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:

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.

Выделяют механические и немеханические схваты. 

                                                    Механические схваты:

                                         Немеханические схваты:

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.

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:

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:

1.      Измерение габаритов (длина, ширина) в сложенном состоянии. 

2.      Измерение габаритов (длина, ширина) в разложенном состоянии

3.      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:

1.      Длина, нарисованной прямой линии при стационарном положении робота; 

2.      Ровность круга, нарисованного роботом при стационарном положении (движется только рука робота).

Соревнование1

Соревнование2

Соревнование3

Соревнование4

Команды: