Занятие3-4

Манипулятор, или механическая рука робота

Что такое манипулятор?

Исполнительный механизм робота - это его механическая рука или, как ее еще называют, манипулятор.

Манипулятор — это механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда.

Как устроен манипулятор?

Манипулятор состоит из шарнирно соединенных звеньев, как рука человека из костей, связанных суставами. Манипуляторы включают в себя подвижные звенья двух типов:

· звенья, обеспечивающие поступательные движения;

· звенья, обеспечивающие вращательные перемещения.

Сочетание и взаимное расположение звеньев определяет степень свободы (подвижности) робота, а также область действия манипуляционной системы робота.

Последнее (рабочее) звено манипулятора может быть захватывающим или специализированным. Захватывающее звено, называемое схватом, является аналогом кисти человеческой руки. Схват служит для удержания и переноса предметов. Специализированное звено – звено с закрепленным инструментом, например для сверления, резки, сварки.

Совместные перемещения звеньев позволяют схвату описывать в пространстве (ограниченном размерами и конструкцией манипулятора) траекторию практически любой формы.

Выделяют механические и немеханические схваты.

Механические схваты:

Двухпальцевый схват

Трехпальцевый схват

Многопальцевый схват

Немеханические схваты:

Магнитный схват

Вакуумный схват

Иногда последним звеном манипулятора служит не схват, а в зависимости от предназначения робота соответствующий рабочий инструмент: дрель, гаечный ключ, краскораспылитель, сварочная горелка, медицинский инструмент и др. Робот с таким манипулятором может быть "сварщиком, маляром, хирургом и т. д.

Схват-дрель

Схват-инструмент хирурга

Схват – пульверизатор с краской

Как работают манипуляторы?

Перемещение звеньев манипулятора обеспечивают так называемые приводы - аналоги мускулов в руке человека. Приводы являются источниками механической энергии, нужной для движения звеньев.

Если источником механической энергии служит электродвигатель, то привод называют электрическим.

Если таким источником является гидропривод, то его называют гидравлическим.

Если таким источником является пневмоцилиндр, то привод называют пневматическим.

Свойства Приводов

Электропривод обладает рядом достоинств: не загрязняет окружающую среду отработанным газом или маслом, относительно малошумен; к тому же современные полупроводниковые схемы управления дешевы и надежны в работе. Все эти качества делают электропривод наиболее перспективным как в настоящем, так и в будущем.

В гидравлическом приводе используется гидроцилиндр. На рисунке показана схема такого привода, сообщающего "руке" робота возвратно-поступательное движение. Принцип его действия следующий. В цилиндр 1, в котором находится поршень 2, соединенный с помощью штока с манипулятором 3, поступает под давлением жидкость (отсюда название - гидроцилиндр); она-то и заставляет передвигаться поршень, а вместе с ним "руку" робота.

Гидравлический привод имеет свои преимущества. Прежде всего, это сравнительно небольшая масса привода и высокое быстродействие. Важное свойство гидропривода - возможность получения с его помощью малой скорости при сохранении плавности перемещения. Благодаря этим качествам гидропривод получил широкое распространение в мощных промышленных роботах.

Пневматический привод аналогичен гидравлическому; в нем роль двигателя выполняет пневмоцилиндр, т. е. цилиндр, в котором поршень перемещается под действием сжатого воздуха. Особенностью пневмопривода является то, что используемое в нем рабочее вещество - воздух - легко сжимается, вследствие этого пневмопривод используется лишь для роботов, производящих операции с мелкими и легкими деталями, например, в технологических процессах приборостроения, часовой промышленности и пр. Другая причина, сдерживающая применение роботов с пневмоприводом - шум, которым сопровождается выброс из пневмоцилиндра отработавшего воздуха.

Вывод:

Итак, привод, являясь "мускулом" манипулятора, приводящим его в движение, во многом определяет, каков снабженный этим приводом робот: насколько он силен (какова его грузоподъемность), ловок (как точно он может выполнить заданное действие), быстр (сколько ему надо на это времени) и др.

Управление манипуляторами подразделяется на:

Программное управление — самый простой тип системы управления, используется для управления манипуляторами на промышленных объектах. В таких роботах отсутствует сенсорная часть, все действия жёстко фиксированы и регулярно повторяются. Программное управление производится с помощью ПК или программируемого логического контроллера.

Адаптивное управление — управление, основанное на показаниях датчиков. Сигналы, передаваемые датчиками, анализируются и в зависимости от результатов принимается решение о дальнейших действиях, переходе к следующей стадии действий и т. д.

Управление человеком (например, дистанционное управление).

Задание

Рассмотрите картинки следующих механизмов и обсудите принцип их действия:

Складная линейка

Складные решетки на окна

Механические щипцы-захваты

Задание по конструированию 1

На основе принципа действия рассмотренных механизмов, используя балки и штифты, создать механический многозвеньевой манипулятор, способный изменять длину и захватывать детали.

Требования к конструкции следующие:

Манипулятор-хватательный механизм должен иметь минимальную длину в сложенном состоянии и максимальную в разложенном;
У манипулятора должно быть две ручки, как у щипцов, многоколенчатое соединение, ведущее к схвату - хватательной части манипулятора;
Изобретатель должен суметь взять с помощью схвата некоторый предмет и перенести его с места на место.

При оценке манипулятора будут производиться следующие измерения:

Измерение габаритов (длина, ширина) в сложенном состоянии.
Измерение габаритов (длина, ширина) в разложенном состоянии
Захват мелкой, средней и крупной детали.

По итогам измерений будет выбран лучший манипулятор.

Задание по конструированию 2

Посмотрите видео про робота-художника.

Измените конструкцию своей механической "хваталки" так, чтобы она могла захватить карандаш или ручку и с помощью рычагов управления провести прямую линию и нарисовать ровный круг. Рука робота при этом должна быть закреплена на некоторой основе, но должна быть возможность поворота этой руки.

При оценке робота-художника будут учитываться:

Длина, нарисованной прямой линии при стационарном положении робота;
Ровность круга, нарисованного роботом при стационарном положении (движется только рука робота).

Соревнование1