Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,

А.В.Гаврилов НГТУ

Введение в робототехнику

Лекция 3.Из чего состоят

интеллектуальные роботы?


Робот =

• Механика (манипуляторы, движители)• Сенсорика, датчики или сенсоры

(sensors)• Приводы (актуаторы)• Система управления• Система взаимодействия с человеком• Система взаимодействия с другимироботами (и оборудованием)


Архитектура системы управленияробота, основанная на знаниях

Подсистема восприятия Подсистема управления знаниями



Механика манипулятораМанипулятор (промышленный робот)

Разомкнутая последовательностьзвеньев, начало которой закрепленона основании, а конец (схват) перемещается в пространстве.В соединениях звеньев имеютсяприводы для поступательного иливращательного перемещенийзвеньев друг относительно друга


Роботы-манипуляторы


Механика манипулятора (2)• Сложность кинематической схемы манипулятора характеризуют

числом степеней подвижности, в которое обычно не включаютстепень подвижности захватного устройства

• Степень подвижности — это возможность перемещения наплоскости одного звена манипулятора в ту или иную сторонуотносительно другого звена

• Каждая степень подвижности характеризуется– максимальной величиной поступательного или вращательного

перемещений,– временем перемещения,– максимальными скоростью и ускорением перемещения,– погрешностью позиционирования,– числом программируемых точек на траектории перемещения

звена,– погрешностью отработки траектории


Механика манипулятора (3)

• Погрешность позиционирования — этомаксимальное отклонение рабочегооргана (схвата) от заданной точки приповторении циклов перемещения.

• Для роботов с электроприводомпогрешность позиционированиясоставляет 0,1–0,5 мм.



• Погрешность отработки траектории — этомаксимальное отклонение фактическойтраектории перемещения рабочего органамежду точками А и В от траектории, заданнойпрограммой управления

• Рабочая зона — это пространство, в которомможет находиться рабочий органманипулятора или робота. Она зависит отразмеров звеньев, их перемещений икинематической схемы манипулятора.



• Захватное устройство характеризуется– усилием захватывания,– временем захватывания,– временем отпускания,– максимальным и минимальным размерамиобъекта манипулирования.


Кинематика манипулятора

Транспортные (X,Y,Z) и ориентирующие (ax, ay, az)степени подвижности манипулятора


Кинематика манипулятора (2)

• Два соседних звена образуюткинематическую пару. В зависимости откомбинации соединений звеньеввозможно множество кинематическихсхем манипуляторов.

Соединения звеньев манипулятора:а — поступательное;б — вращательное


Системы координат

• Цилиндрическая система координатреализуется двумя поступательными иодной вращательной кинематическимипарами


Системы координат (2)• Сферическая (полярная) системакоординат реализуется двумявращательными и однойпоступательной кинематическимипарами


Системы координат (3)

• Прямоугольная (декартова) системакоординат реализуется тремяпоступательными кинематическимипарами


Системы координат (4)

• Угловая (ангулярная) системакоординат реализуется тремявращательными кинематическимипарами при шарнирном соединениизвеньев манипулятора


Другие нетрадиционныекинематические схемы

• Селективная податливая рука сборочногоробота (SCARA — Selective ComplianceAssembly Robot Arm) изобретена Х. Макино(университет Яманаси, Япония).

• Звенья манипулятора взаимноповорачиваются в одной плоскости, арабочий орган совершает поступательныедвижения вверх или вниз


Кинематическая схема SCARA

В такой конструкциисочетаются свойства схем в угловойи цилиндрической системахкоординат.За счет жесткости конструкциив вертикальном направленииманипуляторы SCARA могут нестиповышенные нагрузки на рабочеморгане. Высокая точностьпозиционирования рабочего органа ибольшая рабочая зона позволяютособенно эффективно применятькомпоновку SCARA при сборке.


Кинематическая схема SPINE

• Манипулятор SPINE состоит измножества чечевицеобразных стальныхдисков, стянутых друг с другом двумяпарами тросов

а — тросы натянуты одинаково;б — тросы натянуты по-разному


Кинематическая схема ASEA

• Манипулятор ASEA напоминаетмаятник с карданным подвесомотносительно продольной ипоперечной осей

При скорости движений в 1,5 разабольше, чем у традиционныхманипуляторов, погрешностьпозиционированиясоставляет около 0,1 мм.


Компоновка манипулятора FlexPicker(ABB Automation

(Швеция-Швейцария)

На осях четырех серводвигателей собщим управлением имеются диски, к каждому из которых прикрепленакинематическая пара свращательным соединениемзвеньев.Свободные концы звеньевкаждой пары соединены в однойточке, к которой прикрепленозахватное устройство.


Кинематические моделиманипуляторов


Уравнения кинематики манипулятора.Координаты рабочего органа P на оси

координат Xp, Yp, Zp


Прямая и обратная задачикинематики

• При решении прямой задачи задают относительныеперемещения звеньев манипулятора, для которыхрассчитывают положение его рабочего органа в пространстве. Расчеты ведут с целью определения рабочей зоны робота длязаданных размеров и перемещений звеньев, а также оценкипогрешности позиционирования рабочего органа и отработкитраектории при заданных погрешностях перемещений звеньевманипулятора определенного размера.

• В обратной задаче, наоборот, задают координаты рабочегооргана в пространстве, для которых рассчитываютотносительные перемещения звеньев манипулятора. Еслипрямую задачу решают при изготовлении манипулятора, тообратную задачу решают на месте эксплуатации манипулятора, когда задано положение технологи ческого оборудования итребуется вывести рабочий орган манипулятора в заданнуюточку


Прямая и обратная задачи кинематики (2)• Сложность решения прямой и обратной задач заключается в

том, что параметры движения каждого звена зависят не толькоот его привода, но и от движений предыдущих звеньев.

• Кроме того, каждое соединение звеньев имеет свою системукоординат, которую надо привести к системе координатрабочего органа.

• Особенно сложно рассчитывать скорости и ускорения движениязвеньев и рабочего органа с учетом переменных нагрузок, силинерции и трения.

• Если прямая задача кинематики имеет однозначное решение, то вывод рабочего органа манипулятора в заданную точкупространства в обратной задаче кинематики возможен приразных перемещениях звеньев


Сенсоры (датчики)

Акселерометр, использующий пьезоэффект

Сенсор усилий


Сенсоры (2)Ультразвуковой дальномер

Инфракрасный дальномер

Робот «Коала»


Сенсоры (3)

• Видео сенсор


Двигатели для роботов:• Пневматические

– Были у первых роботов• Гидравлические

– Обеспечивают большую грузоподъемность (более 50-100 кг)• Электрические

– Наиболее универсальные и легко управляемые


Электродвигатели для роботов:

• Двигатели постоянного тока– с редуктором– без редуктора,

• Шаговые двигатели– Обеспечивают точное позиционирование назаданное количество шагов

• Сервомоторы– Электродвигатели с обратной связью, обеспечивающие точность угловогопозиционирования, скорости и ускорения


Гидравлическийдвигатель

Шаговыйэлектродвигат

ель

Пневматическийдвигатель

Серво двигатель

Двигатели (actuators)

Пневматическийцилиндр

Электродвигатель постоянноготока


Структура задач, решаемых системойуправления мобильного робота


Набор Mindstorms LEGO NXT.Микрокомпьютер(Контроллер)


Набор Mindstorms LEGO NXT.Сенсоры

Сенсор звука Сенсор расстояния Сенсор освещенности Серво мотор-тахометр(ультразвуковой сенсор) Сенсор касания


Набор Mindstorms LEGO NXT.Примеры роботов. Робот для игры в

гольф


Набор Mindstorms LEGO NXT.Примеры роботов. Робот-манипулятор


Робот POP BOT на базеплатформы Arduino


Робот POP BOT на базеплатформы Arduino (2)

Documents

Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,