Системы передвижения мобильных роботов

Системы передвижения роботов относятся к их исполнительным систе­мам наряду с манипуляционными системами. В современных мобильных роботах нашли применение практически все известные транспортные средства. Кроме того, предметом робототехники являются различные бионические способы передвижения (локомоций), заимствованные у жи­вой природы и не освоенные еще в технике. К ним, прежде всего, отно­сится шагание. Основной специфической частью всех систем передвижения являются движители, преобразующие усилие от двигателей приводов в усилие, движущее систему передвижения.

По типу внешней среды средства передвижения подразделяются на на­земные, водные, воздушные и космические, а по широте применения — на универсальные и специальные, предназначенные для особых условий и целей. Наземные универсальные системы передвижения — это тради­ционные колесные и гусеничные транспортные средства, а также шагающие(стопоходящие). Первые наземные мобильные роботы были созданы в связи с потребностью расширения рабочей зоны их манипуля­торов, а также для выполнения чисто транспортных операций (внутри­цеховой, складской и другой транспорт). На рис. 3.16 и 3.17 показаны примеры мобильных роботов на колесном и гусеничном ходу.

Рис. 3.16.Мобильный робот на колесном ходу (ЦНИИ РТК)

Рис.3.17. Мобильный робот на гусеничном ходу (ЦНИИ РТК)

Особый раздел робототехники составляют шагающие системы передви­жения и основанные на них транспортные машины. Они являются пред­метом робототехники потому, что механические ноги — педипуляторы от латинского слова (pes, pedis — нога) — наиболее близки другому ос­новному объекту робототехники — манипуляторам. Однако значение и потенциальные области применения шагающих машин выходят за пре­делы робототехники. Способ передвижения с помощью ног (шагание, бег, прыгание), как известно, является наиболее распространенным в жи­вой природе. Однако в технике он еще не получил заметного применения прежде всего из-за сложности управления.

Рис. 3.19.Звено манипулятора, перемещающегося на воздушных подушках

Рис. 3.20.Робот "Труболаз" для обследования трубопроводов (ЦНИИ РТК): а — внутри трубы; 6— вне трубы. Передвижение осуществляется путем поочередного закрепления концов корпуса и сокращения его длины на основе эффекта памяти формы

Развитие робототехники создало необходимую научно-техническую осно­ву для реализации этого принципиально нового для техники способа пере­движения и для создания нового типа транспортных машин — шагающих.

Шагающий способ представляет основной интерес для движения по за­ранее неподготовленной местности с препятствиями. Традиционные ко­лесные и гусеничные транспортные машины оставляют за собой непре­рывную колею, тратя на это значительно большую энергию, чем в случае передвижения шагами, когда взаимодействие с грунтом происходит только в местах упора стопы. Помимо этого шагающий способ передви­жения обладает и большей проходимостью на пересеченной местности вплоть до возможности передвигаться прыжками, преодолевать препят­ствия и т. п. При шагающем способе меньше разрушается грунт, что, на­пример, важно в тундре. При передвижении по достаточно гладким и подготовленным поверхностям этот способ уступает колесному в эконо­мичности, скорости передвижения и простоте управления.

В задачи системы управления шагающей машины входят:

· стабилизация в процессе движения положения корпуса машины в про­странстве на определенной высоте от грунта независимо от рельефа местности;

· обеспечение движения по определенному маршруту с обходом препят­ствий;

· связанное управление ногами, реализующее определенную походку с адаптацией к рельефу местности.

Поскольку основное назначение шагающих машин — передвижение по сильно пересеченной местности, управление ими обязательно должно быть адаптивным. В системе управления при этом выделяют обычно сле­дующие 3 уровня управления:

· первый, нижний, уровень — управление приводами степеней подвиж­ности ног;

· второй уровень — построение походки, т. е. координации движений ног, со стабилизацией при этом положения корпуса машины в про­странстве;

· третий уровень — формирование типа походки, направления и скоро­сти движения, исходя из заданного маршрута в целом.

Первый и второй уровни реализуются автоматически, а третий уровень осуществляется с участием человека-оператора ("водителя").

Попытки создать шагающие аппараты предпринимались давно. Одна из первых моделей стопоходящей машины была создана в прошлом веке математиком и механиком П.Л. Чебышевым. На рис. 3.21 показан четы-

На рис. 3.22 показана одна из первых разработок шагающего транспортно­го промышленного робота, разработанного в США для внутрицеховых работ, в частности, в металлургии. Грузоподъемность робота — 300 кг. В передней части робота — место оператора.

Рис. 3.22. Четырехногий транспортный робот для внутрицеховых работ

Рис. 3.24. Шестиногий шагающий аппарат с приклеивающимися стопами ног:

1 — телевизионная камера; 2 — шланг питания и управления;

3 — стопа ноги; в которую подается клейкая жидкость;

4 — одна из поднятых ног; 5 — корпус

Водные системы передвижения роботов основаны на традиционных средствах водного транспорта. На рис. 1.7 (см. главу]) был показан один из первых отечественных подводных роботов "Манта", в котором использованы винтовыедвижители для погружения, поступательного движения и маневрирования. Такие же движители применяются и во всех последующих конструкциях подводных роботов. Их типовая система пе­редвижения включает 1 или 2 вертикально направленных движителя за­глубления и 2 или 3 поворотных движителя, создающих управляемый по направлению и величине продольный вектор тяги для поступательного движения аппарата. Двигатели, входящие в состав этих движителей, — обычно электрические, постоянного тока.

Воздушные системы передвижения, как и водные, развиваются по 2 направлениям: во-первых, используются давно освоенные в авиации спосо­бы полета, а, во-вторых, ведутся исследования по освоению машущих способов полета, известных в живой природе. На рис. 3.26 показан один из экспериментальных образцов подобного аппарата.

Космические системы передвижения разделяются на системы для сво­бодно летающих роботов, для роботов, обслуживающих космические аппараты (снаружи и внутри), и для напланетных роботов. На рис. 3.27 показан пример конструкции свободнолетающего робота. Он имеет дви­гательную установку с системой двигателей, создающих усилие по отдельным степеням подвижности робота, систему питания двигателей с топливными баками, два манипулятора, навигационную систему, систе­му ориентации робота, систему радиосвязи, телевизионную систему, включающую две неподвижные и одну подвижную передающие телеви-

На рис. 3.28 приведен образец космического шагающего робота для на­ружного обслуживания орбитальных космических станций. Он пред­ставляет собой манипулятор, оба конца которого являются рабочими органами в виде стыковочного устройства. С их помощью манипулятор шагает по расположенным на поверхности обслуживаемого объекта та­келажным элементам, через которые он получает электроэнергию и осу­ществляет связь с пультом управления.

                  Рис. 3.28.Космический шагающий робот "Циркуль"

для наружного обслуживания орбитальных станций (ЦНИИ РТК):

I — модуль управления шарниром; 2 — вращающийся токосъемник;

3 — телевизионная камера; 4 — стыковочное устройство; 5 — такелажный элемент; 6 — привод (бесколлекторный двигатель; тормоз; инкрементный датчик);

7 — переносный пульт управления

На рис. 3.29 показан один из вариантов отечественных напланетных ро­ботов. Он имеет восьмиколесное шасси, где у каждого колеса свой элек­трический привод (мотор-колесо). На рис. 3.30 показано шасси "Марсо-хода", разработанного по международной программе "Марс-96". Шасси имеет значительно большую проходимость, чем у его предшественников "Луноходов", за счет изменяемой конфигурации. Оно реализовано на трехосной схеме со свободной подвеской осей, 6 индивидуально управ­ляемыми мотор-колесами в форме усеченных конусов и 2 механизмами шагания.

Рис. 3.29. Напланетный космический аппарат "Луноход"

Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства — датчики, необходимые для функционирования этих систем (например, датчики обрат­ной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т. п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не спе­цифичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно раз­делить на следующие 3 группы.

1. Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим
выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом
его функций.

2. Системы, определяющие различные физико-химические свойства
внешней среды и ее объектов.

3. Системы, определяющие координаты местоположения робота и па­раметры его движения, включая его координаты относительно объек­тов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К сенсорным системам первой группы относятся системы технического рения и различного типа локаторы. Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т. д. Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в про­странстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемеще­ния и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие навигацию в пространстве и системы, обеспечивающие безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т. п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, тоже образуют две подгруппы: системы, входящие в контур управления движением манипу­лятора, и системы, очувствления его рабочего органа. В число последних систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора сис­темы технического зрения и измерители усилий.

Контактные сенсорные системыприменяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактиль­ные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (сило-моментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством. Контактным сенсорным системам свойственна простота, но они накладывают существенные ограничения на динамику и прежде всего на быстродействие управления роботом.

Тактильные сенсоры помимо получения информации о контакте приме­няются и для определения размеров объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизирован­ных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т. д. Важным требованием, предъявляемым к этим устройствам, является высокая чувствительность (срабатывание при усилии в единицы и десятки грамм), малые габариты, высокая меха­ническая прочность и надежность.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой инфор­мации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения сре­ды и ее объектов.

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое приме­нение получили системы технического зрения, локационные, сило-моментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Как было отмечено в § 1.2, развитие систем технического зрения и использующих их очувствленных роботов стало одним из определяющих направлений современной робототехни­ки. При этом наряду с изучением и использованием методов решения этой задачи, присущих живой природе, широким фронтом ведутся раз­работки технических решений, не имеющих аналогов в природе. По сравнению со зрением живых организмов задачи технического зрения проще, так как для них, как правило, существенно более ограничен и заранее известен перечень объектов внешней среды, с которыми предстоит иметь дело. Часто также существует возможность специально организовать внешнюю среду для облегчения работы видеосистем. Например, для распознавания объектов можно маркировать их, применять контрасти­рующие с объектами поверхности, на которых они расположены, специ­альные системы освещения и т. д.

Зрительная информация обрабатывается иерархически на нескольких уровнях аналогично тому, как это происходит в живых организмах (см. главу 2). В аппаратной реализации эти уровни образуют 2 основных эта­па обработки информации. Первый этап — предварительная обработка первичной зрительной информации с целью сокращения объема инфор­мации с выделением только той, которая необходима для функциониро­вания робота при выполнении им конкретных операций.

ПРИВОДЫ РОБОТОВ

Классификация приводов

Привод, как известно, включает, прежде всего, двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные

механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью встраивания приводов в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения — габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически неколебательными. Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требова­ниями к роботу в целом, рассмотренными в § 3.1 при классификации ро­ботов. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения на выходе приводов роботов в среднем составляла от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В роботах нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

На рис. 4.1 приведена типовая схема привода манипулятора. Наряду с общей обратной связью по положению в схеме имеется обратная связь по

скорости, которая играет роль корректирующей гибкой обратной связи и часто, кроме того, служит для управления скоростью. В тех случаях, когда механизм М является редуктором и понижает скорость, датчик скорости ставится не как показано на рисунке, а на выходе двигателя пе­ред механизмом, чтобы увеличить снимаемый с датчика сигнал по ско­рости. Устройство управления может быть непрерывного действия, ре­лейным, импульсивным или цифровым.

Рис. 4.1. Типовая схема позиционного привода манипуляторов:

Д — двигатель; М — механизм передачи и преобразования перемещения;

ДП, ДС — датчики положения и скорости; УУт, УУт — составные части

устройства управления УУп

Применение пневматических приводов в робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Правда, эти при­воды плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегу­лируемые с цикловым управлением. Пневматические приводы применя­ют только в роботах небольшой грузоподъемности— до 10 кг, реже 20 кг.

Гидравлические приводы наиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяже­лых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в роботах средней грузоподъемности, для которых требуются высококачественные динамические характеристики.

Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, просто­ту подвода энергии, больший к.п.д. и удобство эксплуатации имеет худ­шие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравли­ческий приводы. Прогрессивное увеличение в последние годы доли электромеханических роботов в общем парке роботов в мире вызвано быстрым прогрессом в создании новых типов электрических двигателей, специально предназначенных для роботов и позволяющих создавать бо­лее компактные комплектные приводы всех требуемых типов. На сегодня основная область применения электрических приводов в робототехни­ке — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с высококачественным управлением и мобильные роботы.

Пневматические приводы

В пневмопривод одной степени подвижности входят двигатель, распре­делительное устройство и регулятор скорости. Двигатель может быть поступательного движения — пневмоцилиндр и поворотный. Пневмоцилиндр состоит из гильзы, выполненной из прецизионной трубы обычно с фторопластовой накладкой внутри, поршня с уплотнением, которое име­ет малое трение по фторопласту, и штока. К пневмоцилиндру часто при­строен тормоз, включающийся в конце хода поршня. Поршень со што­ком, который присоединен к нагрузке двигателя, движется под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость цилиндра с одной стороны поршня. Полость, расположенная с другой стороны поршня, соединяется при этом с атмосферой для выпуска воздуха, сжимаемого движущимся поршнем. Направление движения поршня со штоком зависит от того, с какой стороны от поршня подается сжатый воздух.

Поворотные пневматические двигатели, применяемые в роботах, имеют ограниченный угол поворота (неполноповоротные двигатели). Их под­вижная часть представляет собой лопасть, укрепленную на выходном валу и расположенную в кольцеобразном корпусе. Внутри корпуса име­ется перегородка, с двух сторон которой получаются полости для возду­ха, разделенные подвижной лопастью.

Распределительное устройство пневмопривода служит для управления подачей воздуха в двигатель. Выполняют его из золотников или клапа­нов обычно с электромагнитным приводом, управляющие сигналы на которые поступают от устройства управления робота.

Регулятор скорости поддерживает заданную скорость движения привода путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (напри­мер, с помощью дросселя с обратным клапаном).

Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением 0,3— 0,6 МПа. Сжатый воздух поступает на приводы от общего блока пита­ния, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в двигателе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода.

Сжатый воздух на вход блока питания поступает обычно из общей пневмосети предприятия, в которую он подается от компрессора (компрес­сорной станции). В мобильных роботах воздух поступает из баллонов, в которых он находится под повышенным давлением.

Как было указано, в настоящее время подавляющее большинство пневмоприводов роботов имеют простейшее цикловое управление (по упо­рам). При таком управлении привод перемещается из начального поло­жения сразу в конечное, которое определяется механическим упором, установленным на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Упор находит на демпфер, который гасит энергию движения, обеспечивая безударное торможение привода. Одновременно с этим прекращается подача воздуха в двига­тель. Демпферы в основном гидравлические, а для маломощных приво­дов — более простые пружинные. Прибегают также к способу торможения противодавлением, при котором демпфер не требуется, а торможение происходит за счет переключения подачи воздуха в момент торможения изодной полости двигателя в другую, выхлопную полость, т. е. встречно движению поршня (или лопасти в поворотном двигателе).

На рис. 4.4 показан один из первых отечественных серийных пневмати­ческих промышленных роботов МП-9С (разработчик — ЦНИИ РТК, производитель — АвтоВАЗ). Робот получил широкое применение на сборочных операциях и для обслуживания прессов.

 

Рис. 4.4. Пневматический промышленный робот МП-9С

Пневматическая схема робота МП-9С представлена на рис. 4.6. Воздух из магистрали через запорный муфтовый вентиль 1, влагоотделитель 2, ре­гулятор давления 3 и маслораспылитель 5 поступает к электропневмати­ческим нормально закрытым клапанам 7—13. Давление в системе кон­тролируется с помощью технического манометра 4.

Рис. 4.6. Пневматическая схема промышленного робота МП-9С

При включении клапана 7 воздух поступает в пневмоцилиндр 17 схвата. Пальцы схвата сближаются и зажимают деталь. При отключении клапа­на 7 воздух из пневмоцилиндра 17 стравливается в атмосферу и поршень под действием пружины возвращается в исходное положение. При вклю­чении клапанов 8, 10, 12 воздух поступает соответственно к пневмоцилиндрам поворота манипулятора 16, подъема манипулятора 15, выдви­жения захватного устройства 14, а через клапаны 9, 11, 13 и дроссели 6 стравливается в атмосферу. С помощью дросселей 6 регулируется ско­рость поршней пневмоцилиндров и, соответственно, звеньев манипуля­торов.

Устройство управления робота МП-9С выполнено, как уже было отме­чено, в виде отдельной стойки и состоит из 2 частей. В нижней части рас­положены блок подготовки воздуха и электроуправляемые воздухорас­пределители. На боковую поверхность стойки выведены штуцеры для подсоединения к пневмоцилиндрам манипулятора. Верхняя часть содер­жит электронные блоки и лицевую панель устройства. На лицевой пане­ли (рис. 4.7) расположены элементы ручного управления приводами ро­бота и ряд плоских многопозиционных переключателей, на которых набирается программа рабочего цикла робота и технологического обо­рудования. С помощью кнопок Пуски Стоппроизводятся запуск и оста­новка манипулятора в автоматическом режиме. Кнопки Автомати На­ладкапредназначены для включения соответствующего режима работы. Остальные кнопки служат для ручного управления приводами манипу­лятора в режиме "Наладка":

· кнопка Зажим-Разжим— соответственно для сжатия и разжима паль­цев схвата;

· кнопка Вверх-Вниз— для подъема и опускания манипулятора;

· кнопка Выдвижение-Втягивание— для выдвижения и втягивания схвата;

· кнопка Вправо-Влево— для включения поворота манипулятора во­круг вертикальной оси.

Кнопки снабжены сигнальными лампочками, высвечивающими заданные команды во всех режимах работы приводов манипулятора. На многопо­зиционных переключателях, показанных на рис. 4.7 сверху, набирается программа работы робота и другого работающего с ним оборудования. Каждая позиция переключателя соответствует одной команде на пере­мещение какого-либо одного звена манипулятора или одной команде на включение внешнего технологического оборудования. В устройстве управления применены десятипозиционные переключатели, позиции ко­торых соответствуют следующим командам: конец цикла (программы); выдвижение схвата; втягивание схвата; поворот манипулятора вправо; поворот манипулятора влево; подъем манипулятора; опускание манипу­лятора; зажим пальцев схвата; разжим пальцев схвата; пуск технологиче­ского оборудования.

Рис. 4.7. Лицевая панель устройства управления промышленного робота МП-9С

 

Гидравлические приводы

Как было отмечено в § 4.1, гидроприводы нашли основное применение в роботах большой грузоподъемности, а также в роботах средней грузо­подъемности, когда требуется особо качественное управление. Гидро­привод состоит из тех же основных частей, что и пневмопривод. Основой его является двигатель поступательного движения (гидроцилиндр) или углового движения (поворотный гидродвигатель), которые устроены по­добно аналогичным пневматическим двигателям, только вместо сжатого воздуха в них используется жидкость (обычно масло) под давлением до 20 МПа. Соответственно создается и на 2 порядка большее усилие. Не­сжимаемость жидкости обеспечивает гидроприводу значительно лучшие динамические и точностные характеристики по сравнению с пневмопри­водом.

Управление гидравлическими двигателями осуществляется с помощью золотников и клапанов, которые имеют обычно электрическое управле­ние, т. е. представляют собой электрогидравлические усилители (ЭГУ). Гидроприводы чаще всего выполняют с непрерывным управлением.

В отличие от пневмоприводов гидроприводы имеют свой блок питания, входящий в состав робота. Этот блок состоит из гидронасоса, фильтра, регулятора давления, устройства охлаждения (обычно водяного) и мас­ляного аккумулятора с запасом масла.

На рис. 4.9 показан гидравлический промышленный робот, предназна­ченный для нанесения покрытий. Рабочим инструментом является крас­кораспылитель. Робот состоит из 3 частей: манипулятора, насосной станции и устройства управления (в центре).

Рис.4.9. Гидравлический промышленный робот с непрерывным управлением "Коут-а-Матик" фирмы "Ретаб" (Швеция)

Гидравлическая схема робота представлена на рис. 4.11. Насосом 8 мас­ло через обратный клапан 6 нагнетается в ресивер 23 и через фильтр высокого давления 24 попадает в напорную магистраль. Заданное давление масла поддерживается клапаном 10, управляемым реле давления 5, и контролируется по манометру 7. В случае аварийного падения давления масла в гидросистеме реле давления 5 отключает манипулятор. Из гид­росистемы масло сливается в бак 9 через теплообменник 12 и фильтр 11. Насосная станция, выполненная в отдельном корпусе, соединяется с бло­ками распределителей, размещенными в станине, с помощью шлангов с быстроразъемными муфтами 13 и 22.

Каждый из приводов робота управляется соответствующим распредели­телем 3, 4, 14, 15, 16, 21. Переливные клапаны 1, 2, 17—20 при нерабо­тающем масляном насосе соединяют противоположные полости гидро­цилиндров и гидродвигателей и позволяют перемещать рабочий орган в режиме обучения. При включении насоса под давлением масла клапаны переключаются и соединяют двигатели с соответствующими распредели­телями. В устройстве управления управляющие программы записывают­ся на магнитном диске — для каждого привода на отдельной дорожке.

Рис. 4.11.Гидравлическая схема робота "Коут-а-Матик"

 

Электрические приводы

В промышленных роботах нашли применение электроприводы следую­щих типов:

· на двигателях постоянного тока традиционных коллекторных и бес­
коллекторных (вентильных);

· на асинхронных двигателях как нерегулируемых (с цикловым управ­
лением), так и с частотным управлением;

· на шаговых двигателях;

· на различного типа регулируемых муфтах в сочетании с нерегулируемым асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока;

· на электромагнитах (соленоидных и других типов).

В основном применяются традиционные электроприводы с угловым пе­ремещением, т. е. вращающиеся. Однако в роботах с поступательными перемещениями наряду с вращающимися двигателями в комбинации с механизмами, преобразующими вращательное движение в поступатель­ное (типа передачи шестерня-рейка и т. п.), нашли применение и специ­альные линейные приводы постоянного и переменного тока.

Электроприводы для роботов в общем случае включают электродвига­тель, снабженный датчиками обратной связи по положению и скорости, механическую передачу, часто тормоз, иногда муфту (например, для за­щиты двигателя от перегрузки) и устройство управления.

К перспективным разработкам электрических приводов для роботов от­носятся высокомоментные безредукторные двигатели, приводы с непо­средственным цифровым управлением и бездатчиковые приводы с расче­том значений перемещения и скорости по измеряемым электрическим переменным двигателя.

Примеры электромеханических промышленных роботов были приведе­ны на рис. 3.6 и 3.8. На рис. 4.12 показан внешний вид электромеханиче­ского промышленного робота ИРб-6, устройство которого было приве­дено на рис. 3.6.

Устройство управления робота выполнено на микроЭВМ с записью управляющих программ на магнитной ленте. Программирование выпол­няется обучением с помощью переносного пульта. Робот может функцио­нировать в режимах непрерывного и дискретного позиционного управления и комплектоваться различными сенсорными системами, включая систему технического зрения и сило-моментный сенсор. Благодаря своим широким функциональным возможностям ИРб-6 нашел применение как универ­сальный робот для выполнения многих основных технологических операций (дуговая и точечная сварка, механическая сборка, очистка отливок) и обслуживания станков и другого технологического оборудования, прежде всего, в автомобильной промышленности.

 

Рис. 4.12. Электромеханический промышленный робот ИРб-6 фирмы АСЕА (Швеция)

Микроприводы

Развитие микроробототехники в первую очередь потребовало создания соответствующих микроприводов. Для этого наряду с традиционными принципами действия и конструкциями, созданными в рамках традици­онного точного машиностроения, были разработаны совершенно новые приводы для микроперемещений, основанные на использовании управ­ляемых гибких деформаций (см. рис. 3.10). Одним из таких перспектив­ных типов микроприводов являются пъезоприводы. На рис. 4.18, а пока­зана схема основного элемента такого привода — пьезопреобразователя электрической энергии в энергию механического перемещения [12]. Он представляет собой пакет из пьезокерамических шайб 1 с нанесенными на торцы серебряными электродами, на которые параллельно подается электрическое напряжение. При этом за счет обратного пьезоэлектриче­ского эффекта происходит увеличение или уменьшение толщины шайб в зависимости от полярности приложенного напряжения. На рис. 4.18, б показан другой тип таких преобразователей, основанный на изгибных деформациях многослойных пластин из пьезоэлектрических и пассивных металлических или полимерных слоев. Такие преобразователи имеют больший ход, чем использующие деформацию расширение-сжатие, но худшие точностные и силовые параметры.

Величина перемещения на выходе таких электромеханических преобра­зователей (ход) — до десятых долей мм; скорость — до 1—2 м/с, погреш­ность управляемого позиционирования — доли мкм, усилие— сотни Н, мощность — десятки Вт. Из таких преобразователей создаются трехсте­пенные микроманипуляционные системы. Они часто комбинируются с обычными электромеханическими манипуляционными системами, обес­печивающими перемещение в десятки мм с погрешностью, перекрывае­мой микроманипуляционной системой. Получается манипулятор, со­стоящий из последовательно соединенных систем грубого и точного позиционирования, рабочий ход которого определяется первой систе­мой, а точность— второй.

Рис. 4.18.Пьезоэлектрические преобразователи микроприводов:

а — с поступательной деформацией растяжение-сжатие: 1—секция пьезокерамических шайб, 2 — фланец, 3 — шпилька, 4 — гайка, 5 — пластмассовая втулка, 6 — слюдяная шайба;

б— с изгибной деформацией: 1, 2 — пьезоэлектрические пластины, 3 — металлическая рессора

Помимо пьезоэлектрических существуют микроприводы и других ти­пов — пьезомагнитные, электро- и магнитострикционные, биметалличе­ские, на эффекте памяти формы, электростатические, принцип действия которых описан в § 4.7, пневматические, гидравлические [12].

Для мобильных микророботов, предназначенных для передвижения в уз­ких полостях (тонкие трубопроводы, желудочно-кишечный тракт, крове­носные сосуды человека и т. п.), разработаны специальные микродвижители, реализующие способ передвижения, подобный используемому гусеницами и червями. Вариант такой системы передвижения на пьезоприводах состо­ит из нескольких пьезоэлектрических сегментов, соединенных централь­ным стержнем из того же материала. Попарно расширяющиеся за счет пьезоэффекта сегменты выполняют функции фиксаторов, а поступательное перемещение осуществляется путем удлинения центрального стержня. Частота импульсов движения—10—20 МГц.

Существуют аналогичные системы, основанные на пневматике. На пе­реднем и заднем концах такого микроробота имеются пневмофиксаторы, которые попеременно закрепляются на стенках полости. При этом кор­пус робота также попеременно удлиняется при закрепленном заднем и сокращается при закрепленном переднем конце. Для передвижения по­добных роботов используется и управляемое внешнее силовое магнитное поле [13].

Основные уже определившиеся области применения микроприводов и основанных на них микроманипуляторов и микророботов — это микро­операции в промышленности (микрообработка, сборка, сварка и т. п.), биологические и фармакологические технологии, медицина (осмотр внутренностей, доставка туда лекарств, хирургические операции).

 

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 7022; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!