Манипуляционные системы

Сегодня основным типом манипуляционных систем роботов являются механические манипуляторы. Они представляют собой пространственные механизмы в виде кинематических цепей из звеньев, образующих кинематические пары с угловым или поступательным относительным движением и системой приводов обычно раздельных для каждой степени подвижности. Манипуляторы заканчиваются рабочим органом.

Степени подвижности манипулятора делятся на переносные и ориентирующие. Переносные степени подвижности служат для перемещения рабочего органа в рабочей зоне манипулятора, а ориентирующие— для его угловой ориентации. Минимально необходимое число переносных степеней подвижности для перемещения рабочего органа в пространстве рабочей зоны равно 3. Однако для расширения манипуляционных возможностей и реализации более сложных траекторий движения, например, с обходом препятствий, а также для повышения быстродействия манипуляторы обычно снабжают несколькими избыточными переносными степенями подвижности, хотя это, усложняет и удорожает робота. Современные манипуляторы в среднем имеют 4—6 степеней подвижности, но существуют манипуляторы и с 8—9 такими степенями.

Максимально необходимое число ориентирующих степеней подвижности равно 3. Они реализуются кинематическими парами с угловым перемещением, обеспечивающими поворот рабочего органа манипулятора относительно его продольной и 2 других взаимно перпендикулярных осей.

На рис. 3.1—3.4 показаны конструкции манипуляторов с 3 переносными степенями подвижности в различных системах координат и их рабочие зоны.

Рис.3.1. Манипулятор с прямоугольной системой координат (а) и его рабочая зона (б)

Манипуляторы, работающие в прямоугольной системе координат (рис. 3.1), имеют рабочую зону в форме параллелепипеда. Здесь все перемещения только поступательные. Поэтому такая система координат наиболее удобна для выполнения прямолинейных движений. Кроме того, она максимально упрощает программирование робота, так как оно обычно выполняется именно в прямоугольной системе координат, и, следовательно, в этом случае не требуется пересчета программ из одной системы координат в другую. На рис. 3.5 показан пример промышленного робота, манипуляторы которого работают в прямоугольной системе координат.

Рис. 3.2. а — манипулятор с цилиндрической системой координат; 6 — его рабочая зона

Рис. 3.3. а — манипулятор со сферической системой координат

Рис. 3.3. б — его рабочая зона

Рис. 3.4. а— манипулятор с угловой системой координат; б — его рабочая зона

В манипуляторах, работающих в цилиндрической системе координат (см. рис. 3.2), наряду с поступательными перемещениями осуществляется од­но угловое перемещение (по окружности). Соответственно, рабочая зона ограничена цилиндрическими поверхностями. В цилиндрической системе координат работает робот, показанный на рис. 1.5.

В сферической системе координат (рис. 3.3) осуществляются уже 2 угловых перемещения и рабочая зона ограничена сферическими поверхностями. Такую систему координат имеет, например, манипулятор промышленного робота, показанного на рис. 1.6. Манипуляторы с такой системой координат, как правило, сложнее, чем с цилиндрической системой, однако компактнее.

Показанный на рис. 3.4 манипулятор с угловой системой координат производит только угловые перемещения, т. е. все его звенья представляют собой шарниры. Поэтому часто такие манипуляторы называют шарнирными и антропоморфными. Роботы с такого типа манипуляторами благодаря возможности последних складываться, не выступая практически за габариты основания робота, обладают наибольшей компактностью, хотя и наиболее сложны в управлении.

В манипуляторе робота "Пума", показанном на рис. 3.8, двигатель привода 1-й степени подвижности вокруг вертикальной оси размещен на основании манипулятора.

Рис. 3.8. Общий вид манипулятора робота "Пума" фирмы "Юнимейшен" (а) и его кинематическая схема (б)

Двигатели степеней подвижности 2 и 3 размещены рядом на 2-м звене. С приводимыми ими осями они связаны через редукторы, а двигатель 3 еще и валом с 2 механизмами Гука. Двигатели степеней подвижности 4, 5 и 6 размещены на 3-м звене манипулятора. Передача движения от них осуществляется через валы с шарнирами Гука и зубчатые передачи. Раз­мещение этих двигателей с другой стороны оси вращения звена относи­тельно основной его части обеспечивает статическое уравновешивание веса этих звеньев манипулятора относительно осей их вращения и соот­ветственно разгрузку двигателей 2 и 3.

Специфическую группу манипуляционных систем составляют манипуля­торы, которые предназначены для выполнения манипуляционных опе­раций на значительном расстоянии от своего основания, так что основ­ная длина манипулятора служит только для переноса его рабочего органа в зону выполнения этих операций, т. е. выполняет чисто транс­портную задачу. На рис. 3.11 показан пример такого манипулятора дли­ной до 25 м, предназначенного для строительно-монтажных и т. п. работ. На рис. 3.12 приведен другой вариант решения той же задачи.

Рис. 3.11. Складной манипулятор:

1 — шарнирный транспортный манипулятор;

2 — рабочий манипулятор (а) или платформа с рабочим (б); 3 — носитель

Рис. 3.12. Манипулятор с перемещаемыми приводами:

1 — звенья механизма манипулятора; 2 — шарниры; 3 — фиксаторы (тормоза); 4 — перемещающийся привод шарниров