ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ

Раздел: Наука и техника

Классифицирование промышленных роботов может осуществляться по самым различным признакам: области применения, производственно- технологическим особенностям, специализации, виду базовой системы координат, грузоподъемности, величинам линейных перемещений, объему рабочей зоны, классу точности, возможности передвижения (мобильности), типу привода, способу установки на рабочем месте, типу системы управления, способу программирования и др.

По области применения промышленные роботы классифицируются соответственно конкретному виду их использования в качестве основного технологического оборудования, и в настоящее время по этому признаку можно выделить следующие основные разновидности ПР: сварочные, окрасочные, сборочные и контрольно- измерительные.

Выше () упоминалось о подразделении ПР по производственно-технологическим признакам на технические, подъемно-транспортные (вспомогательные) и универсальные промышленные роботы, а также по специализации - на специальные, специализированные и универсальные (многоцелевые).

Рассмотрим подробнее еще две из наиболее характерных и содержательных классификаций промышленных роботов: 1) по виду базовой системы координат; 2) по уровню вводимой информации и способу программирования (обучения).

По виду базовой системы координат, или конфигурации манипулятора можно выделить пять основных разновидностей промышленных роботов. Но прежде чем рассмотреть конкретные разновидности, следует привести несколько пояснений.

Компоновка и конструктивное исполнение робота прежде всего зависят от того, какие движения и в какой последовательности должен выполнять манипулятор при функционировании. Для переноса объекта манипулирования без его ориентации (в любое место рабочей зоны) необходимо и достаточно наделить манипулятор тремя степенями подвижности, каждая из которых может быть как поступательной, так и вращательной. Эти степени подвижности, называемые переносными, или региональными, определяют систему координат, в которых осуществляются основные движения исполнительного устройства робота по переносу объекта. В зависимости от характера каждой из переносимых степеней подвижности (поступательной или вращательной), их последовательности и взаимной ориентации в пространстве формируется та или иная базовая система координат манипулятора со своими особенностями и формой пространственной фигуры, описываемой рабочим органом ПР. Таким образом, вид базовой системы координат манипулятора ПР определяет его конструктивное исполнение, уровень сложности системы управления и трудности программирования исполнительных движений.

Промышленный робот, действующий в прямоугольной, или декартовой, системе координат, имеет три поступательных базовых степени подвижности с взаимно перпендикулярными направлениями перемещений. Этот тип робота состоит ( 3.4) из рамы 1 в виде балочной мостовой или портальной конструкции, перемещающейся поступательно, поперечной тележки или каретки 2, относительно которой в вертикальном направлении перемещается "рука" манипулятора 3 в виде стойки или колонны. Форма образующейся пространственной фигуры, описываемой рабочим органом, так называемой рабочей зоны 4, представляет собой прямоугольный параллелепипед.

Механические свойства прямоугольной системы манипулятора (удобство обслуживания рабочей зоны, достаточно высокая жесткость) позволяют применять такие роботы в стесненных условиях, подвешивая их над обслуживаемым оборудованием, а также там, где требуется высокая точность, например, на сборочных операциях. Однако, несмотря на сравнительную простоту построения манипулятора и программирования, ПР такой конструкции используются сравнительно редко. Недостатками являются чрезмерное увеличение габаритных размеров устройства при сравнительно небольшом объеме рабочей зоны и удлинение продолжительности заданной циклограммы процесса. Чаще всего такие роботы выполняются в виде каретки, подвешенной на направляющих под или над обслуживаемым оборудованием, либо в виде портальной конструкции. Примерами такой конфигурации промышленных роботов являются отечественные "Ритм-05.01", УМ1.25Ф4.24.01, транспортный робот с двумя степенями подвижности ТРТ-1-250 ("Спрут-1"); сборочный "двурукий" робот итальянской фирмы "Olivetti" "Sigma/MTG"; японские "Electro hand" и "Synchro hand", болгарский РБ-250 и др.

Промышленный робот, действующий в цилиндрической системе координат, имеет одну вращательную и две поступательные базовые степени подвижности с взаимно перпендикулярными направлениями перемещений. Манипулятор такого робота состоит ( 3.5) из поворотной колонны, или стойки, 1, перемещающейся по ней в вертикальном направлении каретки 2, относительно которой * поступательно движется "рука" манипулятора 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой неполный цилиндр.

Благодаря удобству конструктивного построения и программирования, такая конфигурация манипулятора получила широкое распространение. Она обеспечивает обслуживание большого объема рабочего пространства, а наличие двух переносных поступательных перемещений наряду с вращательным облегчает планировку и компоновку рабочих мест и оборудования, создание робототехнических комплексов. К недостатку следует отнести затруднительность обслуживания объектов, расположенных на малой высоте. Примерами таких промышленных роботов являются отечественные "Циклон-3", "Циклон-5", "Универсал-5", двурукий' ПР-5, ПР-10И, "Бриг-10", малогабаритные ПР "Ритм-01.01" и двурукий "Ритм-01.02", МП-9; японские "Fanuc-1", "Fanuc-2", "Robot", "Uniman 10", "Uniman 2000", "Autohand"; болгарский РБ-110; итальянский RBT-5; промышленный робот ФРГ MHU-500, а также один из первых промышленных роботов, созданный в США, "Versatran" и другие.

 Промышленный робот, действующий в сферической, или полярной, системе координат, имеет две вращательные взаимно перпендикулярные и поступательную степени подвижности. Такой тип робота состоит ( 3.6) из вращающейся колонны, или основания, 1, поворотной (качающейся) каретки 2 и перемещающейся в ней поступательно "руки" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой неполный шар, ограниченный сферическими и плоскими поверхностями.

Такая конфигурация манипулятора несколько громоздка и требует для своего управления более сложную систему. Однако благодаря высокой универсальности, возможности обслуживания большего объема рабочего пространства, чем манипуляторы, работающие в прямоугольной и цилиндрической системах координат, такие промышленные роботы получили широкое распространение. Первый промыт- * ленный робот "Unimate", созданный в США фирмой "Unimation", построен именно в сферической системе координат. Примерами таких промышленных роботов являются отечественные - "Универсал-15", "Универсал-50", "Универсап-60", ПР-35; созданные в США роботы "Stenford arm", а также гамма роботов типа "Unimate" и "Prab"; японские "Matbac-IRA-50", "Robitus RS", а также гамма роботов типа "Kawasaki Unimate"; итальянский "Little giant"; германские "Linear- Gerat LI5" и "Rohren-Gerat R30" и другие.

Промышленный робот, действующий в угловой, или ангу- лярной, сферической системе координат, имеет три вращательных базовых степени подвижности. Такая конфигурация манипулятора ( 3.7), называемая еще сложной сферической, или антропоморфной, состоит из звеньев, способных поворачиваться подобно руке человека: к вращающемуся "туловищу" в виде корпуса, или колонны, 1 шарнирно прикрепляется "плечо" 2, к которому, в свою очередь, - "локоть" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой сложную шаровую, ограниченную сферическими и цилиндрическими плоскостями.

Антропоморфная система довольно сложна и громоздка для реализации и программирования, требует для своего управления более сложные устройства, а в связи с пониженной жесткостью нужны специальные меры для повышения точности манипулирования. В то же время она отличается высокой универсальностью, а обладая наибольшим объемом обслуживаемой рабочей зоны, хорошо компонуется в цехе, позволяет минимизировать размеры производственных площадей, необходимых для размещения роботов. При оснащении дополнительными шарнирами она приобретает повышенные гибкость и маневренность, что особенно важно для окрасочных и сварочных работ. Типичными примерами антропоморфной конфигурации являются отечественные промышленные роботы РПМ-25, ТУР-10, окрасочный робот "Колер"; шведские роботы IRb-б и IRb-60 фирмы "ASEA"; норвежский - "Trallfa"; сварочные и сборочные роботы модели IR германской фирмы "Kuka"; сварочный робот модели "Vertikal-80" французской фирмы "Renault"; роботы фирм США "Cincinnati Milacron" и "Unimation" (серии "Пума") и др.

Промышленный робот, действующий в ангулярной цилиндрической, или сложной цилиндрической, системе координат, имеет две вращательные в горизонтальной плоскости степени подвижности и перпендикулярную в ним - поступательную, т.е. направленную вертикально. Манипулятор такого робота ( 3.8) состоит из вращающейся колонны, или корпуса, 1, присоединенного к нему и поворачивающегося в той же горизонтальной плоскости звена 2, на конце которого в направляющей перемещается вертикально "рука" 3. Форма образующейся рабочей зоны 4 представляет собой прямой

Это принципиально новая конфигурация манипулятора промышленного робота, созданная в Японии учеными университета Яманаси, появилась впервые в 1981 г. и получила название "SCARA" (Selective Compliance Assemble Robot Arm - рука сборочного робота с избирательной податливостью) В отличие от робота, действующего в угловой системе координат, вращающиеся сочленения "SCARA" расположены в горизонтальной, а не в вертикальной плоскости с использованием вертикальной подвижности для поступательного движения захватного устройства. Такал конфигурация, сочетая свойства угловой и цилиндрической систем координат, оказалась весьма эффективной. За счет высокой жесткости в вертикальном направлении роботы типа "SCARA" могут нести значительно более высокие полезные нагрузки, чем другие сборочные роботы (до 30 кг), и в то же время весьма удобны для выполнения сборочных операций. Схема получила широкое распространение для сборочных роботов, и ряд фирм, в том числе и такая всемирно известная, как IBM (США), на основе лицензионных соглашений производят сборочные роботы этого типа; одна из наиболее совершенных японских моделей получила название "SKILAM", что означает "ловкая рука".

Наряду с рассмотренными пятью основными разновидностями промышленных роботов в последние годы в США создана нетрадиционная конфигурация так называемого параллельно действующего манипулятора, получившая марку "GADELY" по названию компании (GEC Advanced Device For Assembly - усовершенствованное устройство для сборки компании "ГЕК"). Робот "GADFLY" имеет диск с инструментами, подвешенный на трех парах стержней, изменяя длины которых можно перемещать рабочий орган по шести степеням подвижности. Благодаря сочленениям, собранным не последовательно, как в традиционных манипуляторах, а параллельно, система может быть очень легкой, быстрой и точной. Однако ее малая рабочая зона ограничивает применение такой конфигурации манипулятора областью легких сборочных операций.

По уровню вводимой информации и способу обучения промышленные роботы можно разделить на четыре основные категории. При этом каждой категории ПР присущ определенный уровень вводимой извне информации, необходимой и достаточной для полноценного функционирования в заданных технологических условиях, а также органически связанный с этим способом его обучения (или программирования). По тому, какую информацию достаточно получить роботу для выполнения заданной работы и как при этом "обучить" его новым операциям, можно судить о его технологических возможностях и степени автономности.

Неперепрограммируемые (необучаемые) промышленные роботы с жестким цикяом операций снабжены заранее подготовленной достаточно простой программой, повторяющей одну и ту же заданную последовательность операций независимо от изменяющихся условий и не поддающейся изменению простыми средствами. Состав и последовательность действий робота задаются априорно для каждой технологической операции в соответствии с предварительной информацией об организации производственного процесса. Внесение корректив в первоначальную последовательность действий, обусловленных происшедшими изменениями в организации технологического процесса, требует длительного времени и чрезмерных материальных и трудовых затрат, а потому нецелесообразно. По существу, в этой категории речь идет об автооператорах - неперепрог- раммируемых автоматических манипуляторах, которые по Европейской классификации не входят в класс промышленных роботов, однако учитываются в классификации ПР японским промышленным стандартом JIS В0134-1979.

Жесткопрограммируемые (переобучаемые) промышленные роботы с изменяемым циклом операций содержат полный набор информации, не изменяющийся в процессе самой работы, но поддающийся корректировке путем "переобучения" при изменении (переналадке) технологического процесса, для чего предусматриваются специальные средства и методы (замена либо изменение программы), позволяющие легко и быстро изменять состав и последовательность действий робота при изменении внешних условий, а также при переходе от одной технологической операции на иную. Набор программ, записанных в устройство управления, позволяет легко настраивать робот на изготовление требуемого изделия. И все же это промышленные роботы первого поколения, не имеющие сенсорного обеспечения и не способные корректировать свои действия в самом процессе функционирования в зависимости от изменяющихся условий.

Перепрограммируемые (обучаемые) промышленные роботы с изменяемым циклом операций наряду с полным набором программной информации имеют сенсорное обеспечение и обратные связи, позволяющие в той или иной мере корректировать программные действия соответственно изменению параметров технологического процесса Алгоритмическое и программное обеспечение таких ПР позволяет системе управления на основе сигналов обратных связей формировать законы управления манипулятором с учетом фактической обстановки, т.е. обучаться в процессе взаимодействия с объектами производства (адаптироваться) к изменяющимся условиям.

"Начальное" обучение таких роботов осуществляется обычно по первому рабочему циклу, для чего перед началом работы человек- оператор в режиме обучения вручную проводит захватное устройство робота по рабочей траектории. При этом в запоминающее устройство системы управления роботом автоматически записываются координаты узловых точек рабочей траектории, а также некоторая информация о состоянии робототехнической системы в процессе выполнения технологической операции. Затем система управления роботом переводится в рабочий режим, а записанная в память информация, преобразованная в командные сигналы, подается на приводы исполнительной системы, и манипулятор выполняет заданные состав и последовательность действий. Такие промышленные роботы обычно относятся ко второму поколению.

Гибкопрограммируемые (самообучаемые) промышленные роботы с элементами искусственного интеллекта кроме развитой сенсорной системы в виде искусственных органов зрения, слуха, осязания и других должны обладать мощной информационно-управляющей системой и совершенным алгоритмическим и программным обеспечением, способными распознавать образы и ситуации, моделировать окружающую среду, планировать поведение и, самообучаясь в процессе функционирования, формировать состав и последовательность своих действий на основе поставленной цели и информации об окружающей среде в условиях неорганизованного рабочего пространства. Это роботы третьего поколения, которые найдут применение в самых сложных технологических процессах сборки, монтажа, контрольно-измерительных и специальных технологиях.