Главная > Разное > Конструирование роботов
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

6.9. ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ

6.9.1. Интегрированные механизмы

В некоторых механизмах технологических роботов очень трудно отделить элементы конструкции, выполняющие функцию звеньев несущей части механизма пространственного перемещения, от элементов, составляющих звенья системы передачи движения. Однако анализ кинематических характеристик конструкций требует обобщенного подхода без разграничения функций каждой компоненты системы.

Для иллюстрации этих частных случаев мы выбрали несколько примеров, с помощью которых можно продемонстрировать обобщенный подход к анализу свойств и особенностей. Среди них рассмотрены два механизма типа хобота; каждый из них удовлетворяет техническим условиям, предъявляемым к роботам для окрасочных работ. Однако по принципу действия они сильно отличаются друг от друга.

Объединение системы передачи движения с несущей частью конструкции механизма пространственного перемещения иногда проявляется в менее выраженной форме. Например, для космического телеманипулятора предложенный выбор конструкции оправдан жесткими ограничениями, определяемыми условиями его работы.

6.9.2. Телеманипулятор LEMMA

Описание системы передачи движения. Устройство представляет собой опытный образец телеманипулятора Laboratory Engineering Model Manipulator Arm (LEMMA), который отрабатывался в NASA и в лаборатории Engineering Mechanics Университета Nebraska-Lincoln в США. Оно удовлетворяет требованиям манипулирования с объектами, определенными в рамках программы исследований, проводимых на борту космического корабля (Shuttle Free Flying Teleoperator Experiment) (рис. 6.41).

Телеманипулятор LEMMA по структуре должен быть в первую очередь аналогом руки человека. Кроме того, обзор телекамеры ограничен, так как ее звенья и сочленения, имеющие достаточно большой объем, мешают наблюдениям за манипуляциями «руки». Поэтому блоки следящих моторов-редукторов размещены в непосредственной близости от механизма плеча. Устройство, предназначенное для захвата и переноса объектов, обладает шестью степенями свободы по отношению к стойке. В нем только системы передачи движения в направлении «локтя» и «кисти» имеют оригинальную кинематическую структуру.

Блок из четырех двигателей, закрепленный на «руке», помещен в верхней части сложных кинематических цепей, идущих к «локтю» и «кисти». Эти приводы расположены в том месте, в котором могут частично обеспечить статическое равновесие «руки» (в поле тяготения).

Рис. 6.41. Телеманипулятор LEMMA.

Из всей системы в первую очередь выделим сложное устройство, состоящее из концентрических труб и конических зубчатых колес и предназначенное для передачи движений к соответствующим сочленениям звеньев робота (рис. 6.42).

Рассмотрим сочленение представленное на рис. 6.42. Верхнее по кинематической цепи звено представляет собой трубу, внутри которой находятся концентрические валы с осями, совпадающими с осью Нижнее звено также содержит концентрические валы, имеющие общую ось Промежуточные концентрические валы, имеющие общую ось передают движение на свою кинематическую цепь с помощью пар конических зубчатых колес в точках (рис. 6.43).

Кроме того, можно выделить совокупность систем передачи движения через последовательные эпициклические цепи зубчатых механизмов, которые располагаются между двигателями и внутренними по отношению к кинематической структуре цепями. Функция этого механизма, как показано ниже, состоит в том, чтобы полностью компенсировать рассогласование движений в параллельных кинематических цепях (самокомпенсирующее устройство). Это рассогласование обусловлено выбранным способом передачи, т. е. через полые валы и конические пары зубчатых колес.

Кинематический анализ передач сочлененных звеньев. Определения. Введем следующие обозначения: угловая скорость выходного вала относительно угловая скорость промежуточного вала относительно угловая скорость выходного вала относительно угловая скорость по отношению к

Рис. 6.42. (см. скан) Принципиальная схема передачи движения через подвижное сочленение звеньев в телеманипуляторе LEMMA.

Рис. 6.43. Кинематическая цепь в телеманипуляторе LEMMA.

При этом

Кинематические соотношения

Результаты. Вычисляя взаимосвязи угловых скоростей входных и выходных валов механизма, получим

Следовательно, скорость каждого выходного звена определяв ется скоростями двух звеньев на входе кинематической цепи. Возникающее трехстороннее согласование движения звеньев могло бы легко компенсироваться путем вычисления соответствующих вкладов, вносимых двигателями для обеспечения заданного движения звеньев. Однако в данной конструкции отдано предпочтение «механическому» решению путем введения устройства с эпициклическими (дифференциальными) зубчатыми механизмами, передача движения в котором реализуется с помощью множества ветвей.

Рис. 6.44. (см. скан) Принципиальная схема верхнего мультиэпициклического механизма LEMMA.

Кинематический анализ этого устройства приведен ниже.

Кинематический анализ верхнего (по кинематической цепи) мультиэпициклического зубчатого механизма (рис. 6.44). Определения. Введем следующие обозначения: угловая скорость вала двигателя, угловая скорость выходного вала -го механизма, угловая скорость промежуточных валов (планетарных колес и водила сателлитов).

Примечания. 1. Обозначения эквивалентны звено выполняет функцию локальной опоры.

2. Механизм содержит три водила сателлитов, девять сателлитов и центральных колес, одно из которых связано с

3. Можно написать 11 кинематических соотношений, которые характеризуют механизм.

Кинематические соотношения

Вычисляя связь между скоростями на входе и выходе эпициклического зубчатого механизма, получим

В этом уравнении вновь обнаруживается согласование описанных переменных.

Функционирование системы. Если соединить последовательно эпициклическую зубчатую и внутренние передачи, общее выражение для угловых скоростей на входе и выходе системы принимает вид (результат умножения матриц, полученных выше)

Итак, каждая угловая скорость вращения звеньев кинематической пары соответствует только одной управляющей переменной которая задается одним двигателем.

В заключение сделаем несколько замечаний. Реализация различных передаточных механизмов, составленных из нескольких пар конических зубчатых колес, требует больших затрат и высокой точности изготовления, если необходимо получить повышенную жесткость передачи, малые зазоры в сочленениях и приемлемые потери энергии на трение.

Кроме того, если конструкция должна обладать небольшим моментом инерции, необходимо применять специальные

направляющие с телами качения (с шариками, роликами или иглами), предварительно их деформировать при монтаже, использовать технологические приемы сборочных операций, обеспечивающие высокую точность, нарезать зубья шестерни непосредственно на полых валах и т. д.

6.9.3. Хобот NITRO-NOBEL-MEC

Устройство, схема которого приведена на рис. 6.45, имеет разнообразное применение, в частности, оно может применяться в качестве сочлененной (гибкой) конструкции, закрепленной на конечном звене механизма пространственного перемещения робота, предназначенного для окрасочных работ.

Рис. 6.45. (см. скан) Строение хобота. (Фирма NITRO-NOBEL-MEC.)

Для приведения его в действие используются различного вида приводы— поворотные гидроцилиндры (угол поворота 0) и гидроцилиндры для поступательного движения (перемещение ). Последние одновременно являются датчиками положения

сочлененной структуры, расположенной ниже по кинематической цепи. По форме механизм напоминает дугу в плоскости, проходящей через ось вращения 6. Кривизна зависит от (рис. 6.46).

Кинематический анализ. На рис. 6.47 показана кинематическая схема плоского механизма, частично напоминающего механизм, описанный выше, но с меньшим числом составляющих модулей и одним хоботом.

Рис. 6.46. Геометрическая форма хобота.

Легко проверить, что любому значению К соответствует только одно положение элементов тела механизма. Следовательно, кинематическая структура хобота определена полностью. Последовательное подсоединение элементарных модулей к данной кинематической схеме повышает способность манипулятора огибать препятствия.

Рис. 6.47. Кинематическая схема хобота с двумя модулями, управляемого одним гидроцилиидром. Соединения между жесткими звеньями: вращательные пары, вращательио-поступательная кииематическая пара.

Отметим большие возможности выбранного решения конструкции. В ней каждый элементарный модуль непосредственно связан с одним приводом, причем все приводы управляются одинаково:

Цель кинематического анализа — разработать математическую модель этого сложного механизма, которая позволит определить с помощью ЭВМ команды управления, передаваемые приводам, и тем самым обеспечить требуемое положение рабочего инструмента.

Рис. 6.48. (см. скан) Геометрия структуры хобота с двумя модулями.

После выявления составных элементов механизма — жестких звеньев и связей, их характеристик и параметров движения (рис. 6.48) - определяется граф (рис. 6.49). Он содержит 13 ребер, 10 вершин и одну связывающую составляющую.

Цикломатическое число равно 4. Следовательно, мы можем записать в явном виде условия геометрического замыкания цепи в четырех базовых циклах:

Рис. 6.49. Связный граф хобота.

Конструктивными параметрами механизма являются длины жестких звеньев обозначаемые и В соответственно.

Поскольку механизм представляется плоской структурой, условия геометрического замыкания «базовых» цепей звеньев записываются в точках в следующей упрощенной форме:

Отсюда для проекций векторов на оси можно записать систему уравнений

с помощью которой определяются, например, значения углов в функции переменной управления .

Решая эти уравнения на ЭВМ для механизма, составленного из удвоенного числа жестких звеньев получим графическое отображение системы, представленное на рис. 6.50. Отметим, что последнее жесткое звено структуры имеет большую амплитуду перемещения для некоторого конечного изменения входного параметра К.

Схемы конструкций. Избыточность связей. В данном случае имеется в виду механизм, составленный из замкнутых кинематических цепей жестких звеньев, кинематика которого удовлетворяет условиям функционирования. Однако изучение эволюции относительных положений одних и тех же кинематических цепей приводит к понятию избыточности (связей и звеньев). Требования избыточного позиционирования (гиперстатические механизмы) являются причиной повышенных затрат на изготовление элементов. В самом деле, они накладывают на механизм условия, которые не являются обязательными для сборки замкнутой кинематической цепи.

Для цикла установлено, что, если соединение заменить сферическим шарниром, устройство останется кинематически эквивалентным. Данное положение может быть распространено на совокупность соединений . В результате появляются пассивные подвижные связи, которые не влияют на функционирование механизма.

Рис. 6.50. (см. скан) Графическое отображение, полученное с помощью ЭВМ.

Эквивалентный механизм с улучшенными характеристиками. Вместо конструкций со сферическими шарнирами, которые еще стоят дорого, предпочитают применять устройства с «короткими телами вращения» (ролики), т. е. реализовать устройства на «чистом качении», используя их свойство квазинулевой устойчивости к опрокидыванию вблизи среднего положения.

Требования к конструкции. В ходе разработки кинематически эквивалентного механизма необходимо рационально сочетать требования высокой жесткости звеньев и соединений

конструкции с допустимыми величинами деформации конструкции. При таком подходе возможно следующее:

• жесткие звенья которые подвержены нагрузкам, вызывающим деформацию растяжения, в известных случаях будут «тонкими» с одним лишь ограничением по жесткости продольному изгибу;

• жесткие звенья подвергаются воздействиям нагрузок, вызывающим растяжение, кручение и изгиб. Следовательно, они будут иметь изогнутый профиль или структуру рамочного типа, составленную из длинных элементов;

• вращательные пары выполнены в виде параллельного соединения двух устройств с подшипниками качения, достаточно удаленными друг от друга. Такая конструкция придает механизму повышенную устойчивость к опрокидывающим усилиям;

• путем соответствующего «преобразования» соотношения скоростей на входе и выходе механизма можно подобрать привод, масса которого будет квазинеподвижна в системе отсчета, связанной с несущим звеном механизма пространственного перемещения.

Таким образом, можно получить конструкцию хобота, для которой выигрыш за счет улучшения рабочих характеристик устройства будет превышать связанное с ними увеличение затрат на изготовление.

6.9.4. Хобот ACMA-RENAULT

Данное устройство предназначено для выполнения той же технологической операции, что и рассмотренный выше механизм. Общий вид конструкции робота, приведенный на рис. 6.51, дает представление об относительных размерах хобота. Обобщенная геометрическая форма хобота—дуга с радиусом кривизны который изменяется в плоскости Последняя принадлежит системе координат, связанной с конечным звеном механизма пространственного перемещения робота (рис. 6.52).

Управление подобным устройством осуществляется с помощью четырех гидроцилиндров одностороннего действия и постоянно натянутых тросиков, которые исполняют функции передачи механического движения (рис. 6.53). Таким образом, для определения и 0 достаточно использовать лишь две переменные управления.

Кинематический анализ. Эквивалентная схема. Конструкция механизма, показанного на рис. 6.54, может быть представлена как соединение элементарных модулей. При этом каждый элементарный модуль состоит из звеньев, соединенных между собой. Связь звеньев осуществляется подвижными соединениями,

(кликните для просмотра скана)

обеспечивающими вращение в плоскости (подшипники), вращение в пространстве (сферический шарнир), возвратно-поступательное движение.

Рис. 6.53. (см. скан) Строение хобота ACMA-RENAULT.

На рис. 6.55 показана упрощенная кинематическая схема для модуля механизма, система управления которого осуществляется с помощью тросиков.

Примечание. Оси симметрии валов, образующих механизмы, вписываются в плоскую фигуру, причем плоскость определяется, например, входным валом и промежуточным валом первого модуля.

Представление модуля в виде графа. На рис. 6.56 показан граф хобота (только один модуль). Он образован несколькими замкнутыми кинематическими цепями, составленными из

жестких звеньев в соответствии с тремя условиями кинематического замыкания модуля.

Кинематическая модель. Условиям кинематического замыкания модуля, выраженным, например, по отношению к центру соединений сферических шарниров, соответствует система нелинейных уравнений.

Рис. 6.54. (см. скан) Схема внутреннего строения хобота ACMA-RENAULT.

Поскольку параметры конструкции полностью не определены, эффект управления достигается, например, через одну из переменных, которые характеризуют подвижность сочлененных звеньев относящихся к верхним вращательным кинематическим парам с одной стороны, и с другой.

Интерпретация. Результаты анализа трактуются в зависимости от того, как выполняются условия, определяемые конструкцией или функционированием устройства (после приведения к линейному виду системы уравнений в окрестности исследуемого состояния).

• Углы остаются достаточно малыми, а расстояние между центрами сферических шарниров

равно нулю. В таком случае механизм оказывается кинематически работоспособным. При первом анализе обнаруживается, что число неизвестных выше порядка линеаризированной системы

Рис. 6.55. (см. скан) Упрощенная кинематическая схема хобота ACMA-RENAULT.

Тем не менее решение может быть выражено в функции неизвестных, которые соответствуют допустимым (пассивным) для механизма степеням подвижности. Например, находят, что для подвижность при вращении не является обязательной, но в то же время не влияет на зависимость между параметрами входа и выхода.

• Углы так же как и расстояние имеют большие значения. В этом случае хобот оказывается кинематически подвижным, т. е. данное устройство может совершать небольшие движения, которыми трудно управлять с помощью приводов.

Рис. 6.56. Связный граф, соответствующий одному модулю хобота.

Подобный механизм. В первом приближении конструкция устройства может рассматриваться как результат своеобразного объединения (путем параллельного и последовательного соединения) механизмов типа «двойного карданного шарнира» (рис. 6.57). В самом деле, в механизме с «двойным карданным шарниром» оси входного, выходного и промежуточного валов компланарны.

Рис. 6.57. Кинематическая схема «двойного карданного шарнира» (с перекрещивающимися валами).

Когда промежуточный вал первого механизма кардана становится одновременно входным валом второго, выходной вал первого становится промежуточным валом второго механизма. Следовательно, полученная структура удовлетворяет техническим условиям хобота.

Таким образом, сложное тройное соединение между которое является результатом последовательной связи сферического шарнира, вращательно-поступательной кинематической пары и второго сферического шарнира, было заменено на сферо-вращательно-поступательное соединение мультикардана. Причем мультикардан является последовательной связью только двойного соединения: сферического шарнира и вращательно-поступательной кинематической пары.

6.10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Определение робота как системы звеньев и сочленений должно быть дополнено описанием в общем случае применяемых механических передач. Рассмотренные принципы и решения, так же как и морфология механизма пространственного перемещения, характеризуют возможность робота выполнять определенные технологические операции. Несмотря на усложнение, которое вносят в структуру механизма механические передачи, последние всегда играют решающую роль при достижении оптимальной конструкции робота.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление