Юревич - Основы Робототехники - 3. Задача информационной системы обеспечение системы управления информацией об окружающей среде, необходимой для выполнения перечисленных выше задач
 Скачать 4.2 Mb.
|
|
Глава 4. Приводы роботов 4.1. Классификация приводов Привод, как известно, включает, прежде всего двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преобразователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта. К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования. В связи с необходимостью встраивания приводов в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения габариты и масса приводов должны быть минимальными. Приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой. При этом переходные процессы в них должны быть практически неколебательными. Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Требования, предъявляемые к их способу управления, быстродействию и точности, непосредственно определяются соответствующими требованиями к роботу в целом, рассмотренными в параграфе 3.1 при классификации роботов. В частности, обычно требуется, чтобы скорость поступательного движения на выходе приводов роботов в среднем составляла от долей до нескольких м/c при погрешности отработки перемещения в долях миллиметра. В роботах нашли применение практически все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые). На рис. 4.1 приведена типовая схема привода манипулятора. Наряду с общей обратной связью по положению в схеме имеется обратная связь по скорости, которая играет роль корректирующей гибкой обратной связи и часто, кроме того, служит для управления скоростью. В тех случаях, когда механизм М является редуктором и понижает скорость, датчик скорости ставится не как показано на ри- Рис. 4.1. Типовая схема приводов манипуляторов: Д — двигатель, М — механизм передачи и преобразования перемещения, ДП,ДС – датчики положения и скорости, УУ П , УУ П1 , УУ П2 — устройство управления и две его части 2 3 Рис.4.3. Стоимость электрических Э, гидравлических Г и пневматических П приводов в зависимости от их мощности. сунке, а на выходе двигателя перед механизмом, чтобы увеличить снимаемый с датчика сигнал по скорости. Устройство управления может быть непрерывного действия, релейным, импульсивным или цифровым. Применение пневматических приводов в робототехнике объясняется их простотой, дешевизной и надежностью. правда, эти приводы плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегулируемые с цикловым управлением. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности — до 10, реже 20 кг. Гидравлические приводы наиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500–1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в роботах средней грузоподъемности, когда требуются высококачественные динамические характеристики. Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, простоту подвода энергии, больший КИД и удобство эксплуатации имеет худшие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравлический приводы. Прогрессивное увеличение в последние годы доли электромеханических роботов в общем парке роботов в мире вызвано быстрым прогрессом в создании новых типов электрических двигателей, специально предназначенных для роботов и позволяющих создавать более компактные комплектные приводы всех требуемых типов. Основная область применения электрических приводов в робототехнике на сегодняшний день — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с высококачественным управлением и мобильные роботы. 4 Для иллюстрации сказанного на рис. 4.2 и 4.3 приведены обобщенные сравнительные характеристики различных типов приводов по удельной мощности и стоимости. При расчете удельной мощности пневмоприводов учитывалась масса аппаратуры подготовки воздуха (см. параграф 4.2), а гидроприводов — масса гидростанции (см. параграф 4.3), которые входят в конструкцию роботов. 4.2 Пневматические приводы. В пневмопривод одной степени подвижности входят двигатель, распределительное устройство и регулятор скорости. Двигатель может быть поступательного движения — пневмоцилиндр и поворотный. Пневмоцилиндр состоит из гильзы, выполненной из прецизионной трубы обычно с фторопластовой накладкой внутри, поршня с уплотнением, которое имеет малое трение по фторопласту, и штока. К пневмоцилиндру часто пристроен тормоз, включающийся в конце хода поршня. Поршень со штоком, который присоединен к нагрузке двигателя, движется под действием сжатого воздуха, подаваемого в полость цилиндра с одной стороны поршня. Полость, расположенная с другой стороны поршня, соединяется с атмосферой для выпуска воздуха, сжимаемого движущимся поршнем. Направление движения поршня со штоком зависит от того, с какой стороны от поршня подается сжатый воздух. Поворотные пневматические двигатели, применяемые в роботах, имеют ограниченный угол поворота (неполноповоротные двигатели). Их подвижная часть представляет собой лопасть, укрепленную на выходном валу и расположенную в кольцеобразном корпусе. Внутри корпуса имеется перегородка, с двух сторон которой получаются полости для воздуха, разделенные подвижной лопастью. Существуют также поворотные пневматические двигатели, состоящие из пневмоцилиндров и механической передачи типа рейка-шестерня, которая преобразует поступательное движение рейки в поворот шестерни. Распределительное устройство пневмопривода служит для управления подачей воздуха в двигатель. Выполняют его из золотников или клапанов обычно с электромагнитным приводом, управляющие сигналы на которые поступают от устройства управления робота. Регулятор скорости привода поддерживает заданную скорость его движения путем стабилизации расхода воздуха, подаваемого в двигатель (например, с помощью дросселя с обратным клапаном). Пневматические двигатели работают на сжатом воздухе давлением 0,3- 0,6 МПа. Сжатый воздух поступает на приводы от общего блока питания, который состоит из аппаратуры подготовки воздуха и редуктора. Подготовка воздуха заключается в его очистке от влаги и механических примесей и внесении распыленного масла для смазки трущихся поверхностей в двигателе. Редуктор обеспечивает поддержание определенного давления воздуха на входе привода. Сжатый воздух на вход блока питания поступает обычно из общей пневмосети, в которую он подается от компрессора (компрессорной станции). В мобильных роботах воздух поступает от баллонов, где он находится под 5 повышенным давлением. Как было указано, в настоящее время подавляющее большинство пневмоприводов роботов имеют простейшее цикловое управление (по упорам). При таком управлении привод перемещается из начального положения сразу в конечное, которое определяется механическим упором, установленным на подвижной части привода (на штоке пневмоцилиндра или выходном валу поворотного двигателя). Упор находит на демпфер, с помощью которого осуществляются гашение энергии движения и безударное торможение привода. Одновременно с этим прекращается подача воздуха в двигатель. Демпферы применяют в основном гидравлические, а для маломощных приводов — более простые пружинные. Прибегают также к способу торможения противодавлением, при котором демпфер не требуется, а торможение происходит за счет переключения подачи воздуха в момент торможения из одной полости двигателя в другую, выхлопную полость, т. е. встречно движению поршня (или лопасти в поворотном двигателе). Программирование перемещения осуществляется перестановкой упора. Благодаря тому, что конечное положение двигателя определяется механическим упором, приводы с цикловым управлением имеют значительно более высокую точность, чем при обычном позиционном управлении с обратной связью по положению (погрешность менее 0,1 мм), повышенное быстродействие (скорость перемещения несколько метров в секунду). Разработаны конструкции пневмоприводов с несколькими выдвижными упорами, которые последовательно по программе выставляются на пути упора, укрепленного на подвижной части двигателя. В результате осуществляются торможение и позиционирование привода в промежуточных точках, определяемых положением этих выдвижных упоров. Такой способ позиционирования может быть реализован, например, с помощью размещенного вдоль пневмоцилиндра барабана с упорами. Упоры расположены по длине барабана со смещением относительно друг друга по углу в плоскости, перпендикулярной оси барабана, как бы по винтовой линии. В результате при повороте барабана на пути упора, перемещающегося со штоком двигателя, последовательно оказываются упоры барабана от первого до последнего. Движение барабана, естественно, должно быть синхронизировано с движением штока двигателя. Существуют также конструкции подобных приводов с выдвижными упорами, снабженными индивидуальными приводами. Минимальная дискретность при программировании точек позиционирования пневмоприводов и, соответственно, наибольшее число таких точек на заданном пути ограничены величиной пути торможения, который при скорости порядка 1 м/с может достигать 100 мм. Для повышения точности позиционирования в промежуточных точках пневмоприводы снабжают тормозом (обычно электромагнитным). Принципиально возможное позицирование пневмоприводов с помощью позиционного управления с обратной связью по положению из-за сжимаемости воздуха имеет значительно худшую точность, чем при использовании упоров. Пока в мире созданы всего несколько марок пневматических промышленных роботов с 6 таким позиционным управлением. Другим вариантом дискретного позиционного пневмопривода является дискретный привод, состоящий из последовательно соединенных цикловых пневмоприводов с различающимися вдвое значениями перемещения. Включая эти цикловые приводы в разной комбинации, можно получать соответственно разное суммарное перемещение из конечного числа его дискретных значений. Например, три таких привода дают в совокупности 8 точек позиционирования; четыре привода — 16 точек и т. д. На рис. 4.4 показан один из первых отечественных серийных пневматических промышленных роботов МП-9С (разработчик — ЦНИИ РТК, производитель — АвтоВАЗ). Робот получил широкое применение на сборочных операциях и для обслуживания прессов. На рис. 4.5 приведена его кинематическая схема. Механизм подъема манипулятора размещен в стальном сварном корпусе 1 и приводится в действие пневмоцилиндром 11, гильза которого жестко связана с корпусом 1, а шток через кронштейн 10 — с втулкой 6. При подаче сжатого воздуха в нижнюю Рис. 4.4. Пневматический промышленный робот МП-9 7 Рис. 4.5. Кинематическая схема промышленного робота МП-9С или верхнюю полость пневмоцилиндра 11 втулка 6 поднимается или соответственно опускается вместе с валом 5 и установленным на нем механизмом выдвижения охвата. От поворота втулка 6 удерживается направляющей 12, входящей в паз кронштейна 10. Ход и точки позиционирования втулки 6 определяются соответствующей фиксацией перемещающихся по направляющей 12 упоров 8 и 14. Так как ход вертикального перемещения манипулятора сравнительно мал (30 мм), демпфирования в концах хода для этого перемещения не производится. Для подачи в устройство управления сигнала о достижении конечных положений манипулятора в кронштейне 10 установлен постоянный магнит 9, а на упорах 8 и 14 — датчики 7 и 13 с магнитоуправляемыми герметичными контактами (КЭМ- 2А), срабатывающие в момент, когда кронштейн 10 касается упоров 8 и 14. Механизм поворота манипулятора выполнен в виде реечной пары и состоит из корпуса 2 сдвоенного пневмоцилиндра, поршня-рейки 3 и шестерни 4. Корпус 2 прикреплен к втулке 6, а шестерня 4 жестко связана с вертикальным валом 5, к верхнему фланцу которого прикреплен механизм выдвижения охвата. Диапазон поворота манипулятора регулируется перемещением двух жестких упоров 15 по верхнему фланцу втулки 6. В отличие от механизма подъема механизм поворота выполнен с демпформированием в концах хода. Это достигается за счет сообщающихся через дроссельное отверстие 41 во втулке 39 8 полостей В и Г в корпусе 16, заполненных маслом и закрытых поршнями 40, штоки которых в конце поворота манипулятора контактируют с упорами 15. Из одной полости в другую масло перетекает через дроссельное отверстие 41 во втулке 39. Дросселирование (степень торможения) регулируется винтом 38. Как и в механизме подъема манипулятора для подачи сигнала в устройство управления в концах поворота манипулятора на упорах 15 установлены датчики с магнитоуправляемыми герметичными контактами, а в корпус 16 встроены постоянные магниты. Механизм выдвижения охвата состоит из стального корпуса 16, в который встроен пневмоцилиндр выдвижения со штоком 17. Выдвижение схвата составляет 150 мм. Кроме того, на корпусе закреплены направляющая гильза 18 и гильза 24 демпфера. По направляющей гильзе 18 перемещается труба 25, на которой закреплен схват манипулятора. На трубе 25 имеются корпусы упоров 21 и 26, определяющих выдвижение схвата и фиксирующихся на трубе 25 сжатием колец 20, 27 и гайками 19 и 28. На корпусе упора 26 закреплен шток 17 пневмоцилиндра выдвижения. Демпфирование в конце хода выдвижения и втягивания схвата осуществляется следующим образом. В гильзе 24 находится плунжер 23 с конической шейкой в средней части. В корпусе 16 выполнены полости Д и Е, заполненные маслом. При нажатии упора 21 на правый конец плунжера 23 при выдвижении охвата плунжер 23 также перемещается. При этом объем полости Е уменьшится, а объем полости Д увеличится, вследствие чего масло начнет перетекать из полости Е в полость Д. Однако по мере перемещения плунжера 23 кольцевой зазор между конической частью плунжера и гильзой 24 демпфера постепенно уменьшается и масло дросселируется, поглощая кинетическую энергию выдвижения схвата. При втягивании схвата демпфер работает аналогично. К упорам 21 и 26 прикреплены постоянные магниты, а к корпусу 16 — датчики с магнитоуправляемыми контактами, дающие сигналы в устройство управления в концах хода выдвижения или втягивания схвата. Как указано выше, манипулятор робота МП-9С комплектуют двумя схватами. На кинематической схеме представлен вариант схвата для взятия и удержания деталей за наружную поверхность. Схват состоит из корпуса 30, прикрепляемого винтами 29 к трубе 25, и поршня 35 с выточкой в средней части, в которую заходят ролики 33 коромысел 31. К коромыслам 31 крепятся сменные пальцы 34. При подаче сжатого воздуха по трубке 22 по каналу К в полость Ж поршень движется вправо, увлекая за собой ролики 33. При этом коромысла 31 поворачиваются на осях 32 так, что пальцы 34 смыкаются и зажимают деталь. При сбросе давления воздуха в полости Ж раскрытие пальцев схвата происходит под действием возвратной пружины 37. Если поршень 35 развернуть на 180° так, чтобы пружина 37 упиралась в крышку 36, и сменить пальцы 34, то, подавая воздух в полость И, можно захватывать полые детали за внутреннюю поверхность. Пневматическая схема робота МП-9С представлена на рис.4.6. Воздух из магистра- 9 Рис. 4.6. Пневматическая схема промышленного робота МП-9 ли через запорный муфтовый вентиль 1, влагоотделитель 2, регулятор давления 3 и маслораспылитель 5 поступает к электропневматическим нормально закрытым клапанам 7—13. Давление в системе контролируется с помощью технического манометра 4. При включении клапана 7 воздух поступает в пневмоцилиндр 7 схвата. Пальцы схвата сближаются и зажимают деталь. При отключении клапана 7 воздух из пневмоцилиндра 17 стравливается в атмосферу и поршень под действием пружины возвращается в исходное положение. При включении клапанов 8, 10, 12 воздух поступает соответственно к пневмоцилиндрам поворота манипулятора 16, подъема манипулятора 15, выдвижения захватного устройства 14, а через клапаны 9, 11, 13 и дроссели 6 стравливается в атмосферу. С помощью дросселей 6 регулируется скорость поршней пневмоцилиндров и, соответственно, звеньев манипуляторов. Устройство управления робота МП-9С выполнено, как уже было указано, в виде отдельной стойки и состоит из двух частей. В нижней части расположены блок подготовки воздуха и электроуправляемые воздухораспределители. На боковую поверхность стойки выведены штуцеры для подсоединения к пневмоцилиндрам манипулятора. Верхняя часть содержит электронные блоки и лицевую панель устройства. На лицевой панели (рис. 4.7) расположены элементы ручного управления приводами робота и ряд плоских многопозиционных переключателей, на которых набирается программа рабочего цикла робота и технологического оборудования. С помощью кнопок “Пуск” и “Стоп” производятся запуск и остановка манипулятора в автоматическом режиме. Кнопка “Автомат-Наладка” предназначена для включения соответствующего режима рабо- 10 Рис. 4.7. Лицевая панель устройства управления промышленного робота МП-9С ты. Остальные кнопки служат для ручного управления приводами манипулятора в режиме “Наладка”: кнопка “Зажим-Разжим” — соответственно для сжатия и разжима пальцев схвата; кнопка “Вверх-Вниз” — для подъема и опускания манипулятора; кнопка “Выдвижение-Втягивание” — для выдвижения и втягивания схвата; кнопка “Вправо-Влево” — для включения поворота манипулятора вокруг вертикальной оси. Кнопки снабжены сигнальными лампочками, высвечивающими заданные команды во всех режимах работы приводов манипулятора. На многопозиционных переключателях, показанных на рис. 4.7 сверху, набирается программа работы робота и другого работающего с ним оборудования. Каждая позиция переключателя соответствует одной команде на перемещение какого-либо одного звена манипулятора или одной команде на включение внешнего технологического оборудования. В данном устройстве управления применены десятипозиционные переключатели, позиции которых соответствуют следующим командам: конец цикла (программы); выдвижение схвата; втягивание схвата; поворот манипулятора вправо; поворот манипулятора влево; подъем манипулятора; опускание манипулятора; зажим пальцев схвата; разжим пальцев схвата; пуск технологического оборудования. На рис. 4.8 показан пример пневматического робота большей грузоподъемности. / 11 Рис. 4.8. Пневматический промышленный робот “Циклон 5” грузоподъемностью 5 кг 4.3. Гидравлические приводы Как было указано в параграфе 4.1, гидроприводы нашли основное применение в тяжелых и сверхтяжелых роботах, а также в роботах средней грузоподъемности, когда требуется особо качественное управление. Гидропривод состоит из тех же основных частей, что и пневмопривод. Основой его является двигатель поступательного движения (гидроцилиндр) или углового движения (поворотный гидродвигатель), которые устроены подобно аналогичным пневматическим двигателям, только вместо сжатого воздуха в них используется жидкость (обычно масло) под давлением до 20 МПа. Соответственно создается и на два порядка большее усилие. Несжимаемость жидкости обеспечивает гидроприводу значительно лучшие динамические и точностные характеристики по сравнению с пневмоприводом. Управление гидравлическими двигателями осуществляется с помощью золотников и клапанов, которые в свою очередь имеют обычно электрическое управление, т. е. представляют собой электрогидравлические усилители (ЭГУ). Гидроприводы чаще всего выполняют с непрерывным управлением. В отличие от пневмоприводов гидроприводы имеют свой блок питания, входящий в состав робота. Этот блок состоит из гидронасоса, фильтра, регулятора давления, устройства охлаждения (обычно водяного) и масляного аккумулятора с запасом масла. На рис. 4.9 показан гидравлический промышленный робот, предназначенный 12 Рис. 4.9. Гидравлический промышленный робот с непрерывным управлением “Коат-а- Матик” фирмы “Ретаб” (Швеция) для нанесения покрытий, сварки и зачистки. Показанный на рис.4.9 робот имеет в качестве рабочего органа краскораспылитель. Робот состоит из трех частей — манипулятора, насосной станции и устройства управления (в центре). Манипулятор, кинематическая схема которого представлена на рис. 4.10, имеет шесть степеней подвижности в угловой системе координат. Звенья манипулятора уравновешены с помощью пружин. Это позволяет оператору легко перемещать манипулятор вручную за две рукоятки у рабочего органа, осуществляя программирование робота методом обучения. Рычаг 10 позволяет расфиксировать вилку 24 относительно стойки 8 в вертикальном направлении. В результате штоки 23 и 26 в гидроцилиндрах 21 и 9 не создают сопротивления при перемещении манипулятора в процессе обучения. Механизм поворота манипулятора относительно вертикальной оси размещен в станине 22 манипулятора. Двигателем служит гидроцилиндр 18, гильза которого шарнирно соединена со станиной 22, а шток 19 — с кривошипом 77. Кривошип 77 прикреплен к вертикальному валу, заканчивающемуся в верхней части планшайбой 16. Механизм качания манипулятора в плече выполнен в виде параллелограмма, состоящего из силовой стойки 8 и тяг 25, шарнирно связанных снизу кронштейном 20, а сверху — щеками 27. Двигателем является гидроцилиндр 21, гильза которого шарнирно прикреплена к кронштейну 20, а шток — к вилке 24. Как указано выше, вилка 24 при работе в автоматическом режиме жестко связана со стойкой 8, а в режиме обучения расфиксируется с помощью рычага 10. 1 Рис. 4.10. Кинематическая схема робота “Коат-а-Матик” Уравновешивание осуществляется пружинами 11, один конец которых с помощью серьги 12 прикреплен к кронштейну 20 эксцентрично относительно оси 13, а второй конец связан со стойкой 8. Серьга 12 снизу заканчивается вилкой, в которую входит штырь 14, связанный со стойкой 8. В зависимости от угла поворота стойки штырь отклоняет серьгу 12, уменьшая или увеличивая плечо пружины 11 относительно оси штыря 14. Потенциометр 15 является датчиком обратной связи. Механизм качания в локте состоит из гидроцилиндра 9, гильза которого через вилку 24 связана со стойкой 8, а шток 26 — со звеном 28. Уравновешивающие пружины 11 закреплены эксцентрично относительно оси качания звена 28. Потенциометр 7 обеспечивает обратную связь для устройства управления. Ориентирующие степени подвижности выполнены в виде двух качательных пар и одной вращательной. Качательные пары выполнены на базе гидродвигателей 1 и 3, размещенных в соответствующих корпусных вилках. Датчиками обратной связи служат потенциометры 2 и 4. Гидродвигатель 6, к выходному валу которого прикреплен держатель 2 распылительной головки, играет роль вращательной степени подвижности. Датчиком обратной связи служит потенциометр 5. Гидравлическая схема робота представлена на рис.4.11. Насосом 8 масло через Рис. 4.11. Гидравлическая схема робота “Коат-а-Матик” обратный клапан 6 нагнетается в ресивер 23 и через фильтр высокого давления 24 попадает в напорную магистраль. Заданное давление масла поддерживается клапаном 10, управляемым реле давления 5, и контролируется по манометру 7. В случае аварийного падения давления масла в гидросистеме реле давления 5 отключает манипулятор. Из гидросистемы масло сливается в бак 9 через теплообменник 12 и фильтр 11. Насосная станция, выполненная в отдельном корпусе, соединяется с блоками распределителей, размещенными в станине, с помощью шлангов с быстроразъемными муфтами 13 и 22. Каждый из приводов робота управляется соответствующим распределителем 3, 4, 14, 15, 16, 21. Переливные клапаны 1, 2, 17—20 при неработающем масляном насосе соединяют противоположные полости гидроцилиндров и гидродвигателей и позволяют перемещать рабочий орган в режиме обучения. При включении насоса под давлением масла клапаны переключаются и соединяют двигатели с соответствующими распределителями. В устройстве управления управляющие программы записываются на магнитном диске — для каждого привода на отдельной дорожке. 3 4.4. Электрические приводы В промышленных роботах нашли применение электроприводы следующих типов: на двигателях постоянного тока традиционных коллекторных и бесколлекторных (вентильных); на асинхронных двигателях как нерегулируемых (с цикловым управлением), так и с частотным управлением; на шаговых двигателях; на различного типа регулируемых муфтах в сочетании с нерегулируемым асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока; на электромагнитах (соленоидных и других типов). В основном применяют электроприводы с традиционным угловым перемещением, т. е. вращающиеся. Однако в роботах с поступательными перемещениями наряду с вращающимися двигателями в комбинации с механизмами, преобразующими вращательное движение в поступательное (типа передачи шестерня- рейка и т. п.) нашли применение специальные линейные приводы постоянного и переменного тока. Электроприводы для роботов в общем случае включают электродвигатель, снабженный датчиками обратной связи по положению и скорости, механическую передачу, часто тормоз, иногда муфту (например, для зашиты двигателя от перегрузки) и устройство управления. Примеры электоромеханических промышленных роботов были приведены на рис.3.6 и 3.8 в главе 3. На рис. 4.12 показан внешний вид электромеханического промышленного робота ИРб-6, устройство которого приведено на рис.3.6. Устройство управления робота вы- Рис. 4.12. Электромеханический промышленный робот ИРб-6 фирмы ACEA (Швеция) 4 полнено на микро-ЭВМ с записью управляющих программ на магнитной ленте. Программирование — обучением с помощью переносного пульта. Робот может функционировать в режимах непрерывного и дискретного позиционного управления и комплектоваться различными сенсорными системами, включая систему технического зрения и силомоментный сенсор. Благодаря своим широким функциональным возможностям ИРб-6 нашел применение как универсальный робот на многих основных технологических операциях (дуговая и точечная сварка, механическая сборка, очистка отливок) и для обслуживания станков и другого технологического оборудования прежде всего в автомобильной промышленности. 4.5. Комбинированные приводы Стремление максимально использовать и объединить достоинства отдельных типов приводов, а также скомпенсировать их недостатки привело к разработке и применению в роботах различных комбинированных приводов. На рис. 4.13 показана схема комбинированного пневмогидравлического привода, Рис. 4.13. Схема пневмогидравлического привода в котором гидроцилиндр, действующий параллельно основному исполнительному пневмоцилиндру, обеспечивает коррекцию скорости выходного звена и его конечного положения. Воздух под давлением поступает из магистрали в одну из полостей пневмоцилиндра 1 через пневмораспределитель 7. В результате происходит перемещение поршня со штоком, скорость которого определяется настройкой гидродросселей 3. (При этом гидрораспределитель 5 находится в правом положении, соединяя обе полости гидроцилиндра.) Обратные клапаны 4 обеспечивают свободный 5 доступ жидкости в заполняемую полость гидроцилиндра 2. Для компенсации разности объемов полостей гидроцилиндра и пополнения утечек масла в схеме предусмотрен масляный аккумулятор 6. Гидрораспределитель 5 может выполнять роль гидрозамка, фиксирующего положение манипулятора. Если в качестве дросселей 3 применить дроссели с пропорциональным электрическим управлением, то рассматриваемый привод при наличии обратной связи по положению можно использовать в роботах с позиционным управлением. Существуют аналогичные пневмоэлектрические приводы, в которых вместо гидропривода применен электропривод. На рис. 4.14 приведена принципиальная схема гидропневматического привода. Рис. 4.14. Схема гидропневматического привода Введение здесь пневмоцилиндра перед основным исполнительным гидроцилиндром позволяет отказаться от гидронасосной станции. При подаче воздуха в поршневую полость пневмоцилиндра 1 создается давление в поршневой полости гидроцилиндра 2 и жидкость из нее поступает в исполнительный гидроцилиндр 3. В результате поршень его перемещается, обеспечивая движение манипулятора. При движении поршня пневмоцилиндра в обратном направлении соответственно изменяется направление движения поршней в гидроцилиндрах 2 и 3. Емкость 4 служит для компенсации разности объемов полостей цилиндра, а также утечки жидкости. Широкое применение нашли комбинированные гидроэлектрические приводы, в которых последовательно соединены маломощный электрический и выходной гидравлический приводы. Электропривод преобразует входной электрический сигнал в перемещение, которое служит входным воздействием для гидроусилителя гидропривода. Электрический привод может быть замкнутым следящим или разомкнутым на базе шагового двигателя. 6 4.6. Рекуперация энергии в приводах Приводы роботов работают в основном в переходных циклических режимах типа разгон-торможение. Поэтому одним из важных способов экономии энергии у них может служить использование идеи рекуперации энергии. Это наиболее важно для мобильных роботов с автономным энергопитанием. Кроме того, при этом часто повышается и быстродействие. Рекуперация энергии основана на ее запасании в процессе торможения и отдачи при последующем разгоне. Существуют два основных способа такого запасания энергии: запасание механической энергии с помощью маховиков, пружин и т. п. и электрической — в аккумуляторах, конденсаторах, индуктивных катушках и т. п. Принцип рекуперации механической энергии с помощью пружин получил применение в отечественных цикловых промышленных роботах, которые благодаря этому не имеют аналогов в мире по своим энергетическим характеристикам. В цикловой привод, который совершает запрограммированное движение из одного крайнего положения в другое, введена пружина. Она растягивается при движении привода из среднего положения в одном направлении и сжимается при движении в другом. При этом привод совершает циклическое движение в режиме резонансных незатухающих колебаний с нулевой скоростью в крайних точках. Двигатель привода осуществляет только подпитку энергией пружины в середине пути при максимальной скорости движения, восполняя потери энергии на выполняемую приводом работу. При этом в конечной точке движения не происходит удара об упор с бесполезным рассеянием накопленной приводом кинетической энергии. В результате в 3-4 раза снижается энергопотребление и соответственно может быть уменьшена мощность двигателя в приводе [7]. Аналогичный эффект можно получить в приводах захватных устройств манипуляторов [8]. На рис. 4.15 приведена схема электрического привода с рекуперацией электрической энергии [9]. Энергия, которая возвращается в источники в режиме рекуперативного торможения, запасается в индуктивности L. Ключи К2, К4 предназначены для реверсного управления двигателем от двухполюсного источника Е 1, Е 2 , а ключи К1, К3, К5, К6 — для осуществления режима рекуперации. В режиме движения под действием двигателя Д ключи К1 и К4 замкнуты, а ключи К3 и К5 разомкнуты. Режим рекуперации включается при торможении, когда знаки производной от заданной скорости и скорости двигателя разные. Для этого устройство управления размыкает ключи К1 и К6, замыкает К3, К5 и инвертирует К2 и К4. Аналогичные схемы разработаны с использованием в качестве накопителей энергии конденсаторов. 7 Рис. 4.15. Схема системы управления приводом мобильного робота с рекуперацией энергии: Д — двигатель; Е 1 , Е 2 — источники напряжения постоянного тока; УУ — устройство управления; ДС — датчик скорости; К — ключи; L — индуктивность УУ К1 К3 К5 К6 ДС К2 К4 – – + + Е 1 Е 2 – L u з 8 4.7. Искусственные мышцы Важным бионическим направлением в робототехнике является создание приводов типа искусственная (техническая) мышца. Современные приводы, применяемые в робототехнике, по своим массогабаритным параметрам на порядок уступают поперечно-полосатым мышцам животных и человека (см. главу 2). Учитывая, что параметры приводов в значительной степени предопределяют массогабаритные и энергетические характеристики роботов в целом, это определяет интерес к проблеме создания технических аналогов таких мышц. Одна из очевидных причин неудовлетворительных массовых параметров современных приводов по сравнению с мышцами – это применение в них металлов, особенно ферромагнитных в электрических двигателях. Поэтому первыми разработками приводов, получивших название искусственная мышца, были пневматические приводы, в которых цилиндр с поршнем заменялся эластичной трубкой (резина, полимеры) в оплетке крест-накрест (нейлон). При подаче в трубку воздуха под давлением оплетка заставляет трубку раздуваясь сокращаться на величину до одной трети длины, имитируя работу мышцы. Такие приводы имеют в 3-4 раза меньшую массу, чем пневматические цилиндры на ту же мощность, и поэтому они получили применение, в частности, при протезировании конечностей. Источником сжатого газа при этом служат обычно одноразовые баллончики. На рис. 4.16 показано устройство реверсивного привода такого типа, примененно- 1 2 3 1 9 Рис.4.16. Реверсивный гибкий пневматический привод фирмы «Бриджестоун»: 1 – гибкий пневматический привод; 2 – трос; 3 – блок. го в промышленном роботе «Софтарм» фирмы «Бриджестоун» (Япония). Устройство состоит из двух пневматических приводов одностороннего действия. При повышении давления в одном из них и одновременном понижении на ту же величину в другом первый привод сокращается, а второй удлиняется. В результате через трос происходит поворот блока, который связан со звеном манипулятора. Угол поворота блока практически прямо пропорционален разности давлений в приводах. Грузоподъемность шарнирного манипулятора с пятью степенями подвижности робота «Софтарм» – 3 кг при массе 5,5 кг. Погрешность позиционирования – 1.5 мм. На рис.4.17 показан вариант пневматической искусственной мышцы, в которой газ под давлением получается непосредственно в самой трубке в результате нагрева электрическим током [10]. При прохождении электрического тока по термоэлементу 3 наполнитель 4 нагревается и выделяет газ. В результате внутри трубки повышается давление и она раздуваясь сокращается по длине. После отключения тока наполнитель охлаждается, вновь поглощая выделившийся газ, и мышца приходит в исходное состояние. Длина мышцы – 150-300 мм, диаметр 3-5 мм. Величина сокращения – 10-15 %. Развиваемое усилие – 100-300 гр., при массе мышцы – единицы грамм. Главный недостаток этой мышцы – очень низкое быстродействие: время сжатия больше 30 с, а обратного расслабления еще в 2-3 раза больше. Другой вариант подобной пневматической мышцы с тепловым воздействием – заполнение трубки легкокипящей жидкостью с воздействием на нее внешним источником тепла. Разновидностью пневматических искус- ственных мышц являются аналогичные устройства с заменой оплетки продольными тяговыми нитями. Такие конструкции имеют лучшие тяговые характеристики и развивают большие усилия. Еще большие тяговые усилия можно получить при замене газа жидкостью под давлением, т.е. при переходе к гидравлическим искусственным мышцам. Кроме того, такие гидравлические искусственные мышцы обладают более Рис.4.17. Сорбиционная искусственная мышца: 1 – хордовая оболочка; 2 – эластичная трубка; 3 – термоэлемент; 4 – наполни- тель; 5 – электрические выводы. 10 высокой точностью позицирования и лучшей динамикой как все гидравлические приводы по сравнению с пневматическими. Наряду с описанными пневматическими и гидравлическими приводами типа искусственная мышца существуют близкие им эластичные приводы, в которых работа совершается за счет изгибных деформаций эластичных полостей. Пример такого привода типа «хобот» был приведен на рис.3.10,б. Однако поскольку в этом случае используется деформация не сжатия как у мышц, а изгиба эти приводы формально не относятся к искусственным мышцам. В среднем описанные пневматические и гидравлические искусственные мышцы по сравнению с аналогичными традиционными приводами (цилиндрами) в 3 раза легче, в два раза меньше по габаритам и развивают в десятки раз большее усилие на единицу веса. Наряду с рассмотренными реализованными в конкретных конструкциях типами пневматических и гидравлических искусственных мышц в мире ведутся интенсивные исследования и разработки искусственных мышц, основанных на других физических принципах. Наиболее близки к рассмотренным устройствам разработки электромагнитных и электростатических искусственных мышц. Электромагнитная искусственная мышца состоит из многовитковой обмотки, сжатой в жгут, в котором проводники с электрическим током противоположного направления прижаты друг к другу. При пропускании по ним тока они вследствие электромагнитного силового взаимодействия расходятся в поперечном направлении. В результате длина жгута сокращается подобно описанному выше сокращению пневматических и гидравлических мышц. Электростатическая искусственная мышца имеет форму цилиндра, по оси которого расположен центральный электрод, а по образующим цилиндра соединенные друг с другом гибкие периферийные электроды. При подаче на центральный и периферийный электроды электрического потенциала возникает электрическая сила, которая отталкивает периферийные электроды от центрального. В результате периферийные электроды изгибаются, вызывая сокращение мышцы. Другой вариант электростатической мышцы представляет собой столбик, составленный из тонких металлических дисков (пленок), разделенных упругими изолирующими прокладками. Все нечетные и все четные диски соединены друг с другом. При подаче на них электрического напряжения разной полярности диски сближаются, сжимая изолирующие прокладки, и мышца сокращается. Вместо изолирующих прокладок может быть использован газ. Следующий тип искусственных мышц – это мышцы на ионизированных полимерных гелях и ионных полимерно-металлических композитных материалах. В электрическом поле молекулы этих материалов ионизируются и испытывают механические силы, которые вызывают деформацию (изгиб) материала в направлении перпендикулярном градиенту электрического поля. На этом принципе был создан, в частности, пятипальцевый схват для манипуляторов[11]. Разрабатываются также искусственные мышцы на базе различных искусственных волокон, деформируемых под действием химических реагентов. Для всех их характерным является низкое быстродействие (секунды) и величины хода 11 (деформации) порядка 10-15 %. Общим достоинством всех предложенных приводов типа искусственная мышца является в несколько раз лучшие массогабаритные параметры по сравнению с традиционными приводами. |