Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Методические указания к лабораторной работе № 2

«Промышленные роботы и ГПС на транспортно-складских операциях»

ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ

1. Классификация и кинематическая структура

Характерная особенность технического прогресса в области механизации и автоматизации производства на современном этапе — использование промышленных роботов и манипуляторов. Создастся новая отрасль машиностроения — роботостроение. Производство роботов в РФ, США, Западной Европе и особенно в Японии развивается исключительно быстрыми темпами. Робототехнические комплексы обеспечивают полную автоматизацию деятельности производственных участков, цехов и целых предприятий и позволяют создать гибкие технологические процессы, легко адаптирующиеся к изменяющимся условиям производства. Помимо традиционных сфер: машиностроения, атомной энергетики, строительства, роботы находят вес более широкое распространение в металлургии, химической промышленности, а также используются для выполнения подъемно-транспортных и погрузочно-разгрузочных работ, в частности для штабелирования, пакетирования, упаковки, перегрузки с конвейера на конвейер и др. Манипуляторами оснащают стеллажные штабелеры и погрузчики. Стоимость этих устройств соизмерима с аналогичными по производительности типами подъемно-транспортных машин, упаковочных автоматов, пакетоформирующих, пакеторазборочных машин, а иногда и ниже. Бесспорное достоинство промышленных роботов— исключительная точность позиционирования: погрешность у 80% моделей не превышает ± 1 мм. Современные модели отличаются высокой надежностью, что обеспечивает использование их по времени на 97%. Между тем, по данным зарубежной статистики, потеря времени рабочими, обслуживающими различное, в том числе подъемно-транспортное, оборудование достигают 24%. Срок наработки на отказ у роботов более 430 ч, что в 2 раза превышает аналогичный показатель транспортного оборудования. Прогнозы специалистов сводятся к тому, что время безотказной работы может быть в перспективе увеличено не менее чем в 2 раза. В отличие от обычных машин и механизмов с программным управлением у робота оригинальное захватное устройство схват - аналог человеческой руки, обеспечивающий до 5—7 степеней свободы движений: трех прямолинейных, двух-трех поворотных. Робот состоит из трех основных частей: чувствительных (сенсорных) элементов - датчиков; механических рук и механизма перемещения — кинематической структуры (эффектора); системы управления, включающей орган, регулирующий действия, в том числе ЭВМ.

В зависимости от технического уровня, определяющего степень автоматизации производства, роботы разделяют на три класса — поколения. В серийном порядке изготовляют преимущественно роботы первого поколения. Широко поставлены эксперименты по применению роботов второго поколения. Что касается роботов третьего поколения—так называемых интеллектуальных, —- то перспективы их применении в производственных масштабах находятся за пределами 80-х годов.]

Роботы первого поколения — это простейшие автоматы с программным управлением. Сейчас в РФ их насчитывается более 200 различных моделей. Управляемые роботы требуют непрерывной подачи команд в процессе отработки программы. Роботы второго поколения — обучающиеся и осязающие — снабжены аналогами органов чувств — сенсорными устройствами; они запоминают и воспроизводят программу требуемое число раз. Несколько видов сенсорных элементов (датчиков) и программ обеспечивают возможность частичной адаптации их к различным ситуациям. Помимо чисто осязательных функций, они измеряют точные координаты и размеры предметов. Ориентируют робот на местности локационные устройства ближнего и сверхближнего действия: лазерные, световые и фотонные локаторы. Роботы оснащают н другими сенсорными устройствами (органами слуха, определения содержания паров, газов, цвета, свойств поверхности, измерения температуры, напряженности магнитного поля и др.).

Роботы третьего поколения обладают большой разрешающей способностью распознавать объекты, способны к самообучению, самодиагностике и самовосстановлению. Структура управления интеллектуальным промышленным роботом многоуровневая и многоконтурная. В отличие от роботов второго поколения, для работы которых используются типовые программы, роботы третьего поколения синтезируют программы в процессе своего функционирования.

Производство роботов второго поколения развивается достаточно быстрыми темпами. Например, в Японии доля их в общем объеме выпуска составляет около 10%, роботов с переменной последовательностью выполнения программы 7—8%. К 1985 г. выпуск роботов с элементами искусственного интеллекта, оснащенных сенсорными устройствами, и в первую очередь визуальными, способными определять форму и размеры грузов, составил не менее 20%.

Кинематическая структура, определяющая "Число степеней свободы и функциональные возможности робота, зависит от кинематики его основания, руки и кисти руки. Некоторые типичные кинематические схемы робота показаны на рис. 45, где 5 — основание, 4, 3 и 2 — соответственно аналоги человеческого плечевого и локтевого суставов и кисти руки 1 — схват, М — привод механизмов. Достаточно, если кинематика основания обеспечивает одно движение— установочное перемещение робота. Однако сферу действия робота определяют степени свободы движения руки. Кинематика ее зависит от геометрической формы рабочей зоны- перемещение в пространственно-объемной зоне возможно при трех степенях свободы. Дальнейшее увеличение числа степеней свободы улучшает маневренность без изменения рабочей зоны. Кинематические схемы, определяющие характер рабочих движений руки, сводятся к следующим типичным вариантам:

Рис. 1 Кинематические схемы робота

только поступательные движения в объемно-прямоугольной зоне (рис. 1, а). Целесообразен, если начальная и конечная позиции груза расположены с одной стороны робота:

только вращательные движения — грузы перемещаются по внешнему контуру сферической зоны, перемещение в пространственной зоне невозможно, причем верхнее звено руки вращается вокруг оси плеча (рис. 45, б). Схема недостаточно универсальна для перегрузочных и складских операций;

два поступательных и одно вращательное движение руки - захват на плоскости, если движения выполняются относительно различных осей координат. Схема также страдает известной ограниченностью движений;

одно вращательное движение вокруг вертикальной оси и два поступательных по двум другим осям координат — перемещение грузов в объемно-цилиндрической зоне (рис. 1, в) встречается наиболее часто. Обычно радиус перемещения руки изменяется от 1,2 до 3 м;

одно поступательное и два или три вращательных (два около одной и тон же оси) движения — перемещение груза в объемно-сферической зоне (рис. 1, г).

Схемы в и г наиболее универсальны и компактны из всех и могут быть рекомендованы для погрузочно-разгрузочных операций.

Кинематическая структура существенно влияет на размеры зоны обслуживания. Если условно за единицу принять движение в системе прямоугольных координат, то в системе цилиндрических координат зона обслуживания увеличивается почти в 10 раз, а в полярных — в 30 раз. Кинематика кисти зависит от кинематики руки и позволяет изменять ориентацию груза, не изменяя положение конца руки. Сколько различных вращательных движений (степеней свободы) у кисти, столько угловых переориентировок груза возможно при его пространственном перемещении. Угловое переориентирование необходимо, если грузы заранее жестко не ориентированы относительно конечной позиции. Учитывая то, что обычная форма грузов - параллелепипед, и устанавливают их на горизонтальной плоскости так, что продольная поперечная оси параллельны осям ОХ и ОУ, достаточно универсальной можно считать кинематику кисти с двумя степенями свободы. У роботов, действующих с неориентированными в пространстве грузами, должны быть три степени свободы движения кисти.

Механическая часть робота существенно упрощается, если он решает однотипные технологические задачи и структура его блочно-модульная. Благодаря этому в случае изменения характера рабочих движений можно достаточно просто, заменив соответствующие модули, приспособить робот к новым условиям эксплуатации.

Исполнительные механизмы робота оснащают различными тинами приводов. Наибольшее распространение получили гидравлические н пневматические; а также пневмоэлектрические устройства. В мировой практике у 47% роботов привод исполнительных механизмов гидравлический, у 29% —- пневматический, у 18% — электромеханический.

В качестве электрических сервомеханизмов применяют малой мощности электродвигатели (серводвигатели) переменного и постоянного тока, а также шаговые двигатели и электромагниты. Пневматические сервомеханизмы делятся па пневмомоторы, моментные винтовые и лопаточные двигатели и пневмоцилиндры. Последние могут быть одностороннего и двустороннего действия. Пневматические сервомеханизмы отличаются простотой управления, низкой стоимостью, высокой надежностью, пожарной безопасностью. Недостатки их; трудное, поддержания заданной скорости перемещения механизм. и позиционного управления, низкая выходная мощное.!. Гидравлические приводы применяют в широком диапазоне: значений грузоподъемности - от 10 до 1500 кг у роботы; с повышенной точностью позиционирования механизмов при скорости их перемещения до 1 м/с, высоте подъема груза до 6 м и вылете руки до 5 м. Они делятся на два вида: с возвратно-поступательными и вращательными движениями. Достоинства гидравлического привода: небольшие масса и компактность, возможность использования высокого давления рабочей жидкости, высокая частота собственных колебаний, удобное регулирование

рабочей скорости механизмов и расхода рабочей жидкости. Недостатки: необходимость автономного энергоблока, изменение вязкости рабочей жидкости под влиянием температуры, горючесть масла, высокие начальные затраты и др.

Рабочий орган промышленного робота — схват — оснащают различными датчиками, источниками информации о внешней среде, которые представляют аналоги органов чувств человека. Серия схватов разработана специалистами Ленинградского политехнического института: с 8 ультразвуковыми и одним световым датчиком, реагирующим на просвет между роботом и объектом; с 8 тактильными (осязательными) датчиками и 9 светолокационными датчиками; с 16 светолокационными и 26 тактильными датчиками, определяющими расстояние и реагирующими на контакт с транспортируемым грузом. Захватные устройства руки робота оснащают клещевидными приспособлениями, подъемными магнитами или вакуумными присосками.

Классификация основных типов схватов разработана ВНИИПТмашем. В качестве главных признаков ее приняты тип привода, способы контакта схвата с грузом, направление движения его при этом и характер рабочих движений. При пакетировании неориентированных грузов наиболее приемлемы схваты грейферного типа с контактом захвата и наружных поверхностей груза и вращением вокруг вертикальной оси или с фронтальным вводом захвата и вращением вокруг одной или двух осей. При работе с пакетированными грузами более предпочтительны схваты с вводом снизу и вращением вокруг вертикальной оси. Для грузов с гладкой непористой поверхностью применяют вакуумные захваты с верхним или фронтальным перемещением схвата для контакта с грузом. Для транспортирования грузов, обладающих магнитными свойствами, можно применять магнитные схваты.

2. Системы управления

Проблема управления промышленным роботом включает выбор методов управления и воспроизведения программы, технических средств для построения системы управления, конструкции памяти, сенсорных элементов-датчиков и программных устройств. В зависимости от физической природы параметров робота различают управление положением в функции пути и скоростью. Для первого применяют системы с обратными связями, для второго — разомкнутые системы. Методы управления делятся на позиционные (дискретные), двухточечные, многоточечные и непрерывные (контурное управление). В зависимости от способов задания и реализации программы системы управления делят на две группы: цикловые и с программируемыми перемещениями. Роботы с цикловыми системами управления или фикси- рованной последовательностью операций выполняют до 100 команд. Они целесообразны при сравнительно простых повторяющихся циклах движения, встречающихся, например, при обслуживаний перегрузочного пункта с двумя смежными конвейерами.

Системы управления с программируемыми операциями реализуют разнообразные перемещения. Они делятся на аналоговые и числовые. В аналоговых системах, в частности, информацию можно задавать и хранить в виде электрических потенциалов определенного уровня, число которых соответствует числу программируемых шагов, умноженных на число управляемых координат. Преимущество цикловых и аналоговых систем: простота, низкая стоимость и сохранность информации при выключении питания. Недостатки: реализация относительно простых циклов движения исполнительных механизмов и ограниченное число программ, сложность процесса наладки, отсутствие возможности хранить отработанную программу вне системы. Этих недостатков лишены системы числового управления, которые обеспечивают надежное хранение координат опорных точек — позиций механизмов робота и последовательности выполнения программы. Точность позиционирования в этом случае зависит в основном только от конструкции механической части. Широкое использование числовых систем (25—30% общего числа моделей) по сравнению с цикловыми объясняется, их высокими функциональными возможностями. К достоинствам также относятся удобный процесс настройки, реализация сложных циклов и траектории движения исполнительных механизмов и отработка значительных по объему управляющих программ, высокая надежность и точность.

Наиболее универсальны роботы с автономными системами управления, в которых использованы мини-ЭВМ или микропроцессоры. Например, у робота «Версантрон» (США) на базе микропроцессора в памяти можно записать 2000 позиции, включая 64 программы, которые реализуются в любой последовательности. Если системы числового управления с ЭВМ, управляющие группой роботов и функционирующих вместе с ними подъемно-транспортными машинами, реализуют от 2000 до 20 000 различных команд, то у робота с автономной системой управления число команд практически неограниченно. Его можно использовать на различных но характеру и достаточно сложных перегрузочных операциях, в частности для перемещения неориентированных грузов разнообразных форм и массы, загрузки или разгрузки транспортных средств.

Способов воспроизведения программ в системах управления два: с переменной одиночной (произвольной) выборкой единичных операций и с постоянной жесткой последовательностью. В процессе обучения робота переключением программ формируется несколько их видов, отвечающих заданным ситуациям. Воспроизведение той или иной из них для реализации зависит от сигналов сенсорных элементов о позициях, размерах и массе транспортируемых грузов, информация о которых хранится в памяти робота. Произвольная выборка программ может быть только у наиболее совершенных роботов, оснащенных ЭВМ. Для выборки единичных операций из программ память робота должна иметь ассоциативные свойства. Определенным признакам, ассоциациям, которые формируются в процессе обучения робота, ставятся в соответствие определенные программы или их участки (единичные операции), и тогда по сигналам сенсорных элементов можно отрабатывать типовые программы или выбирать из них отдельные операции.

Интересны системы группового управления несколькими автоматами, сенсорными элементами (в частности, аналогами зрения и осязания), выбором н прокладкой маршрута следования из одного пункта - адаптивное управление. Они дают наибольший экономический эффект. Схема группового управления роботом на базе ЭВМ М-6000 разработан, на Ленинградским политехническим институтом (рис. 2). Алгоритмическая система его, подобная операционным системам больших ЭВМ, функционирует в мультипрограммном режиме. Состоит она из набора программных модулей, из которых с помощью программы-координатора компонуются отдельные законченные программы работы. Задание на составление программы работы всех манипуляторов и технологического оборудования выдает оператор на специальном языке. Соответствующие его директивам типовые программы хранятся в оперативной памяти ЭВМ. Кроме директив, оператор может задавать координаты различных предметов, траектории движения манипуляторов. От манипуляторов на пульт оператора поступает оперативная информация о выполнении этапов программы.

Основная часть алгоритмической системы — программа центрального диспетчера, которая распределяет машинное время между группами автоматических манипуляторов различных рангов, связь между ними и с оператором. (Каждой группой манипуляторов управляет своя программа-диспетчер, а последние подчинены программе центрального диспетчера.) Данная система группового управления предназначена для автоматических манипуляторов, оснащенных аналогами органов чувств: датчиками зрения и осязания. На телевизионном экране оператор может наблюдать выполняемые ими действия, а затем оперативно координировать и в случае необходимости вмешиваться в процесс управления наиболее сложными операциями

Рис. 2 Схема группового управления промышленными роботами

Сибирским физико-техническим институтом созданы датчики корреляционного зрения робота. Принцип действия их основан на сравнении (корреляции) текущего и эталонного изображений груза. Текущее изображение формируется телевизионной камерой, а эталонное, записанное ранее в памяти, соответствует запрограммированному положению груза. Принцип корреляционного зрения используется для анализа визуальной информации в процессе определения координат позиций груза, например, на конвейере. Устройства корреляционного зрения используют для построения адаптивных систем управления роботами, обслуживающими вертикальные, крутонаклонные и горизонтальные конвейеры. Точность определения линейных координат грузов в зависимости от их формы 3—5% допустимого смещения в плоскости конвейера, точность угловой ориентации груза 2—3° при развороте на 360°. Длительность цикла определения координат 0,6 с.

Сложная проблема в конструировании передвижных так называемых транспортных роботов с нефиксированной с помощью подвесок или напольных рельсов траекторией движения — прокладка и выбор трассы перемещения. Разработан ряд систем управления их движением по трассе с препятствиями, обеспечивающих безопасность и оптимальный маршрут. В самом общем виде идея их состоит в том, что сенсорные элементы робота, которые представляют собой систему восприятия, опознают трассу, формируют вектор наблюдений. Положение робота, его координаты — информация, полученная датчиками, сравниваются с программой, которая определяет либо весь маршрут движения, либо конечную позицию. Анализируя информацию, система управления строит план местности и выбирает дальнейший путь. Возможные маршруты движения обычно изображаются и задаются ориентированным графом путей, и задача состоит в том, чтобы на нем выбрать маршрут, минимальный по протяженности или времени. Схема автоматического управления курсом транспортного робота (рис. 3) предусматривает измерение не только параметров трассы, но и массы груза, температуры наружной среды, давления и сопротивления воздушной среды, ускорении. Обобщенная функциональная схема выбора и контроля маршрута (рис. 3, б) включает следующие основные подсистемы: моделей маршрутов и правил движения по возможным трассам (модель внешней среды в форме графа с известной структурой и параметрами; модель для региональной навигации и ориентирования с известной структурой и неизвестными параметрами; модель для планирования локального маршрута — совокупность правил дорожного движения); планирования (три блока: планирования и синтеза маршрута па заданной конфигурации путей с коррекцией курса: опознавания — определения фактической позиции робота с точностью до участка между перекрестками дорог; координации — определения очередности работы всех подсистем по жесткой программе или в рамках функционирования искусственного интеллекта); ориентирования — уточнения положения робота на трассе по данным информации, поступающей из координатора подсистемы моделей маршрутов и правил движения, а также текущей информации, передаваемой из подсистемы восприятия.

Полезно более подробно остановиться па процедуре выбора маршрута движения, если конфигурация трассы задана некоторым графом G(v,u). Каждой вершине графа v € V сопоставляются некоторые координаты , а каждому ребру u € U — функция , равная длине ребра, и вектор-функция , которая дает априорную информацию о внешней среде. При этом следует рассмотреть свойства и структуру графа, моделирующего возможные пути перемещения робота и метод поиска маршрута на графе. Компонента вектора , где — текущее расстояние перемещения робота , задает изменение курсового угла продольной оси маршрута. На прямолинейных участках курсовой угол постоянен , на поворотах от оси маршрута он линейно изменяется до а_i₊₁, Функция μ_u` на повороте i аппроксимируется выражением

где l_i – расстояние от начала пути до поворота i. Причем

Для выбора маршрута следования па перекрестке, которому соответствует одна из вершин графа, необходимо проверни, все функции μ_u`(s), заданные на ребрах, смежных с этой вершиной. Если робот движется по пути u_i а покидает перекресток по любому из возможных маршрутов u_j, то изменение курсового учла можно выразить функцией

Рис. 3 Схемы управления транспортным роботом. а) оптимизация параметров движения; б) выбор маршрута движения

Граф, структура и параметры которого записаны в памяти системы управления, можно задавать матрицей связей, строка i которой включает три элемента: — номера вершин, соединенных ребром — ориентация и длина этого ребра. Если маршрут движения четко запланирован, как, например, на погрузочно-разгрузочных работах, тогда выбирают оптимальный путь движения, и опознавание позиции робота решается как детерминистическая задача.

В систему управления роботом включен блок планирования возможных маршрутов на графе. Планирование маршрута сводится к нахождению множества опорных точек, вершин и матрицы расстояний между ними. Предварительно в память робота вводится карта полигона — зоны его функционирования — в виде контура, состоящего из многоугольников, ограничивающих область вероятной работы. Матрица содержит полную информацию о зоне работы. Маршрут движения робота на графе планируется с помощью динамического программирования, в результате чего находится матрица -набор расстояний для различных оптимальных (по длине или времени) трасс, по которым может двигаться робот. Для обслуживания объектов с мало упорядоченной структурой, когда грузы неодинаковы по форме, размерам и занимают различное положение в пространстве, эффективны роботы с адаптивными системами управления. Важное свойство адаптивной системы - способность идентифицировать объект, определять позицию, размеры, форму груза, а затем вырабатывать решение для перемещения его по оптимальной (минимальной по времени или расстоянию) траектории. К типичным примерам эффективного применения адаптивных систем можно отнести идентификацию рассредоточенных грузов, перемещаемых конвейерами, манипуляторами, опознавание и захват грузов, транспортируемых подвесными конвейерами, захват неориентированных или слабо ориентированных грузов в контейнерах или на поддонах и др.

Особенность адаптивной системы управления роботом (рис. 4) — два контура: внешний, по которому поступает информация от объекта управления, и внутренний, служащий для контроля состояния рабочего органа робота-манипулятора. В первом, внешнем, контуре функционируют сенсоры, идентифицирующие объект (определяют его положение), во втором — сенсоры, определяющие позицию манипулятора, его скорость и вращающий момент. В качестве сенсоров используют потенциометры, генераторы импульсов, тахометры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические, тензометрическне, локационные датчики и другие элементы автоматики.

Рис. 4 Адаптивная системы управления:

1-блок изменения программы; 2-ЭВМ; 3-интерфейс; 4- манипулятор; 5 – ориентирование руки; 6- идентификация положения, скорости и силового момента; 7- силы и моменты; 8- объект; 9- ориентирование объекта определение скорости; 10 – сенсорные элементы внешнего контура управления; 11- сенсорные элементы внутреннего контура управления; 12 – интерфейс сенсоров.

12 Следующая ⇒