Введение

Одними из самых ярких представителей промышленных роботов являются манипуляционные роботы. С их помощью наиболее эффективно решается ряд таких производственных задач, как автоматизация выполнения монотонных и однообразных операций, повышение точности и скорости выполнения операций, перемещение тяжелых и негабаритных деталей и грузов. Использование манипуляционных роботов позволяет заменить человека роботом при работе с опасными веществами.

Понятия промышленный робот и манипулятор неразрывно связаны. Промышленный робот – это автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением. А манипулятор, в свою очередь, можно рассматривать как разомкнутую цепь, которая состоит из нескольких твердых тел (звеньев), последовательно соединенных вращательными или поступательными сочленениями, приводимыми в движение силовыми приводами. Один конец этой цепи соединен с основанием, а другой конец свободен и снабжен рабочим органом (его также называют рабочим инструментом), позволяющим воздействовать на объекты манипулирования или выполнять различные технологические, например, сборочные, операции. Относительное движение сочленений передается звеньям, в результате чего рабочий инструмент манипулятора занимает в пространстве заданное положение.

Для описания структуры манипулятора вводится понятие «Кинематическая пара». Кинематическая пара – это вид соединения двух звеньев, обеспечивающих определенное относительное движение. Сумма степеней свободы всех кинематических пар и позволяет говорить о количестве степеней свободы манипулятора, что, в свою очередь, является одной из главных кинематических характеристик манипулятора.

Другим важным параметром манипулятора является вид зоны обслуживания – части пространства, охватываемой всеми возможными положениями рабочего инструмента манипулятора. Зона обслуживания манипулятора зависит от конфигурации манипулятора, или, другими словами, вида механики манипулятора. Также от вида механики зависит и выбор системы координат, в которой работает манипулятор. В основном, используется 5 видов механик манипулятора (рис. 1).

Прямоугольная конфигурация промышленного робота в общем виде имеет три поступательных кинематических пары. Схват (рабочий инструмент) такого робота перемещается в прямоугольной системе координат. Благодаря жесткой конструкции, такие манипуляторы можно использовать для операций с тяжелыми грузами, причем, зона обслуживания такого манипулятора может быть весьма большой. Однако, такие роботы имеют весьма большие габариты по сравнению с другими конфигурациями манипуляторов.

Рис. 1 Системы координат и зоны обслуживания различных конфигураций манипулятора: а) прямоугольная конфигурация, б) цилиндрическая конфигурация, в) сферическая конфигурация, г) антропоморфная конфигурация, д) SCARA конфигурация

Цилиндрическая конфигурация промышленного робота обычно имеет одну вращательную и две поступательных кинематических пары. Схват робота перемещается в цилиндрической системе координат, которая имеет три независимых координаты: ось Х, ось Z и поворот вокруг оси Z. Жесткая конструкция такого манипулятора также позволяет работать с грузами, однако, зона обслуживания такого манипулятора невелика. Обычно, такие манипуляторы используют для перемещения заданных объектов в пределах небольшой области, например, между несколькими полками.

Сферическая конфигурация манипулятора включает в себя две вращательных и одну поступательную кинематическую пару. Независимые координаты сферической системы координат – ось Х и повороты вокруг двух остальных осей. Несмотря на то, что такая конфигурация предоставляет большую зону обслуживания, подобные роботы не такие поворотливые, как роботы остальных конфигураций. Их применяют, когда в производственном процессе не нужно большое количество вертикальных действий.

Антропоморфная (ангулярная) конфигурация состоит только из вращательных кинематических пар. При такой конфигурации кинематическая пара у основания позволяет манипулятору поворачиваться вокруг оси Z, а остальные кинематические пары позволяют любому звену наклониться на требуемый угол, т.е. осуществить поворот вокруг оси Y. Такой робот очень маневренный и имеет большую рабочую зону. Поэтому роботы с такой конфигурацией очень часто применяются на производстве при выполнении всевозможных операций, от сборки до покраски. Самый популярный манипулятор с такой кинематикой это PUMA, поэтому антропоморфную кинематику часто также называют PUMA.

И, наконец, конфигурация, которая называется** SCARA**, что расшифровывается как Selectively Compliant Assembly Robot Arm, т.е. Выборочно Податливая Сборочная Роботизированная Рука. Звенья такого манипулятора поворачиваются на угол относительно друг друга в одной плоскости. Рабочий инструмент может перемещаться по оси Z. Зона обслуживания такого манипулятора невелика, т.к. она ограничена одной плоскостью, зато такие манипуляторы весьма компактны. Манипуляторы на этой механике работают очень быстро и точно, но они не предназначены для работы с тяжелыми грузами. Их часто используют при сборке небольших продуктов (например, электроники), пайке, фрезеровке, гравировке и т.д. Управление промышленных роботов бывает нескольких типов: адаптивное, программное, ручное и основанное на методах искусственного интеллекта.

Адаптивное управление предполагает наличие системы обратной связи в виде различных сенсоров и датчиков. Манипулятор получает данные о положении захватываемого объекта и о положении схвата, что позволяет захватить и переместить объект без участия оператора, независимо от начального положения объекта и прочих факторов, способных нарушить работу манипулятора.

Ручное управление – это управление манипулятором, которое осуществляется непосредственно оператором, посредством набора рычагов или управляющего механизма. Управление, включающее в себя управляющий манипулятор, – это особый случай ручного управления, который называется копирующим манипулятором. Когда реализован копирующий манипулятор, исполнительный промышленный робот имеет такую же структуру, как и управляющий. При изменении положения управляющего механизма исполнительный манипулятор копирует его движения.

При использовании программного управления в промышленного робота загружают жесткую последовательность действий, которая регулярно повторяется. Эти действия можно задать несколькими способами.

При цикловом программном управлении программируются последовательность выполнения движений и условия начала и окончания движений. Положения, до которых идет движение, ограничиваются не программно, а с помощью концевых переключателей. Скорость перемещения определяется характеристиками привода и также не задается в программе. Однако, в дополнение к последовательности движений программист может задать требуемые выдержки времени (на выполнение команды или на промежутки времени между командами или движениями).

При позиционном программном управлении команды подаются так, что перемещение рабочего органа происходит от точки к точке, причем положения точек задаются программой. Скорость перемещения опять же не задается в программе. В отличие от циклового управления, число точек может быть большим.

Также существует контурное программное управление. Оно отличается от позиционного наличием программной регулировки скорости.

В позиционном и контурном управлении последовательность движений, условия выполнения движений и значения перемещений или углов поворота задаются в программе и, зачастую, предварительно вычисляются. Однако, в таких типах программного управления иногда применяют принцип обучения. Он состоит в том, что оператор вручную задает позицию рабочего органа, а управляющий контроллер ее запоминает. Таким образом, во время выполнения программы манипулятор повторяет движения, в которые оператор ставил схват.

Манипулятор – это очень мощный и многофункциональный инструмент, поскольку существует много видов рабочего инструмента манипулятора, подходящих под выполнение различных задач. Рабочим органом манипулятора может быть, например, сварочный инструмент, покрасочный пульверизатор, фреза, подъемный инструмент или схват. Именно за счет широких возможностей использования в различных производственных операциях, манипуляторы так часто используются в промышленности.