Реферат

1.Классификация роботов и области их применения

1.2.Классификация мехатронных комплексов

1.1.Основные понятия и определения

Развитие современной техники все больше указывает на тесную интеграцию аппаратных и программных частей устройств, которая выливается в интегральные системы, называемые "мехатронными".

Мехатроника является молодой областью науки и техники, которая выделилась в самостоятельное направление совсем недавно. Считается, что впервые термин "мехатроника" введен японцем Тецуро Мориа (TetsuroMoria),

старшим инженером Yaskawa Electric, в 1969 году. Термин состоит из двух частей – "меха", от слова механика и "троника", от слова электроника.

В широком понимании данного слова подразумевается слияние трех областей наук:

1) электроники, включающей микроэлектронику, силовую электронику, преобразователи и измерители информации;

2) механики и электромеханики, включающих механические элементы, машины, приводы, точную механику и электрический элементы;

3) информационные технологии, включающих теорию систем, моделирование, программное обеспечение, искусственный интеллект.

Одна из причин пристального внимания к мехатронике в настоящее время - постоянное повышение требований к автоматизации производства и связанная с этим необходимость создания производственных машин и комплексов из них –механических систем с принципиально новыми свойствами.

Манипуляционный робот представляет собой многостепенной, многофункциональный манипулятор, предназначенный для того, чтобы воспроизводить некоторые рабочие функции человеческих рук с целью выполнения различных работ

По своей структуре манипулятор – многозвенная машина, между отдельными элементами которой существуют механические связи.

В зависимости от области применения могут использоваться различные схемы построения механической части манипулятора, но все же основная конструкция представляет собой последовательность звеньев, соединенных между собой вращательными/поступательными парами .

Большинство производимых в настоящее время манипуляторов относятся к числу роботов с вращательной системой координат. Они обеспечивают наибольший объем рабочей зоны, в которой может осуществляться движение. Их структура позволяет достигать заданного положения и ориентации рабочего органа, в том числе при наложении ограничений на возможные перемещения, возникающие при наличии препятствий в рабочей зоне.

Со стороны механики манипулятор будет являться системой твердых, упругих тел, которые будут связаны с помощью разных видов связей. Со стороны теории механизмов любой рассматриваемый манипулятор будет являться системой нескольких тел, которые предназначены для того чтобы преобразовывать перемещение тел в нужные перемещения отличных от них тел, что говорит о том, что манипулятор является пространственным механизмом с нужным для функционирования числом степеней свободы.

Тела, являющиеся твердыми и входящие в механическую систему манипулятора, названы звеньями. Два соприкасающихся друг с другом звена, находящиеся в подвижном соединении, называются кинематической парой. Классификация кинематических пар может быть, как по числу связей, так и по числу степеней свободы органов механизма .

Соединение звеньев, которые образовывают между собой кинематические пары, классифицируется как кинематическая цепь. Число степеней любого рассматриваемого механизма будет определятся числом обобщенных координат, за которые принимаются некоторые независимые переменные, которые могут однозначно определить положение манипулятора в пространстве. Основными производителями манипуляционных роботов являются фирмы KUKA, Fanuc, Yaskawa.

Из отечественных производителей можно выделить ООО "Волжский машиностроительный завод". Отметим, что выпускаемые в настоящее время манипуляторы, в большинстве своем, обладают шестью и более степенями свободы, так как это позволяет обеспечить более удобное и точное позиционирование и ориентацию рабочего органа в пространстве.

1.2.Классификация мехатронных комплексов

Из-за широкого разнообразия конструкций мехатронных комплексов и сфер их использования выделение какой-либо достаточной классификации подобных систем представляется непростой задачей, поскольку так или иначе системы разных классов будут связаны несколькими критериями.

Приведем примерную классификацию, позволяющую составить представление о существовании современных мехатронных комплексов:

1. Макромехатронные системы:

1.1. антиблокировочная система ABS;

1.2. система курсовой устойчивости ESP;

1.3. электрогидравлическая система торможения EHB;

2. Манипуляционные системы:

2.1. классические манипуляторы;

2.2. многозвенные манипуляторы;

2.3. манипуляторы на подвижной основе;

3. Системы маятниковых конструкций:

3.1. Маятник Фуруты;

3.2. Ball-Bot;

3.3. Segway;

4. Мобильные робототехнические системы:

4.1. колесные;

4.2. гусеничные;

4.3. шагающие.

В основе робототехнических исследований лежит желание синтезировать часть функций человека с помощью механизмов, сенсоров, приводов и компьютеров. Чтобы осуществить этот грандиозный замысел, необходимо реализовать множество идей из нескольких "классических" областей.

В настоящее время робототехническими исследованиями занимаются самые разные специалисты. Один человек не в состоянии охватить всю область исследования роботов, поэтому разумно ее разделять.

На относительно высоком уровне абстракции робототехнику можно поделить на четыре основные области: механическая манипуляция, передвижение, машинное зрение и искусственный интеллект. Высокая манипулятивность современных мехатронных комплексов, их приспособляемость к внешней среде и относительная автономность весьма привлекательны для целого ряда областей применения – автоматизированного производства, космических и подводных исследований, медицины, домашнего хозяйства и т.д .

Манипуляционные комплексы нашли широкое применение в промышленности и производстве. Они позволяют без использования человеческих ресурсов реализовать производство. Можно выделить четыре основных класса операций, которые выполняются с их помощью:

1. Упаковка, транспортировка;

2. Резка и сварка;

3. Обработка поверхностей;

4. Сборка.

Транспортные операции заключаются в перемещении объектов между заданными точками. Точность позиционирования является основным

показателем качества таких манипуляторов. Например, если манипулятор используется для транспортировки деталей, то основными требованиями, предъявляемыми к МР, являются точность позиционирования и соблюдении ограничений на перемещение, т.к. операция может выполняться в ограниченной области пространства.

В качестве примера можно привести операцию, связанную с обработкой на станке. Манипулятор должен взять деталь со специально расположенной платформы и переместить её в зону обработки, учитывая ограничения рабочей зоны, а затем переместить деталь по заданной траектории движения для обработки, и по окончанию работы доставить в зону готовых деталей.

Резка и сварка изделий требуют от манипуляционного робота не только точности позиционирования, но и поддержания заданной траектории перемещения. Таким образом возникают высокие требования не только к статическим характеристикам манипулятора, но и к его динамике.

Сборка/сварка крупных объектов требует от манипуляторов высокой грузоподъемности, так как навесное оборудование обладает довольно большой массой. Манипуляционные роботы, предназначенные для обработки поверхностей, можно разделить на два класса:

1. Манипуляторы, выполняющие силовые операции с поверхностью;

2. Манипулятора для бесконтактной обработки.

К первым относят задачи, в которых манипулятор используется для проведения операций механической обработки детали. В данном случае манипулятор должен быть оборудован необходимым инструментом, а его система управления должна поддерживать соответствующие алгоритмы.

Вторые включают в себя такие операции как очистка и покраска, то есть операции в которых не требуется непосредственный контакт с поверхностью. В этом случае основными требованиями к манипулятору является поддержание постоянного расстояния от поверхности изделия.

Такие манипуляционные роботы, как правило, оснащаются датчиками расстояния от поверхности, необходимыми для соблюдения требований к качеству обрабатываемой поверхности. Помимо этого, требуется использование манипулятора высокой грузоподъемности.

Дальнейшее роботизирование таких систем приводит к универсализации и автоматизации производственных процессов, уменьшая в них роль человека и, как следствие, возможных сбоев из-за "человеческого фактора".

Для конечного потребителя такой процесс интеграции техники в процессе производства выливается в снижение стоимости продукта и в повышении его качества. Процесс повышения роботизированности системы увеличивает манипулятивность и функциональную гибкость механизма робота, что обеспечивается, прежде всего, благодаря дополнительным звеньям его кинематической цепи.

Многозвенные стационарные и подвижные манипуляторы, обладающие большим числом степеней свободы, кинематически избыточны, что является необходимым условием для выполнения задач в сложном окружении, например, прецизионного выполнения движения вдоль сложных криволинейных контуров и поверхностей.

Однако задачи пространственного движения многозвенных (избыточных) роботов вызывают известные трудности управления, связанные с повышением сложности модели объекта и выполняемого задания.

Таких роботов можно классифицировать по следующим признакам :

1. По характеру выполняемых технологических операций:

1.1. основные;

1.2. вспомогательные;

1.3. универсальные;

2. По грузоподъемности:

2.1. сверхлегкие (до 10Н);

2.2. легкие (до 100Н);

2.3. средние (до 2000Н);

2.4. тяжелые (до 10000Н);

2.5. сверхтяжелые (свыше 10000Н);

3. По типу силового привода:

3.1. электромеханический;

3.2. пневматический;

3.3. гидравлический;

3.4. комбинированный;

4. По подвижности основания:

4.1. мобильные;

4.2. стационарные;

5. По числу подвижностей манипулятора.

В ряде отраслей применяются разнообразные роботы и специальные манипуляторы, способные выполнять самые различные функции. Рассмотрим некоторые из них (смотреть рисунки 1-3). Немецкие манипуляторы Kuka - это шестиосевые роботы любых размеров и разными сварочными горелками с воздушным или водяным охлаждением, треками для перемещения роботов и основаниями для них.

Рисунок 1 - Робот Kuka

Рисунок 2 - Yaskawa Motoman Robot.

Рисунок 3 - Анимация работы Манипулятора UR3

Список используемой литературы:

1. Лекции. Классификации систем координат [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://baumanki.net/lectures/

2. B.J.F. Driessen, ing J.A. van Woerden Enhancing the usability of the MANUS manipulator by using visual servoing

3. Анализ современного состояния применения роботов в промышленности .

4. А. Г. Схиртладзе, В. И. Выходец, Н. И. Никифоров Классификация и структура промышленных роботов .

5. T. K. Ten. KateF. LiefhebberA. H. G. Versluis J. A. van. Woerden Collaborative Control of the Manus Manipulator

6. Анучин А.С. Системы управления электроприводов/ Анучин А.С .: Издательский дом МЭИ, 2015. – 43 с.

7. Fundamentals of robotics / S. Schilling : Издательский дом Prentice hall, 2005. – 90 с.