении; Z_max - предельное верхнее положение руки; Z_min - предельное нижнее положение руки; Z₀ - расстояние от нормальной плоскости до точки 0 начала отсчета на центральной оси робота; R_max - расстояние, на котором кончик захвата находится в положении, максимально удаленном от вертикальной оси, проходящей через начальную точку 0; R_min - расстояние от начальной точки 0 до наиболее близкой к 0 точки, достижимой кончиком захватного устройства. Сечение рабочей области плоскостью, параллельной нормальной плоскости и проходящей через начальную точку 0, называют горизонтальным сечением

Как уже отмечалось, системы управления приводами манипуляторов промышленных роботов мало чем отличаются от аналогичных по назначению систем для станков с числовым программным управлением. Самое основное из имеющихся отличий заключается в том, что в роботах применяются очень непрочные по своей конструкции, механически весьма ненадежные кронштейны для крепления электродвигателей приводов. Главной причиной, заставляющей, невзирая на отмеченные недостатки, все-таки использовать кронштейны в механизмах современных манипуляторов, является стремление увеличить размеры рабочей зоны робота за счет построения многозвенных кинематических механизмов с независимым управлением каждой степенью подвижности. В частности, показанный на рис. 3.75, г многозвенный антропоморфный манипулятор имеет самую невыгодную в плане механической прочности и надежности конструкцию. Тем не менее именно эта конструкция обеспечивает данному роботу максимальные размеры рабочей области по сравнению со всеми остальными роботами, показанными на рис. 3.75.

С целью повышения механической прочности при сохранении повышенных размеров рабочей области в новейших моделях промышленных роботов начали использоваться манипуляторы с параллельными звеньями. Примером такого манипулятора с параллельными звеньями может служить манипулятор, показанный на рис. 3.79: он имеет одно параллельное звено и тем не менее полностью эквивалентен по своим кинематическим возможностям обычному антропоморфному манипулятору (рис. 3.75, г).

Рис. 3.79. Устройство многозвенного антропоморфного манипулятора с плоскопараллельным кинематическим механизмом для повышения жесткости конструкции (а, b, с, d - звенья параллелограмма)

Если робот управляется непосредственно от компьютера, т. е. без регенерации рабочих координат, записанных в управляющую память при обучении по первому циклу, компьютеру, как правило, приходится выполнять колоссальный объем вычислений. Например, среди четырех типов роботов, приведенных на рис. 3.75, весьма сложных расчетов потребует кинематика робота на рис. 3.75, б, но самый большой объем вычислений необходимо проводить все-таки при управлении от ЭВМ роботом на рис, 3.75, г с многозвенным антропоморфным манипулятором. Если учесть, что большинство современных промышленных роботов управляется от простых, относительно недорогих микропроцессоров, то нетрудно предположить, что их вычислительные мощности могут оказаться недостаточными для организации управления в реальном масштабе времени. Поэтому приходится либо выбирать манипулятор, кинематика которого не требует большого количества расчетов для определения значений углов в шарнирах при заданной конфигурации захвата, либо использовать упрощенные методы вычислений с пониженной точностью или применять какие-нибудь еще способы уменьшения объема вычислений, которые необходимо проводить в реальном масштабе времени. Наиболее радикальным способом является применение конструкций манипуляторов, вообще не требующих проведения каких-либо расчетов. К сожалению, количество манипуляторов с такой кинематикой пока незначительно, а возможности их практического использования только начинают изучаться. Одной из наиболее распространенных конструкций, не требующих проведения специальных расчетов, является плоскопараллельный кинематический механизм, схема которого показана на рис. 3.80.

Рис. 3.80. Плоскопараллельный кинематический механизм

Точка С на схеме (рис. 3.80) соответствует запястью манипулятора. К звеньям манипулятора АВ и ВС в промежуточных точках D и F присоединены вспомогательные звенья DE и FE, в результате чего образуется подвижный параллелограмм звеньев BDEF. При этом отношение длины отрезков AD и АВ составляет 1:n. Если звено АВ закрепить в точке А так, чтобы оно могло вращаться без поступательного движения, то при перемещении точки Е в вертикальной плоскости вверх или вниз точка С также придет в движение в соответствующей вертикальной плоскости, перемещаясь при этом вверх или вниз на величину, в n раз превышающую величину перемещения точки Е. Аналогично, если при закрепленном относительно поступательного перемещения конце А сместить точку Е на некоторую величину в горизонтальном направлении, то точка С переместится в том же направлении на расстояние, в n раз превышающее величину смещения точки Е. Обратная ситуация будет наблюдаться, если в рассматриваемом механизме вместо точки А закрепить относительно поступательного перемещения точку Е. Если теперь сместить точку А вверх или вниз в вертикальной плоскости, то точка Е переместится в том же направлении на расстояние, в n раз меньшее, чем сместилась точка А.

Если для рассмотренного плоскопараллельного механизма дополнительно обеспечить возможность поворота всего механизма вокруг вертикальной оси, то по своим кинематическим возможностям он практически не будет отличаться от обычного многозвенного антропоморфного манипулятора. Однако в этом случае количество вычислений, необходимых для управления таким манипулятором, оказывается поразительно малым.

Промышленный робот с подобным плоскопараллельным манипулятором впервые был разработан в Научно-исследовательском центре проблем механики д-ром Идо (рис. 3.68). Такая же конструкция применялась и в другом японском промышленном роботе - "Тайнити Кико". Д-р Накано^* использовал плоскопараллельный механизм при разработке крупногабаритного Манипулятора для переноса людей. В отличие от двух предыдущих этот манипулятор имеет еще одну степень подвижности - скольжение в поперечном направлении. Устройство этого робота, названного MELCONG, иллюстрируется на рис. 3.81. Хиросэ^** (применил плоскопараллельные механизмы при разработке конечностей шагающего робота (с декартовой системой координат основных движений), а также при построении манипулятора этого робота. Принцип работы декартовых параллельных механизмов аналогичен общей схеме, показанной на рис. 3.80, т. е. при закрепленном относительно поступательного перемещения конце А перемещение точки Е на некоторую величину в вертикальном направлении вызывает перемещение точки С в том же направлении на расстояние, в n раз большее, чем величина смещения точки Е. Следовательно, если обеспечить достаточную жесткость в поперечном направлении, то этот механизм превратится в пространственный многозвенный антропоморфный манипулятор, не требующий проведения каких-либо расчетов значений углов в шарнирах при перемещении захвата в заданную точку рабочей области. Главным недостатком манипуляторов с плоскопараллельным механизмом является относительно невысокая точность позиционирования. В самом деле, если при перемещении фокуса (точки Е) будет допущена небольшая погрешность, то результирующая ошибка в позиционировании захвата (точка А) станет в n раз большей.

^* (Научно-исследовательский центр проблем механики)

^** (Токийский технологический университет)

Рис. 3.81. Устройство манипулятора MELCONG. 1 - гидроцилиндр для управления перемещениями вверх-вниз вдоль вертикальной оси; 2 - направляющая поперечного скольжения; 3 - гидроцилиндр для управления перемещениями влево-вправо в горизонтальной плоскости; 4 - гидроцилиндр для управления перемещениями вперед-назад в горизонтальной плоскости

Помимо изучения возможностей многозвенных шарнирных кинематических механизмов ведутся исследовательские работы по созданию гибких манипуляторов, подобных по своим двигательным возможностям хоботу слона или щупальцам осьминога. В частности, в Токийском технологическом университете группой исследователей под руководством Умэтани был разработан экспериментальный манипулятор, похожий на хобот и отвечающий основным требованиям гибкости. Фирма Tochiba предложила другую конструкцию гибкого манипулятора с последовательным соединением восьми одинаковых гибких звеньев, имеющих по две степени подвижности. Устройство одного из гибких двухстепенных звеньев показано на рис. 3.82. Общим недостатком гибких хоботообразных манипуляторов обычно является их относительно невысокая грузоподъемность.

Рис. 3.82. Устройство гибкого звена с двумя степенями подвижности. 1 - серповидная шестеренка; 2 - ведущая шестеренка; 3 - жесткий каркас; 4 - секция А; 5 - электрод-мотор М; 6 - червяк; 7 - червячная передача; 8 - потенциометр; 9 - секция В