Введение
манипулятор управление моделирование
Манипулятор - совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляющая под управлением программируемого автоматического устройства или человека-оператора действия (манипуляции), аналогичные действиям руки человека.
Промышленные роботы предназначены для замены человека при выполнении основных и вспомогательных технологических операций в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождения человека от работ, связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, не требующих высокой квалификации. Гибкие автоматизированные производства, создаваемые на базе промышленных роботов, позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве. Промышленные роботы являются важными составными частями современного промышленного производства [1].
Компьютерное моделирование робототехнических систем имеет огромное значение в областях науки и техники. Огромное множество трудоёмкой физической работы человека в настоящее время заменено роботами, а компьютерные устройства, системы компьютерной математики значительно облегчили громоздкие вычисления и преобразования, сведя их к минимуму.
Компьютерная модель - компьютерная программа, реализующая абстрактную модель некоторой системы. Компьютерные модели используются для получения новых знаний о моделируемом объекте или для приближенной оценки поведения математических систем, слишком сложных для аналитического исследования.
Компьютерное моделирование является одним из эффективных методов изучения сложных систем. Компьютерные модели проще и удобнее исследовать, в тех случаях когда реальные эксперименты затруднены из-за финансовых или физических препятствий или могут дать непредсказуемый результат. Логичность и формализованность компьютерных моделей позволяет выявить основные факторы, определяющие свойства изучаемого объекта. [2]
Целью данной работы является разработка кинематической схемы трехстепенного манипулятора и построение трёхмерной модели его конструкции, моделирование компьютерной динамической модели манипулятора, выполнить анализ движения модели робота при различных условиях, определить некоторые характеристики робота на основе моделирования, проектирование отдельных деталей и изготовление их при помощи 3D печати, сборка робота, разработка системы управления манипулятором на основе Arduino [3].
Манипулятор по принципу действия напоминает человеческую руку. В нём присутствуют поворотные соединения, которые обеспечивают наклон в плечевом соединении и сгибание в локте, механический захват, который позволит роботу хватать и перемещать предметы в разных направлениях.
Отличительная черта данной конструкции - очень высокая гибкость, позволяющая роботу обходить многие препятствия. Кроме того, робот этого типа достаточно компактен, и обслуживаемая им зона гораздо больше, чем занимаемое роботом место.
Несмотря на очевидные
преимущества конструкции, управлять таким роботом достаточно сложно. При
перемещении каждого звена принцип минимального значения требуемого угла, и
манипулятор движется не по прямой линии (как декартов, например), а выполняет
довольно сложную траекторию, имитируя движения живой руки. В результате
мысленное представление всех движений «руки» сильно затруднено, что создаёт
трудности при программировании. [4]
1. Подходы к моделированию и управлению манипуляторами
.1 Типы
манипуляторов
Первый вопрос, с которым сталкивается создатель манипулятора, - выбор его кинематической схемы, структуры его скелета. В процессе выполнения операций с объектами манипулирования в большинстве случаев манипуляторы имитируют движение рук человека. Поэтому структурная схема манипулятора должна обладать кинематическими характеристиками, аналогичными характеристикам руки человека.
Манипулятор должен иметь по крайней три степени подвижности, необходимые для перемещения инструмента в любую точку зоны обслуживания. Каждая степень подвижности манипуляционного робота управляется индивидуальным приводом, в результате чего исполнительный орган получает направленное вполне определенное движение. В современных манипуляторах используют электромеханические, гидравлические, пневматические или комбинированные приводы.
Существует большое количество схем манипуляторов, различным образом реализующих региональные движения, но наиболее распространенными в промышленности являются пять следующих схем с одноподвижными кинематическими парами:
Декартовый тип. Манипулятор (рис. 1.1), функционирующий в декартовой
(прямоугольной) системе координат, прост в управлении и отличается высокой
точностью действий. Схват манипулятора поступательно перемещается вдоль трех
основных осей: х, у и z (т.е. слева направо, вперед-назад и вверх-вниз).
Рис. 1.1. Манипулятор декартового типа
Цилиндрический тип. Манипулятор (рис. 1.2), работающий в цилиндрической системе
координат. Его схват может выдвигаться и втягиваться, а также перемещаться
вверх и вниз вдоль стойки. Кроме того, весь узел манипулятора может
поворачиваться вокруг оси основания, но не на полный оборот, что позволяет ему
выполнять операции в окружающей цилиндрической зоне.
Рис. 1.2. Манипулятор цилиндрического типа
Сферический тип. Манипулятор (рис. 1.3), действующий в сферической (или полярной)
системе координат. Его схват может выдвигаться и втягиваться. Вертикальные
перемещения манипулятора достигаются путем поворота его в вертикальной
плоскости в «плечевом» суставе. Весь узел манипулятора может также
поворачиваться вокруг оси основания. Зона действия подобного манипулятора
представляет усеченную сферу. Первые модели промышленных роботов были
сконструированы именно по этому принципу.
Рис. 1.3. Манипулятор сферического типа
Ангулярный тип. Шарнирный манипулятор (рис. 1.4), действующий в ангулярной системе
координат, не имеет поступательных кинематических пар, а имеет только
вращательные кинематические пары. Манипулятор такого типа очень напоминает руку
человека, поскольку имеет «плечевое» и «локтевое» сочленения, а также
«запястье». Его зона обслуживания значительно больше, чем у роботов других
типов. Он способен обходить препятствия гораздо более разнообразными путями и
даже складываться, но вместе с тем он исключительно сложен в управлении.
Рис. 1.4. Манипулятор ангулярного типа
Тип SCARA. Своеобразную схему имеет манипулятор системы SCARA (рис. 1.5),
представляющий собой вариант манипулятора с цилиндрической системой координат.
Все кинематические пары этого манипулятора располагаются в горизонтальной
плоскости, благодаря чему механизм способен разворачиваться подобно складной
ширме. Его зона обслуживания имеет цилиндрическую форму.
Рис. 1.5. Манипулятор SCARA типа
Перспективными представляются роботы
еще двух типов. Первый из них, «Spine» (рис. 1.6), спроектирован
специалистами фирмы «Спайн роботикс». В нем используется длинный хоботоподобный
манипулятор, состоящий из множества чечевицеобразных дисков, которые соединены
между собой двумя парами тросов, обеспечивающих натяжение. Тросы соединены с
поршнями гидравлических цилиндров, которые, создавая натяжение, вызывают
перемещение манипулятора. Специальные датчики передают на систему управления
информацию о положении манипулятора и его кисти. Такой робот отличается
чрезвычайно большой гибкостью, значительным радиусом действия и высокой
маневренностью.
Рис. 1.6. Манипулятор Spine типа
Другой робот маятникового
типа (рис. 1.7), IR B1000, разработан специалистами фирмы ASEA; его
манипулятор подвешен подобно маятнику с двойным карданным подвесом и может
перемещаться по направляющим относительно продольной и поперечной осей. По
утверждению специалистов фирмы ASEA, это устройство движется в 1,5 раза
быстрее, чем традиционные манипуляторы, что обеспечивает высокую
производительность. [5]
Рис. 1.6. Манипулятор маятникового
типа
В данной работе будет
разрабатываться манипулятор ангулярного типа т.к. вращательные кинематические
пары наиболее просты в конструкции и легко реализуемы, также такая конструкция
имеет довольно обширную рабочую зону и своей гибкостью позволяет обходить
некоторые препятствия. Но реализация системы управления для такой конструкции
будет вызывать некоторые трудности т.к. для передвижения рабочего органа
манипулятора по декартовым координатам потребуется управлять углами поворотов
звеньев робота, причём отклонения поворота каждого звена от нужного значения
вносят суммирующее воздействие на погрешность положения рабочего органа.
1.2
Классификация манипуляторов
Манипуляторы составляют 85-90% всех роботов в мире.
Классификация роботов по назначению в промышленности:
· Керамическая промышленность: выдавливание керамического сырья, загрузка вальцовых (крокетных) машин, извлечение сформованных изделий, складирование, покрытие глазурью путем окунания, нанесение глазури пульверизатором, шлифовка изделия после обжига, загрузка и разгрузка печей;
· Стекольная промышленность: загрузка и разгрузка машин;
· Швейная промышленность: загрузка швейных машин;
· Деревообрабатывающая промышленность: покрытие лаком, сборка изделий, забивка гвоздей, закручивание винтов;
· Производство и обработка кожи: загрузка машин;
· Резинообрабатывающая промышленность: распознавание образов, манипулирование шинами;
· Асбестообрабатывающая промышленность: разрезка, обточка, шлифовка, штукатурка;
· Обработка пластиков: загрузка сырья, разгрузка машин;
· Мясообрабатывающая промышленность: рубка мяса.
По степени универсальности:
· универсальные (для выполнения разных операций совместно с различными видами оборудования);
· специализированные (выполняет одну операцию из нескольких возможных с различным оборудованием);
· специальные (выполняет конкретную операцию с одним типом оборудования).
По виду технологических операций:
· осуществляющие основные технологические операции;
· выполняющие вспомогательные технологические операции по обслуживанию технологического оборудования (средства автоматизации).
По показателям, определяющим их конструкцию:
· тип приводов робота (электрический, гидравлический, пневматический);
· грузоподъемность (сверхлегкие - до 1 кг; легкие - от 1 до 10 кг; средние 10¸200 кг; тяжелые - 200¸1000 кг; сверхтяжелые - свыше 1000 кг);
· количество манипуляторов (от 1 до 4 рук);
· тип и параметры рабочей зоны манипуляторов (прямоугольная, цилиндрическая, сферическая, угловая (ангулярная) и различные их комбинации).);
· подвижность робота определяется наличием или отсутствием у него устройства передвижения (подвижный или стационарный).
· по способу размещения стационарные и подвижные роботы бывают напольными, подвесными (перемещаются по монорельсу), встраиваемые в другое оборудование (в станок или др.);
· по исполнению робота - зависит от назначения (нормальное, пылезащитное, теплозащитное, влагозащитное, взрывобезопасное и т.п.).
По способу управления:
· с программным управлением;
· с адаптивным управлением;
· с интеллектуальным управлением.
По быстродействию движений:
· малое быстродействие - до 0,5 м/с;
· среднее - линейные скорости от 0,5 до 1 м/с (~80% роботов);
· высокое - свыше 1 м/с (~20% роботов).
По точности движений:
· малая точность - при линейной погрешности от 1 мм и выше;
· средняя - от 0,1 до 1 мм (больше всего роботов);
· высокая - менее 0,1 мм.
Параметры, определяющие технический уровень роботов:
· надёжность;
· число одновременно работающих степеней подвижности;
· время программирования;
· удельная грузоподъёмность (отнесённая к массе робота);
· выходная мощность манипулятора (произведение грузоподъёмности на скорость перемещения), отнесённая к мощности его приводов;
· относительные оценки габаритных параметров и т.п.
Эти параметры служат критериями качества, предназначенные для их оптимизации при проектировании и сравнительной оценки роботов. [6]
Разрабатываемый в данной работе трёхстепенной манипулятор будет иметь следующие параметры классификации:
· степень универсальности - специальный, предназначен для переноски небольших лёгких предметов;
· тип приводов - электрический;
· грузоподъемность - сверхлёгкий (до 1 кг);
· тип рабочей зоны - ангулярная;
· подвижность робота - стационарный;
· способ размещения - напольный;
· способ управления - программный и ручной;
· быстродействие движений - малое быстродействие (до 0,5 м/с);
· точность
передвижений - малая точность (погрешность боле 1 мм).
1.3
Системы управления манипулятором
Системами управления оснащены все манипуляторы, у которых перемещение подвижных звеньев осуществляются с помощью различных немеханических приводов.
Система управления современного манипулятора состоит из нескольких подсистем, выполняющих определенные информационные, управляющие, защитно-предупредительные, ограничительные и другие функции.
Различают три основных вида управления ПР: цикловое, позиционное, контурное. Цикловое управление программирует последовательность выполнения движений и условия начала и окончания движений; положение, до которой идет движение, задаются на самом манипуляторе, а не в программе; скорость перемещения определяется характеристиками привода и также не задается в программе. При позиционном управлении команды подаются так, что перемещение рабочего органа происходит от точки к точке, причем положения точек задаются программой. Скорость перемещения между точками не контролируется и не реализуется. При контурном управлении движение рабочего органа происходит по заданной траектории с задаваемой скоростью. В программе задаются сами траектории и режимы движения. Контурное управление используется значительно в технологических работах.
Устройство управления и другие блоки системы управления при цикловом, позиционном и контурном управлениях могут быть реализованы на одинаковых или разных принципах и элементных базах. В особый вид обычно выделяется адаптивное управление, при котором осуществляется автоматическое изменение управляющих программ. В частности адаптация или приспособленность системы управления может заключаться в том, что устройства системы управления с помощью специальных датчиков определяют конфигурацию объекта и его положения.