Кинематика многозвенных манипуляторов; конструкции манипуляторов промышленных роботов
СОДЕРЖАНИЕ
- Введение
- Кинематика многозвенных манипуляторов
- Конструкции манипуляторов промышленных роботов
- Заключение
Введение
В настоящее время предложено множество методов синтеза и аппаратных решений для высокоточных систем управления приводами промышленных манипуляторов (ПМ), и они успешно используются в серийной технике. В результате, точность позиционирования рабочего инструмента ПМ в пространстве определяется в основном точностью кинематической модели многозвенника, так как контроллер ПМ определяет положение рабочего инструмента с использованием только этой модели и показаний датчиков углов поворота приводов ПМ. Большинство ПМ задействованы в операциях, не требующих высокой точности (в пределах 0.5 мм) позиционирования рабочего инструмента, что может быть обеспечено с помощью стандартной кинематической модели с номинальными параметрами, взятыми из технического описания ПМ. Однако на основе промышленных многозвенных манипуляторов можно реализовывать обрабатывающие комплексы, выполняющие операции фрезерования, сверления и т.п., которые обладают большой рабочей зоной, гибкостью в программировании и относительно небольшой стоимостью.
Кинематика многозвенных манипуляторов
В работе будут рассматриваться промышленные манипуляторы типа PUMA, которые наиболее распространены в промышленности и используются для выполнения технологических операций.
Кинематическая модель таких манипуляторов описывается с помощью уравнений вида:
(1)
где – матрица однородного преобразования, описывающая положение и ориентацию конечного звена манипулятора в абсолютной системе координат, связанной с основанием манипулятора;
– матрица ориентации последнего звена манипулятора в абсолютной системе координат;
– вектор координат последнего звена в абсолютной системе координат манипулятора;
- нулевой вектор строка;
– матрица параметров Денавита-Хартенберга;
Q = (q1,…,q6) – вектор обобщенных координат (углов поворота приводов) манипулятора;
– матрица Деннавита Хартенберга.
Кинематическая модель используется для решения прямой задачи кинематики, то есть для вычисления положения и ориентации последнего звена манипулятора на основе величин Q и Ф. При этом для планирования движений манипуляторов должна решаться обратная задача, заключающаяся в расчете желаемого вектора Q*, который соответствует желаемому положению и ориентации последнего звена манипулятора ?*?:
, (2)
где FIKT() – функция решения обратной задачи кинематики. Функция (2) может быть реализована как с помощью аналитических выражений, так и с помощью итерационных алгоритмов численной оптимизации.
Выражения (1) и (2) используется контроллерами манипуляторов для вычисления положения и ориентации рабочих инструментов, а также желаемых углов поворота приводов манипуляторов. При этом в качестве кинематических параметров манипуляторов обычно используется матрица , соответствующая их номинальным геометрическим параметрам, приведенным в технической документации.
Однако точные кинематические параметры Ф конкретного манипулятора могут отличаться от его номинальных параметров вследствие неточности изготовления и соединения его механических элементов. В результате реальные параметры манипулятора отличаются от чертежа на некоторую малую величину:
? = + ?. (3)
Использование в (2) параметров приводит к тому, что вместо вектора Q* , соответствующего желаемому значению ?*? будет сформирован вектор , который будет отличаться от вектора Q* на некоторую величину . Наличие ξ приводит к тому, что при выводе всех приводов манипулятора в положение, соответствующее , последнее звено манипулятора будет находиться не в желаемом положении ?*?, а в положении , которое отличается на величину . То есть отклонение параметров кинематической модели, используемой контроллером, от реальных параметров манипулятора, приводит к появлению ошибок позиционирования его конечного звена. Это особенно важно для случаев, когда траектория движения манипулятора рассчитывается автоматически, на основе информации, поступающей от внешних измерительных систем (лазерных или оптических сканеров, фотокамер и т.д.). При этом при расчете положения конечного звена манипулятора с использованием выражения (1), матрицы параметров и это расчетное положение будет совпадать с желаемым положением.
Уточнение кинематических параметров манипуляторов может производиться с помощью специальных измерительных систем, позволяющих с высокой точностью определять линейные и угловые координаты. Однако использование таких систем часто является невозможным из-за их высокой стоимости. При этом промышленные манипуляторы уже имеют высокоточную систему измерения углов поворотов их приводов, что можно использовать для вычисления их параметров.
Таким образом в работе ставится и решается следующая задача. Пусть имеется робот манипулятор типа PUMA, имеющий кинематические параметры, описываемые матрицей Ф.
Контроллер манипулятора использует для решения прямой и обратной задачи манипулятора матрицу номинальных параметров , что приводит к появлению ошибки ε при позиционировании конечного звена манипулятора в абсолютной системе координат. Для уменьшения этой ошибки необходимо разработать метод оценки параметров манипулятора на основе серии измерений его обобщенных координат.
Конструкции манипуляторов промышленных роботов
Промышленный робот - это автоматическая машина, стационарная или подвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.
Кроме официально принятого, сложилось и часто используется в практике более краткое определение: промышленный робот - перепрограммируемый автоматический манипулятор промышленного применения.
Манипулятор - совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.
Манипулятор промышленного робота предназначен для выполнения всех его двигательных функций и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью, оснащенный приводами и рабочим органом, а также в общем случае - устройством передвижения. Конструктивно манипулятор состоит из следующих компонентов:
-
- опорные (несущие) конструкции,
- манипуляционная система,
- рабочие органы,
- привода и устройства передвижения.
Устройство управления промышленного робота служит для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой и состоит из: собственно системы управления, информационно-измерительной системы с устройствами обратной связи и системы связи.
Опорные, или несущие, конструкции предназначены для размещения всех устройств и агрегатов промышленного робота, а также обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора. Опорные конструкции по своему исполнению весьма многообразны и могут выполняться в виде оснований, корпусов, стоек, колонн, металлоконструкций, рам тележек, порталов и т. п.
Манипуляционная система служит для переноса и ориентации рабочего органа или объекта манипулирования к заданной точке рабочей зоны и структурно представляет собой обычно многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью.
Рабочий орган манипулятора промышленного робота, предназначенный для непосредственного воздействия на объект манипулирования при выполнении технологических операций или вспомогательных переходов, представляет собой захватное устройство или рабочий инструмент.
Привод необходим для преобразования подводимой энергии в механическое движение исполнительных звеньев манипулятора в соответствии с командными сигналами, поступающими от системы управления, и в общем виде содержит
- энергоустановку,
- двигатели и
- передаточные механизмы.
Устройство передвижения предназначено для перемещения манипулятора или промышленного робота в целом в необходимое место рабочего пространства и конструктивно состоит из: ходовой части и приводных устройств.
Заключение
Механические манипуляторы представляют собой пространственные механизмы в виде разомкнутых, реже замкнутых кинематических цепей из звеньев, образующих кинематические пары с одной, реже двумя степенями подвижности с угловым или поступательным относительным движением и системой приводов обычно раздельных для каждой степени подвижности. На конце манипулятора находится рабочий орган. Конструкция манипуляторов определяется прежде всего их кинематической схемой. Кроме того, существенное значение имеют тип и размещение приводов и механизмов передачи движения от них к звеньям манипулятора. Наконец, в манипуляторах часто применяются устройства уравновешивания, которые также существенно сказываются на конструкции манипуляторов.
Список литературы
- Губанков А.С., Юхимец Д.А. Метод идентификации кинематических параметров многозвенного промышленного манипулятора // Экстремальная робототехника. 2018. №1. С. 325-334
- Гукасян А.А. О кинематике многозвенного манипулятора с упругими соединительными узлами и с упругими звеньями // Механика. 2014. №3. С. 68-83
- Юревич Е. Основы робототехники. - БХВ-Петербург, 2018. 304 с.
