Основные особенности робототехнических систем

1. Основные определения, структура и классификация ПР

Для воспроизведения двигательных функций человека в процессе трудовой деятельности созданы манипуляторы – многозвенные механизмы с управляемыми приводами на каждом звене. Манипуляторы разделяются на биотехнические и автоматические. Биотехнические манипуляторы управляются оператором дистанционного или непосредственно в результате перемещения рабочего органа манипулятора.

В автоматических манипуляторах рабочие функции выполняются без участия человека.

Промышленный робот – это автоматический манипулятор промышленного применения, имеющий систему программного управления, обеспечивающую быструю переналадку для выполнения задач, различающихся последовательностью и характером манипуляционных действий.

В роботизированных технологических комплексах ПР выполняют функции восприятия внешней среды, принятия решений и выполнения манипуляционных действий.

Манипуляторы ПР характеризуются грузоподъемностью, объемом рабочей зоны, числом звеньев, погрешностью позиционирования, системой координат, конструктивной и компоновочной схемой, типом системы управления.

Первые промышленные роботы появились в США сравнительно недавно, в 1962 г. Это были роботы типов "Версатран", "Юнимейт", "Универсал", "Циклон", оснащенные устройствами ЧПУ позиционного типа. Первые ПР были манипуляционными и использовались для обслуживания прессов, штампов, нагревательных печей и другого технологического оборудования в цехах с вредными условиями труда. Наибольшее распространение получили манипуляционные роботы грузоподъемностью до 20 кг с цыкловым двухпозиционным управлением.

Планирование обработки информации действий манипуляционного робота – один из важнейших путей, который повышает эффективность работы всей системы управления манипуляционного робота. Оно включает определение последовательности этапов с преобразованием модели внешней среды робота, обеспечение мультипроцессорного режима обработки данных, планирование последовательности опроса систем очувствления как перед началом выполнения роботом технологических операций, так и в ходе ее выполнения с указанием приоритета каждой из операций.

Большие функциональные возможности обеспечивает микропроцессорное устройство числового программного управления (УЧПУ) "Сфера-36". Его структура содержит центральный процессор (ЦП) и модули микропроцессоров управления приводами (МПП). В состав МПП входят репрограммируемая постоянная память (РПЗУ). Модуль связи (МС) служит для обмена данными между системной магистралью (СМГ) центрального процессора и СМГ модулей микропроцессоров приводов. Обмен осуществляется в режиме прямого доступа к памяти (ПДП).

С центральным процессором через СМГ связаны запоминающее устройство (ЗУ), модуль ввода аналоговых сигналов (МАВ), модуль ввода-вывода (МВВ) дискретных сигналов и устройство последовательного обмена (УПО). Код с выхода МПП подается на модуль управления приводом (МУП), который управляет широтно-импульсным регулятором напряжения.

В МУП формируется код перемещения с импульсного фотоэлектрического датчика положения ДП Абсолютные значения положения звена манипулятора получаем на выходе потенциометрического датчика ДП2. Программа пользования создается, редактируется, просматривается и запускается.

2. Кинематические схемы ПР

Манипулятор промышленного робота является многозвенным механизмом с последовательным соединением звеньев и разомкнутой кинематической цепью. Кинематическая схема манипулятора представляет собой соединение звеньев, определяющих основные движения схвата робота в рабочей зоне, и описывается в системе координат (СК), оси которой целесообразно совместить с направлениями основных перемещений схвата, так как это упрощает математическое описание движений манипулятора. Наиболее распространены пространственные манипуляторы, работающие в сферической, цилиндрической, декартовой или ангулярной системах координат. Гораздо реже используются плоские манипуляторы. Ангулярная система координат характеризуется тем, что перемещение объекта манипулирования обеспечивается согласованным взаимным поворотом звеньев ПР, имеющих постоянную длину. Эта система координат оказалась весьма удобной для производственных роботов. Роботы, использующие ангулярную СК, называются антропоморфными ПР. Они более компактны по сравнению с традиционными конструкциями манипуляторов, которые являются комбинацией вращательных и поступательных кинематических пар. Звенья манипулятора соединяются кинематическими парами пятого класса, т.е. каждое звено может иметь только одну степень подвижности относительно предыдущего звена, так что возможно либо вращательное, либо поступательное движение последующего звена относительно предыдущего.

Свойства и характеристики ПР в значительной степени определяются кинематической схемой, основная функция которой заключается в подводе схвата в заданную точку пространства с определенной ориентацией. Исходя из выполнения этой основной функции, зависящей в свою очередь от технологического процесса, должны выполняться кинематические схемы конкретных ПР. Кроме того, кинематические схемы ПР должны обеспечивать по возможности не зависимое управление всеми координатами, допускать при необходимости определенную маневренность, соответствовать типу применяемого привода и образовывать с ним органическое единство. На рисунке 1 изображена кинематическая схема манипулятора с датчиком системы силомоментного очувствления.

Рисунок 1 - Кинематический схема манипулятора с датчиком СМО

Кинематическая схема манипулятора зависит от требований технологического процесса и, в свою очередь, влияет на построение многомерной системы взаимосвязанных следящих приводов, определяет степень взаимного влияния звеньев манипулятора и объем информации, связанный с преобразованием координат при управлении ПР.

Напольные роботы с касающейся выдвижной рукой работают в сферической и цилиндрической СК. Универсальные роботы с этой конструктивной схемой работают в сферической системе координат. К роботам этой группы относится и первый промышленный робот "Юнимейт". Также, существуют промышленные роботы "Пума", предназначенные для выполнения быстрых сборочных операций в приборостроительной и электронной промышленности.

3. Кинематический анализ манипулятора робота

Целью кинематического анализа является определение положения, скорости и ускорения произвольной точки звена исполнительного механизма (чаще всего схвата) в различных системах координат. В механике различают прямую и обратную задачи. При решении прямой задачи определяется положение схвата относительно неподвижной системы координат при известном взаимном расположении звеньев. Обратная задача чаще бывает труднее.

Для аналитического описания исполнительной системы промышленного робота (манипулятора) можно воспользоваться различными методами (методы Калицына, Кислицына и др.). В последнее время наиболее часто для решения подобных задач применяется метод, основанный на матричном преобразовании однородных координат.

В ПР в основном используются кинематические пары V класса, допускающие относительное движение только по одной координате. Реже используются пары IV класса, допускающие относительное движение по двум координатам. Например, простое шарнирное соединение двух звеньев образует пару V класса, а карданное соединение – пару IV класса.

Важной характеристикой ПР является рабочая зона, под которой понимают объем, ограниченный поверхностью, представляющей собой геометрическое место точек возможных конечных положений схвата. Иногда используют понятие сервисного пространства (зоны обслуживания) как части рабочей зоны, в любой точке которой схват может быть ориентирован заданным образом.

Для перемещения объекта манипулирования (схвата) в любую точку пространства необходимо иметь определенное число степеней подвижности. Перед проектировщиками ПР возникает вопрос, сколько степеней подвижности должен иметь проектируемый ПР.

Большое влияние на свойства и возможности ПР оказывает выбор компоновки транспортирующих координат. В настоящее время в робототехнике в качестве транспортирующих наиболее широко используются кинематические цепи, работающие в прямоугольной, цилиндрической и сферической системах координат.

4. Особенности использования ПР в сборочных процессах

Трудоемкость сборочных процессов в целом по машиностроению составляет 25 %, а в отдельных отраслях приборостроения – 60% и выше; при этом доля автоматической сборки не превышает соответственно 7 и 18 % общей трудоемкости сборочных работ.

При использовании ПР оказывается экономически оправданной сборка изделий, имеющих значительно меньшую серийность, причем количество комплектующих деталей не является лимитирующим, так как оно может быть учтено объемом памяти системы программного управления роботом и набором сменных захватных устройств под номенклатуру комплектующих сборочное соединение деталей.

Учитывая, что сборочные процессы являются в виду их многообразия и жестких требований, предъявляемых к качеству проведения, наиболее сложными, начинать их роботизацию целесообразно со сборки простых узлов и выполнять поэтапно. Так, на первых этапах рекомендуется использовать ПР на операциях установки базовой детали на технологическую позицию или конвейер автоматической линии и снятия с нее собранного соединения.

Исходными данными для проектирования технологического процесса роботизированной сборки на действующем производстве являются: чертеж изделия с чертежами всех входящих в него элементов; масса и габаритные размеры изделия; технические условия на изготовление и приемку изделия; условия труда на сборке и характеристика рабочих движений и функций оператора-сборщика; подробный действующий техпроцесс с указанием трудоемкости; наличие производственных площадей.

Основой для проектирования сборочного РТК является технологическая схема сборки, которая отражает последовательность и структуру процесса. На основании технологической схемы и анализа рабочих движений оператора-сборщика предварительно выбирают модель ПР и разрабатывают циклограмму движений по узловым точкам этой схемы.

Следующий этап проектирования сборочного РТК – оснащение роботизированного сборочного комплекса, что определяется функциональными возможностями ПР, которые ограничены жесткими границами обслуживаемой рабочей зоны, количеством и видом степеней подвижности, погрешностями повторяемости движений, отсутствием, в большинстве случаев, средств восприятия внешней среды и информации о внутреннем состоянии элементов ПР и др. Расширение технологических возможностей ПР достигается разработкой и изготовлением специальной сборочной оснастки: падающие и отводящие устройства, технологические модули локальных перемещений.

Особое значение при создании сборочных роботизированных технологий приобретает выбор методов компенсации неточностей взаимной ориентации деталей при их сборке ПР. Выделяют следующие направления обеспечения сопряжений деталей при роботизированной сборке:

применение метода расчета размерных цепей в системе "робот – приспособление – деталь". При этом прямая сборка осуществляется с компенсацией допустимых неточностей позиционирования за счет фасок, ловителей, заходных конусов;

расширение функциональных возможностей робота, направленных на увеличение вероятности сопряжения деталей. При этом сборка осуществляется на основании информации о характере взаимодействия сопрягаемых деталей;

создание автономных систем поиска удовлетворительного взаимного расположения сопрягаемых деталей. В этом случае задача решается при использовании сборочных головок в составе ПР или РТК, осуществляющих взаимные направленные сканирующие движения поиска для элементов сборки. Для первого направления наиболее распространенные способы сборки представлены на рисунке 3. Также существуют способы сборки с использованием адаптивных систем, которые представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схемы сборки с использованием размерных цепей: а – с жестким базированием; б – с нежестким базированием (для объектов с фасками); в – с ловителями

Рисунок 3 – Схемы сборки с использованием адаптивных систем: а – с тактильной информацией; б – со зрительной информацией; в – с повторными попытками сопряжений

5. Пример робототехнической системы для многооперационной сборки

Возможность выполнения сложной последовательности сборочных операций с помощью универсальных манипуляторов, снабженных простейшими датчиками, при управлении от мини-ЭВМ, обеспечивающей программную адаптацию сборочного процесса и достижение существенно большей точности сопряжения деталей по сравнению с точностью при неадаптивном управлении, покажем на примере автоматической сборочной системы (АСС).

Техническую основу систему составляют два электромеханических манипулятора УЭМ-2, каждый из которых имеет шесть степеней подвижности (и седьмую в захвате). Манипуляторы подключены к мини-ЭВМ М-6000. Показания потенциометрических датчиков положения степеней подвижности манипуляторов вводятся в ЭВМ через 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь. Контур управления двигателями манипуляторов замыкается через ЭВМ, которая с частотой около 30 Гц изменяет через специальный интерфейс параметры управления двигателями.

Захваты робота оснащены датчиками, обеспечивающими силовое очувствление. Кроме того, к роботу может быть подсоединена система технического зрения.

Планирование сборки проводится на трех уровнях. Для этого составляют:

- план сборки в целом, в котором задается последовательность выполнения сборочных операций, а также реакция на неверно выполненные операции;

- план каждой сборочной операции, в котором указывается последовательность движений манипуляторов, необходимых для выполнения операции, описываются условия, при выполнении которых можно переходить от одного движения к другому. Помимо этого, в плане операции указывается реакция на неверно выполненные движения.

Программу всех движений, указанных в планах сборочных операций. Движения могут быть заданы, в частности, путем "хореографического" программирования, т.е. путем последовательного вывода манипуляторов (вручную или с помощью специального выносного пульта) в те положения, через которые они должны проходить.

Программа автоматической сборки структурно состоит из двух процессов. Первый процесс – основной – это следящая система. Этот процесс запускается по прерыванию от таймера с частотой около 30 Гц и осуществляет опрос показаний датчиков, контроль за состоянием устройств и выдает на двигатели управления, необходимые для отслеживания заданного программного движения. Второй процесс – фоновый. Он использует время, остающееся нам от первого процесса. В этом процессе происходит просмотр плана сборки и планов сборочных операций, подготовка к исполнению требуемых движений, запуск их на исполнение в основном процессе, а также проверка выполнения условий, определяющих переход от одного движения к другому.

Наиболее важные принципы организации автоматической сборки были основаны на следующих положениях. Для точного позиционирования деталей служат упоры, в качестве которых используются и сами сопрягаемые детали. В процессе сборки детали, установленные за i первых шагов, могут служить упорами, направляющими движение детали, устанавливаемой на (i+1)-м шаге. На первом шаге сборки могут быть использованы упоры сборочного приспособления, например, угол или стенка. На втором шаге основание служит упором при установке, например, оси зубчатого колеса в отверстие основания.

Назовем податливостью свойство манипулятора изменять свою конфигурацию не только за счет усилий двигателей, но и под влиянием внешних воздействий. Противоположное свойство назовем жесткостью. Податливость позволяет использовать достаточно грубые (упрощенные) программные движения при перемещении предметов, ограниченных связями, снижает требование к точности управления. Податливость, в частности, обеспечивает возможность точного позиционирования деталей по упорам при наличии погрешностей в исполнении манипуляционных движений.

Податливость системы обеспечивалась конструкцией пальцев захвата правой руки, допускающей упругие перемещения вдоль своей продольной оси. Кроме того, она обеспечивалась за счет упругости резиновых накладок, предусмотренных на внутренних сторонах пальцев захватов обеих рук, а также за счет зазоров в сочленениях звеньев манипуляторов и их упругости.

Одной из главных задач, решаемых датчиками очувствления робота, является обнаружение момента выхода объекта на упор.

На захвате правой руки сборочного робота установлены датчики измерения линейных перемещений подпружиненных пальцев. Это позволяет измерять усилия, действующие вдоль продольной оси пальцев. Пальцы захвата левой руки снабжены тактильными датчиками, обнаруживающими, что захват сжал предмет. Выход на упор может быть также обнаружен на основании показаний потенциометрических датчиков положения звеньев манипуляторов. Если показание какого либо датчика не меняется с течением времени, а на соответствующий двигатель выдается определенное управление, то это обстоятельство можно интерпретировать как выход объекта на упор. Таким образом, робот, оснащенный только датчиками положения звеньев манипулятора, оказывается в достаточной степени очувствленным и способным на адаптивное поведение при наличии развитого управления.

Неточности манипулятора компенсировались специальными поисковыми движениями, представляющими собой колебания захвата с малой амплитудой (1 – 2 см) в окрестности целевой точки.

При установке оси зубчатого колеса в отверстие захват с зажатой деталью выводится в окрестность отверстия и начинает совершать небольшие колебательные движения, одновременно слегка прижимая торец оси зубчатого колеса к поверхности основания. Если погрешность вывода в окрестность отверстия не слишком велика, то благодаря таким поисковым движениям ось зубчатого колеса довольно быстро попадает в отверстие. Край отверстия в этом случае служит упором для оси зубчатого колеса. Для упрощения и ускорения сборки использовались простые приспособления и инструменты – аналоги ручных инструментов, которыми пользуется человек во время сборки, - тиски, гайковерты, отвертки и т.п.

Наличие у робота двух манипуляторов сильно снижает требования к необходимому числу фиксирующих вспомогательных приспособлений.

Движения манипуляторов при выполнении сборочных операций могут быть достаточно сложными. Поэтому в системе необходима управляющая ЭВМ, использование которой обеспечивает требуемую простоту и гибкость при организации специализированных движений и позволяет легко изменять сам процесс сборки. Система управления рассматриваемого сборочного робота реализована на мини-ЭВМ М-6000.

Сборка представляет собой последовательность специализированных движений манипуляторов робота – транспортных, поисковых, тестирующих и т.д. Используя простейшее очувствление робота, система управления параллельно с исполнением каждого движения анализирует текущую ситуацию и при выполнении заданных условий организует окончание данного движения и переход к некоторому другому.

При этом использование ЭВМ в системе управления сборочного робота позволяет оценивать текущую ситуацию по любым комбинациям показаний датчиков очувствления.

Установка оси зубчатого колеса в отверстие основания масляного насоса происходила успешно практически всегда и занимала около 2 с. Это время зависело от разброса в положении отверстия в пределах 1 см во всех направлениях. Зазор между осью колеса и стенкой отверстия составлял около 30 мкм, а погрешность позиционирования используемых в автоматической сборочной системы манипуляторов составляет приблизительно 5мм. В таких условиях сборка становится возможной только за счет взаимодействия сопрягаемых поверхностей деталей и использования их в качестве упоров и направляющих, а также за счет податливости захватов, которая компенсирует погрешности движения манипуляторов.

Повышение точности манипуляторов позволяет значительно ускорить сборку. Однако увеличение точности (и жесткости) универсальных манипуляторов выше некоторого предела делает их дорогостоящими и громоздкими. Поэтому автоматизация сборочных операций с помощью манипуляторов, точность которых существенно меньше требуемой точности сопряжения деталей, безусловно, представляет интерес.

Для ввода информации в управляющую ЭВМ в автоматизированной сборочной системе предусмотрены развитые диалоговые средства. В качестве операторского терминала используется алфавитно-цифровой дисплей "Видеотон-340".

При задании необходимых движений может быть использовано программирование, при котором манипуляторы последовательно выводятся в нужные положения (вручную или с помощью специального выносного пульта), а управляющая ЭВМ автоматически запоминает данные точки позиционирования. Возможность вводить информацию не только в текстовой форме, но и путем непосредственного обучения необходимым движениям упрощает общение оператора с ЭВМ и приводит к повышению пропускной способности и надежности связывающего их канала.

План сборки в целом, планы сборочных операций и описания необходимых движений реализованы в виде ориентированных графов и могут задаваться в произвольном порядке. Другими словами, оператор может ввести программирование "сверху вниз", или "снизу вверх", или любым удобным для него способом. Имеется возможность накапливать вводимую информацию в архиве, где она будет храниться и откуда может быть снова извлечена. После того как вся информация введена в ЭВМ, система оказывается способной выполнить автоматическую сборку.

Автоматическая сборочная система представляет собой простые и гибкие средства для организации самых разнообразных специализированных движений, которые требуются при выполнении сборки. Эти движения могут быть медленными и быстрыми, точными и грубыми, колебательными, силовыми, прерываемыми в зависимости от любых комбинаций показаний датчиков очувствления. Программные средства системы включают ряд подсистем, обеспечивающих управление роботом в основном рабочем режиме (режиме автоматической сборки), а также представляющих возможность оператору-программисту выполнять предварительное планирование работы робота. В состав основных программ входят следующие пять подсистем для задания и редактирования:

1) плана сборки;

2) планов сборочных операций;

3) планов условий;

4) контуров движений;

5) коэффициентов следящей системы, а также подсистема управления автоматической сборкой.

Загрузка каждой из указанных подсистем, а также требуемых файлов данных в память ЭВМ осуществляется с магнитного диска в рамках дисковой операционной системы. Первые пять подсистем работают на этапе планирования сборки оператором-программистом. Шестая подсистема осуществляет управление автоматической сборкой.

В качестве примера, иллюстрирующего работу программы управления, рассмотрим операцию NO1 установки стержня в отверстие. Будем считать, что стержень уже зажат в захвате манипулятора и что отверстие представляет собой вертикальный канал в детали, ограниченной горизонтальными плоскостями. На рисунке 4 показан план сборочной операции. Будем считать, что стержень устанавливается в отверстие правой руки, т.е. типы контуров всех движений, участвующих в операции NO1, определяют в качестве задействованных только степени подвижности правой руки.

Работа с системой начинается с того, что интерпретатор во втором (фоновом) процессе выбирает из плана сборки операции описание движения (обозначенное NKD1) подвода стержня к отверстию и запускает его на исполнение в первом процессе. В результате выполнения этого движения стержень перемещается в окрестность отверстия, а его ось ориентируется вертикально.

Рисунок 4 – План сборочной операции

Контур движения – NKD1

Способ движения – контурный

Тип движения – для всех степеней подвижности основной режим отслеживания

Тип начала движения – для всех степеней подвижности абсолютный способ задания начального значения параметров положения манипулятора

Номер условия – NC1

Контур движения – NKD2

Способ движения – контурный

Тип движения: для 1, 2, 6-й степеней подвижности – основной режим отслеживания; для 3-й – силовое воздействие; для 4, 5-й – колебания

Тип начала движения – для всех степеней подвижности абсолютный способ задания

Номер условия – NC2

Контур движения – NKD3

Способ движения – контурный

Тип движения – для всех степеней подвижности основной режим отслеживания

Тип начала движения – для всех степеней подвижности абсолютный способ задания

Номер условия – NC1

Контур движения – NKD4

Способ движения – позиционный

Тип движения – для всех степеней подвижности основной режим отслеживания

Тип начала движения – для всех степеней подвижности абсолютный способ задания

Номер условия – NC3

Условием NC1, приписанным данному движению, является выход манипулятора в требуемую конфигурацию с заданной точностью. В то время как в первом процессе исполняется движение подвода, во втором процессе осуществляется циклическая проверка отклонения текущей конфигурации манипулятора от требуемой. Эта проверка осуществляется с помощью потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора. Если отклонение становится больше допустимого, то движение подвода считается законченным, проверка условия прекращается и вырабатывается код ответа 0.

После этого в соответствии с планом сборочной операции второй процесс запускает исполнение движения, обеспечивающего установку NKD2. Это движение заключается в том, что торец стержня слегка прижимается к горизонтальной плоскости детали и осуществляются небольшие колебания стержня во всех направлениях в этой плоскости. Вначале за счет податливости захвата стержень находится в постоянном контакте с горизонтальной плоскостью детали. Но с момента зацепления стержня за край отверстия он начинает проваливаться в отверстие за счет поджатия, а также за продолжающихся колебаний. При этом внутренняя поверхность отверстия служит направляющей для стержня.

В то время как в первом процессе осуществляется движение установки, во втором процессе происходит проверка условия NC2, приписанного данному движению. В цикле проверяется, произошли ли некоторые события, связанные с попаданием стержня в отверстие. Как только стержень попадает в отверстие, захват манипулятора опустится в вертикальном направлении на длину стержня, вставляемого в отверстие. Кроме того, реальная амплитуда колебаний захвата манипулятора резко уменьшится (так как находящийся в отверстии стержень будет тормозить его движение). Эти события можно установить по показаниям потенциометрических датчиков положения звеньев манипулятора. Если указанные события не наступили, то проверка повторяется, если же события совершились, то движение установки считается законченным, проверка условия прекращается и вырабатывается код ответа 0.

В этом цикле проверяется также время, затрачиваемое на установку стержня. Представляется естественным ожидать наступления событий, связанных с попаданием стержня в отверстие, не сколь угодно долго, а по истечении заданного интервала времени. Если за указанное время стержень не попал в отверстие (например, вследствие заклинивания), то движение NKD2 считается не удавшимся, проверка условия прекращается и вырабатывается код ответа

После прекращения движения NKD2 второй процесс запускает или движение NKD3 повторного подвода стержня к отверстию, или движение NKD4 разжатия захвата. Вершина 4 в плане сборочной операции является конечной (рис. 4).

При завершении исполнения сборочной операции NO1 интерпретатор во втором процессе пытается выбрать из плана сборки очередную операцию, убеждается, что ее нет, и заканчивает сборку.

Непрерывно происходит или интерпретация плана сборки и планов сборочных операций, или проверка условий, приписанных движениям. Эти действия заканчиваются только тогда, когда кончается сборка.