Основные понятия робототехники по ГОСТ Р 60.0.0.4−2018: «робот», «степень подвижности», «степень свободы», «автономность», «манипулятор», «рабочий орган», «система управления», «робототехническое устройство», «робототехнический комплекс», «промышленный робот», «сервисный робот».
По каждому термину дать определение и привести примеры.
Международная классификация роботов. Признаки классификации промышленных роботов (грузоподъемность, возможность передвижения, тип привода, способ установки на рабочем месте, выполняемая технологическая операция, способ управления, способ программирования, базовая система координат).
По каждому признаку дать определение и привести примеры.
Международная классификация роботов. Признаки классификации сервисных роботов. Сервисные роботы для профессионального использования. Сервисные роботы для личного и домашнего использования.
Промышленные роботы: состояние мирового рынка. Сервисные роботы: состояние мирового рынка.
Определение мехатроники. Структурный базис мехатроники. Области применения мехатронных систем. Предметная область робототехники и мехатроники.
Структура роботов и мехатронных машин.
Новые служебные функции роботов: мобильные технологические роботы для инспекции и ремонта подземных трубопроводов, военные роботы, роботы для работы в средах радиоактивного загрязнения, робототехника для банковского сектора.
Мехатронные машины с параллельной и гибридной кинематикой.
Методы программного управления роботами: позиционное, контурное и траекторное управление.
Метод адаптивного управления роботами.
Интеллектуальное управление на основе искусственных нейронных сетей: сведения о нейронах головного мозга, математическая модель нейрона, структура нейросети, обучение и применение искусственной нейросети.
Классификация и примеры мехатронных модулей.
Кинематические задачи в робототехнике и мехатронике. Прямая и обратная задачи о положении многозвенного механизма. Прямая и обратная задачи о скорости многозвенного механизма.
По каждой задаче дать постановку и пример решения.
Методы дистанционного управления роботами.
Мехатронный модуль (ММ) [1] — функционально и конструктивно самостоятельное изделие для реализации движений с взаимопроникновением и синергетической аппаратно-программной интеграцией составляющих его элементов, имеющих различную физическую природу.
К элементам различной физической природы относятся:
— механические (преобразователи движения, трансмиссии, звенья);
— гидравлические (гидрораспределители, клапаны, дроссели);
— электротехнические (двигатели, тормоза, электроуправляемые муфты);
Мехатронный модуль движения (ММД) — конструктивно и функционально самостоятельный узел, включающий в себя механическую (гидравлическую, пневматическую), электротехническую (гидротехническую, пневмотехническую) и информационную части, который можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.
По уровню мобильности роботов разделяют на следующие классы:
- Стационарные роботы - это роботы, которые смонтированы в фундамент, к несущим стенам или потолку по отношению к обслуживаемому оборудованию.
- Мобильные роботы-автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами.
Чаще используются на производстве где рутинная или тяжелая работа позволяет повысить эффективность и скорость производства продукции. Это сварщики, сборщики, упаковщики, подъёмники и др.
Несмотря на большое разнообразие, решаемых роботом, задач, и вариаций конструкции, выделяют 6 основных типов роботов. Разница заключается в типе соединения и механической конструкции.
У роботов могут быть и вращательные и линейные оси. Количество соединений в роботе является количеством осей или степеней свободы. Количество и типы соединений звеньев робота будет основным фактором, позволяющим определить тип робота.
Сферический робот, с полярной системой координат. (POLAR COORDINATE ROBOT) [2]
Этот робот имеет центральный поворотный вал как у башни танка и удлиняющуюся руку с вращающимся запястьем. Рука, способная удлиняться предназначена для достижения большого радиуса действия.
Цилиндрический робот
Этот робот похож на робота с полярной системой координат — у него также есть выдвигающаяся рука и поворотный вал. Но разница заключается в движении руки робота, которая может двигаться по вертикали, скользящим линейным, а не вращающимся движением.
Сегодня роботы этого типа по-прежнему используются, например, для переноса LCD панелей для мониторов.
Слайд 5
Линейный робот (Декартов робот)
Робот, работающий в прямоугольной системе координат, все звенья робота двигаются по трём перпендикулярным осям и не вращаются. Этот тип роботов чаще применяется для перемещения тяжелых инструментов. Как правило, такой робот имеет большие габариты, но высокую точность и простоту в управлении.
Шарнирный робот
Сегодня это самый распространенный промышленный робот. Конструкция представляет собой последовательно соединённые звенья. Каждое следующее звено крепится к концу другого 6-ти осевой шарнирный робот имеет такую же подвижность, как и человеческая рука.
Этот тип роботов используется для очень широкого круга задач, таких как обслуживание станков, дуговая или точечная сварка и многое другое.
Слайд 6
SCARA (SELECTIVE COMPLIANCE ASSEMBLY ROBOT ARM) робот
Расшифровывается как «сборочная роботизированная рука с избирательной гибкостью».
Этот робот отличается тем, что все основные звенья перемещаются только в горизонтальной плоскости. И только инструмент на конце руки двигается в линейном направлении. За счёт высокой жесткости в вертикальном направлении роботы SCARA достигают высокой точности и скорости с двигателями меньшей мощности. Роботы с такой конструкцией наиболее востребованы в операциях по сборке. К примеру, SCARA робот duAro успешно применяется на заводах по сборке печатных плат и размещению полупроводниковых пластин. [2]
Это тип параллельного робота. Он состоит из 3 манипуляторов присоединенных к универсальным шарнирам на базе. Ключевой особенностью конструкции является использование схемы параллелограмма в манипуляторах, которая поддерживает ориентацию эффектора. Чаще всего дельта робот состоит из трёх таких рычагов. Все три рычага одновременно поддерживают захват робота на одинаковой высоте. Обладают высокой скоростью и применяются для операций сортировки или укладки цельной продукции в короба, и, как правило, устанавливается над конвейером.
Мобильный робот – автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колесными, шагающими, гусеничными, плавающими, летающими или ползающими. В зависимости от типа среды эксплуатации ходовая часть может быть гусеничная, колесная, колесно-гусеничная, полугусеничная, шагающая, колесно-шагающая, роторная, с петлевым, винтовым, водометным и реактивным движителями.
Колёсный способ — наиболее распространённый способ передвижения, который в зависимости от числа используемых колёс можно разделить на подклассы. Преимуществом использования малого (от 1 до 2) количества колёс может служить простота конструкции и отличная манёвренность, с другой стороны, увеличение числа колёс расширяет площадь контакта с поверхностью, что способствует значительному улучшению проходимости.
Двухколёсные роботы, как правило, используют для определения угла наклона корпуса робота и выработки подаваемого на приводы роботов соответствующего управляющего напряжения (с целью обеспечить удержание равновесия и выполнение необходимых перемещений) те или иные гироскопические устройства. Шаробо́т (англ. Ballbot) — подвижный робот, использующий для передвижения единственное сферическое колесо (т.е. шар), и постоянно самобалансирующий на нём как в движении, так и в покое. Благодаря единственной точке контакта с поверхностью, шаробот одинаково легко передвигается во всех направлениях, являясь чрезвычайно подвижным, манёвренным, и естественным в движениях, по сравнению с обычным наземным транспортом. Исторически сложилось, что подвижные роботы создавались статически неподвижными, что приводило к экономии энергии при стоянии робота на месте. Обычно это достигается использованием трёх и более колёс прикреплённых к платформе. Роботы, построенные по этой модели, зачастую нестабильны при движении, что может быть компенсировано очень широкой колёсной базой и низким центром тяжести. Это сильно ограничивает применение таких роботов в обычной обстановке в присутствии людей, где не только интерфейс пользователя должен быть расположен на доступной высоте, но и подвижность робота затруднена узкими проходами, наличием большого количества препятствий, в том числе людей. Поэтому многоколёсные конструкции плохо приспособлены для работы в быстро меняющихся условиях среди двигающихся людей. Многоколёсные роботы не могут мгновенно сменить направление движения, а также не могут поворачиваться не сдвигаясь с места.
Роботы такого типа решают вышеупомянутые проблемы и имеют некоторые преимущества, связанные с их вытянутой формой, которые могут позволить им лучше интегрироваться в человеческое окружение, чем для роботов некоторых других типов.
Для перемещения по неровным поверхностям, траве и каменистой местности разрабатываются шестиколёсные роботы, которые имеют большее сцепление по сравнению с четырёхколёсными. Ещё большее сцепление обеспечивают гусеницы. Гусеничный способ — чаще всего применяется в боевых роботах, так как использование гусениц значительно повышает проходимость на пересечённой местности. Но их перемещение затруднено использованием на гладких покрытиях.
Плавающий способ — использующий для передвижения гребные винты или силы ветра, способные передвигаться над и под водой, к этому способу относятся БППА (беспилотный плавающий аппарат) а также корабли, оснащенные автопилотом.Существует много разработок роботов, которые перемещаются в воде, подражая движениям рыб.
Летающие роботы. Большинство современных самолётов являются летающими роботами, управляемыми пилотами. Автопилот способен контролировать полёт на всех стадиях — включая взлёт и посадку. К летающим роботам относятся также беспилотные летательные аппараты (БПЛА; важный их подкласс составляют крылатые ракеты).
Слайд 9
Ползающие роботы. Существует ряд разработок роботов, перемещающихся подобно змеям, червям, слизням; при этом для реализации движения робот может использовать силы трения (при движении по шероховатой опорной поверхности) или изменение кривизны поверхности. Предполагается, что подобный способ перемещения может придать им возможность перемещаться в узких пространствах; в частности, предполагается использовать подобных роботов для поиска людей под обломками рухнувших зданий. Разработаны также змееподобные роботы, способные перемещаться в воде;
Роботы, перемещающиеся по вертикальным поверхностям. При их проектировании используют различные подходы. Первый подход — проектирование роботов, которые перемещаются подобно человеку, взбирающемуся на стену, покрытую выступами. Примером подобной конструкции может служить разработанный в Стэнфордском университете робот Capuchin. Другой подход — проектирование роботов, перемещающихся подобно гекконам и снабжённых вакуумными присосками.
Шагающие роботы имеют много преимуществ: они хорошо подходят для пересеченной местности, могут подниматься по ступеням, преодолевать рвы и работать там, где не могут колеса и гусеницы.
Обладая целым рядом преимуществ, шагающие аппараты уступают им по некоторым важным показателям. Принципиальное различие способов перемещения состоит в характере движения центра тяжести аппарата относительно корпуса. При движении колесных средств центр тяжести не изменяет своих координат в системе, связанной с корпусом. При перемещении аппарата шагающего типа, центр тяжести при ходьбе смещается по вертикали.
Создание мобильных роботов, способных передвигаться на двух ногах так же устойчиво, как и человек, сопряжено с огромными трудностями, и основная из них заключается как раз в разработке методов, обеспечивающих динамическую устойчивость двуногого шагающего аппарата.
Самый первый в мире шагающий робот, способный в полном смысле этого слова передвигаться на двух ногах, был разработан в Университете Васэда под руководством д-ра Кадо. Кинематический механизм робота включает 11 шарниров (обладает 11 степенями подвижности). Среди них: шарниры стопы (2 шт.), шарниры лодыжки (2 шт.), коленные шарниры (2 шт.), бедренные шарниры (2 шт.), поясничные шарниры (2 шт.), шарнир наклона корпуса (1 шт.).
Перечисленные шарниры в соответствии с расположением своей оси вращения обеспечивают один из трех типов движения: качание, вращение, отклонение. При качании центр тяжести перемещается поступательно в прямом направлении, при вращении он колеблется влево-вправо, а при отклонении возникает возможность для изменения направления поступательного движения центра тяжести. Движение робота в прямолинейном направлении начинается при согласованной работе шести шарниров, каждый из которых обеспечивает перемещение типа "качание". Когда в результате качания нога полностью приподнимается над полом, в работу вступает шарнир типа "вращение", который поворачивает корпус вперед, чтобы центр тяжести робота тоже переместился вперед. Сразу после этого с помощью шарнира наклона корпуса последний слегка наклоняется влево или вправо. В результате поворота и наклона корпуса и прикрепленного к корпусу груза центр тяжести перемещается таким образом, что вся масса робота перераспределяется на одну опорную ногу. Затем при помощи сустава стопы опорной ноги проводится корректировка положения центра тяжести, в результате которой проекция центра тяжести приходится точно на стопу. При этом обеспечивается сохранение контакта стопы с опорной поверхностью всей плоскостью подошвы. Описанный процесс является симметричным по отношению к левой или правой конечности шагающего аппарата; при ходьбе он полностью повторяется на каждом шаге.[3]
Изменение направления движения достигается за счет работы звеньев поясничной части робота (шарниры типа "отклонение"), при помощи которых нога потихоньку разворачивается в нужную сторону.
В общем случае, для того чтобы управлять динамической устойчивой ходьбой двуногого робота, необходимо составить систему уравнений движения шагающего аппарата, моделью которого, как правило, является некоторый многозвенный кинематический механизм. Обычно такой механизм имеет большое число звеньев и обладает многими степенями подвижности. В результате математическая модель аппарата (система уравнений) оказывается слишком сложной, а ее аналитическое исследование становится практически невозможным. Поэтому первое, что необходимо сделать для реализации управления динамической устойчивостью, это найти какой-либо способ упрощения полных аналитических моделей с учетом специфических особенностей двуногой ходьбы. Одна из чрезвычайно простых для аналитического исследования моделей двуногой ходьбы была предложена д-ром Идо. Соответствующая этой модели схема шагающего аппарата показана на рисунке ниже. В данном случае для облегчения анализа приняты следующие, не соответствующие реальности допущения:
● время, в течение которого обе ноги одновременно касаются земли, равно 0;
● длина опорной ноги остается неизменной с момента касания опоры до момента отрыва от нее;
● все движения аппарата совершаются только в сагиттальной плоскости (плоскости, делящей тело человека на правую и левую части), т. е. центр тяжести может перемещаться либо вверх-вниз, либо вперед-назад.
Кроме того, предполагается, что стопа касается опорной поверхности только в одной точке, а величина силы трения, возникающей между стопой и полом, достаточна для того, чтобы исключить возможность проскальзывания.