ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ

Раздел: Наука и техника

4.1. Общая характеристика

Манипуляционная система (МС) является составной частью манипулятора робота, обеспечивающей перенос и ориентацию рабочего органа или объекта манипулирования в заданной точке пространства и определяющей форму и объем рабочей зоны, а также характер движений рабочего органа. В совокупности с опорной конструкцией, приводом, передаточными механизмами и рабочим органом манипуляционная система образует манипулятор робота, при этом часть элементов опорной конструкции, привода и передаточных механизмов может непосредственно входить в состав манипуляционной системы в качестве ее звеньев, что обусловило применение в робототехнике общего понятия "манипулятор" как в отношении собственно манипулятора робота, так и его манипуляционной системы.

4.1.1. Структурные и кинематические схемы МС

Манипуляционная система (манипулятор) робота представляет собой многозвенный пространственный механизм с разомкнутой кинематической цепью, первое звено которого (стойка) является основанием робота, а последнее несет рабочий орган, непосредственно взаимодействующий с объектом манипулирования. Система звеньев МС стуктурно связана в кинематическую цепь с помощью вращательных или поступательных пар.

Под звеном механизма понимают деталь (либо совокупность деталей с общим законом движения), которая в процессе движения и взаимодействия с другими звеньями остается жесткой, не изменяя своих размеров и формы. Неподвижное звено механизма называется стойкой, или основанием. Соединение двух соприкасающихся звеньев, допускающее их определенное относительное движение, именуют кинематической парой, или, сокращенно, парой. Если одно из крайних звеньев многозвенного механизма закреплено к основанию, а другое свободно, то такой механизм относят к группе механизмов с открытой, или разомкнутой, кинематической цепью.Изучать такие механизмы удобно, когда они представлены в виде схемы - структурной или кинематической.

Под структурной схемой механизма понимают его графическое изображение с применением условных обозначений звеньев и кинематических пар без указания размеров звеньев. В отличие от структурной кинематическая схема содержит дополнительную информацию о взаимном расположении звеньев, их размерах и величинах взаимных перемещений, необходимую для кинематического анализа и расчета механизма. Кинематическая схема может быть выполнена в плоском изображении или для сложных МС - в аксонометрическом.

Напомним, что свободное абсолютно твердое тело (или звено), не связанное с другими телами, может совершать три независимых поступательных движения в направлении осей X, У, Z и три вращательных относительно них, иными словами, его положение определяется шестью независимыми параметрами - тремя координатами х, у, z какой-либо его точки и тремя углами Эйлера ф, 0, Ф, так называемыми обобщенными координатами. Минимальное количество обобщенных координат, полностью определяющее положение и возможные направления движения тела, называют числом его степеней свободы, или степеней подвижности.

В зависимости от числа условий связи определяют так называемый класс кинематической пары: npnS, равном 1, 2, 3, 4, 5, соответственно образуются кинематические пары первого, второго, третьего, четвертого и пятого классов. В табл. 4.2 показаны конструктивные схемы и условные обозначения некоторых кинематических пар третьего, четвертого и пятого классов. Кинематические пары первого и второго классов в таблицу не включены, так как из-за своей сложности они пока не применяются в конструкциях звеньев манипуляторов. Несмотря на то, что приведенная в таблице винтовая пара имеет два движения - поступательное и вращательное, - ее относят к парам пятого класса, поскольку оба эти движения полностью взаимосвязаны.

В конструкциях манипуляторов преимущественно распространены кинематические пары пятого класса, значительно реже используются пары четвертого и, тем более, третьего классов. Это объясняется тем, что пары высоких классов более сложны и менее технологичны по сравнению с парами низких классов, а кроме того, сложны в управлении. В связи с этим во многих случаях целесообразно вместо одной пары высокого применять несколько пар низкого класса. Пример такой замены показан на  4.1, где одну пару третьего класса (шаровой шарнир) заменяют тремя парами пятого класса (плоскими шарнирами).

В качестве примера использования различных звеньев и пар в конструкциях МС рассмотрим манипулятор, общий вид которого представлен- на  4.2.

Манипулятор содержит пять звеньев, обозначенных цифрами

О, 1, 2, ..., 5. Звенья 0, 1       4 образуют в совокупности манипуля-

ционную систему, а звено 5 относится к рабочему органу - захватному устройству. Направления возможных движений звеньев указаны стрелками I, H....V.

Звено 0 - неподвижное, является опорной базой манипулятора и называется основанием, или стойкой.

Звено 1 - колонна, связанная вращательной парой с основанием манипулятора, может вращаться в направлении стрелки I.

Звено 2 - каретка перемещается поступательно (в направлении

стрелки В) относительно звена I (колонны).

Звено 3 - "рука", связанная также поступательной кинематической парой (в направлении стрелки Ш) с кареткой 2.

Звено 4 - "кисть", соединенная вращательной кинематической парой (по стрелке IV) с "рукой" и другой вращательной парой (по стрелке V) со звеном 5 - захватным устройством. При этом вращательное движение типа IV принято называть ротацией, а типа V - сгибом.

Звено 5 - захватное устройство, имеющее подвижные (в направлении стрелок VI) губки, выполняющие "зажим-разжим" объекта. Заметим, что движения VI не относятся к степеням подвижности звена 5, поскольку не изменяют его положения в пространстве.