Чтобы составить представление о том, в какой мере и как реально применяют выделенные нами механизмы и устройства в практической робототехнике, рассмотрим конструкцию электромеханического робота.

При создании двигательных систем во многих случаях целесообразно размещать двигатели не на основании, а на корпусе первого подвижного звена. Именно такое конструктивное решение было принято при разработке отечественного электромеханического робота универсального назначения ТУР-10 (рис. 2.10). Он может быть использован для обслу­живания оборудования, сборки, сварки и других технологических операций с деталями массой до 10 кг.

По своей структуре робот ТУР-10 соответствует структуре робота IRB-6 фирмы ASEA (Швеция), но отличается от него конструктивным выпол­нением функциональных механизмов. Размеры его звеньев и конфигурации рабочего пространства представлены на рис. 2.11.

Технические характеристики робота ТУР-10

Число степеней подвижности 5

Номинальная грузоподъемность

(включая захватное устройство), кг 10

Погрешность позиционирования (повторяемость), мм ± 0,25

Система управления УПМ 772, УКМ 772

Способ управления Позиционный или

контурный

Тип интерполяции при контурном управлении Линейный, круговой

Число двоичных разрядов приема и обработки информации 15

Максимальная погрешность отработки траектории, мм 2

Число каналов связи с внешним оборудованием

на ввод 12

на вывод 48

Рис. 2.І0. Универсальный электромеханический робот ТУР-10

Рука робота в виде шарнирно-рычажного механизма с пятью степенями подвижности, позволяющими перемещать рабочий орган (схват или инструмент) в любую точку рабочего пространства и ориентировать его произвольным образом в плоскости звеньев руки в пределах ограничений движения в сочленениях и передаточных механизмах.

Рука (рис. 2.12) образована пятью подвижными звеньями 1-5, уста­новленными на неподвижном основании 6. Первое подвижное звено пред­ставляет собой поворотную платформу 1, вращающуюся в подшипниках, смонтированных на основании. Привод 7 звена 1 установлен на основании. На поворотной платформе смонтированы приводы 8-11 звеньев 2-5. К фланцу последнего звена 5 крепится рабочий орган — схват или технологический инструмент.

Электромеханические приводы всех звеньев унифицированы и выпол­нены в виде совокупности двигателей постоянного тока Д1-Д5 типа ПЯ-150Ф, волнового редуктора с передаточным отношением 102,5, кодовых датчиков положения ДП1-ДП5 типа ППК-15 (разрядность 215) и тахогенератора ТГ1-ТГ5 типа ТГП-2,5.

Рис. 2.11. Размеры звеньев робота ТУР-10 qx = ±170°, q2 = ±45°, q3 = +25 + -45°, q4 = ±90°, q5 = ±180°

В приводах руки согласующий редуктор от вала двигателя к валу датчика положения выполнен в виде зубчатой передачи; ее передаточное отношение в приводах движения звеньев 2 и 3 равно 45/28, а в приводах механизма ориентации (звенья 4, 5) — 90/28. В приводе поворотной платформы 1 вращение на вал датчика передается с выходного вала редуктора через беззазорную зубчатую пару с передаточным отношением

15,6.

Кинематические цепи привода от выходных валов волновых редукторов к звеньям 2 и 3 руки выполнены в виде шарнирных параллелограммов, а к звеньям 4 и 5 — с помощью передач 12 и 13, содержащих по две замкнутые ветви. (В некоторых модификациях конструкции манипулятора вместо цепных передач применяют двойные шарнирные параллелограммы.) Для вращения звена 5 дополнительно используется коническая передача с передаточным отношением 0,5.

Натяжение цепных передач производится талрепами. В подвижных соединениях передаточных кривошипно-шатунных механизмов и шарнирах руки люфт выбирается за счет относительного осевого смещения колец подшипников. В конической передаче предусмотрено устройство выборки зазора.

Для статического уравновешивания звеньев 2 и 3 в конструкции предусмотрены пружинные механизмы 14 и 15, установленные на поворотной платформе. (В первых конструкциях звено 3 уравновешивали с помощью пневмоцилиндра, обеспечивающего необходимую постоянную силу на штоке.) Штоки 16, 17 пружин при помощи цепей 18, 19, проходящих через ролики, соединены со звеньями 2 и 3 . Шток 1 7 связан через дополнительно установленный синусный механизм 20 с плечом Г-образного кривошипа привода качания звена 3, а шток 16- с пальцем кривошипа качания звена 2.

На заданном диапазоне перемещения дополнительно установленный механизм имеет передаточную функцию, обратную силовой характеристике пружины уравновешивания. Суммирование эффектов линейного изменения усилия на штоке пружины и соответствующего примерно линейного (на четверти оборота шкива синусного механизма 20) изменения плеча приложения этой силы позволяет получить практически постоянное усилие, действующее вдоль цепи 19.

На штоках 16, 17 имеется резьба, позволяющая при помощи гаек 21 обеспечить необходимую величину предварительного поджатия пружин, такую, чтобы при любой конфигурации руки не наблюдалось самопроиз­вольное перемещение звеньев 2 и 3.

За счет вынесения приводов (масса каждого привода -15 кг) на поворотную платформу и применения системы передаточных механизмов в виде шарнирных параллелограммов и цепей удалось существенно облегчить конструкцию руки.

Механизмы устранения кинематического взаимовлияния степеней подвижности в данной конструкции отсутствуют. Поэтому при движении звена 2 или 3 ориентация всех последующих звеньев в абсолютной системе координат остается неизменной. При вращении звена 4 наблюдается "паразитное" движение звена 5 вследствие наличия конической зубчатой передачи. Устранение этого кинематического взаимовлияния осущест­вляется программно. При такой развязке все звенья робота программи­руются в абсолютной системе координат.

Описанная конструкция позволяет при программировании разделить движения руки на региональные, перемещающие рабочий орган в требуемую точку рабочего пространства (за счет звеньев 2 и 3) и не изме­няющие ориентацию рабочего органа, и на локальные, обеспечивающие необходимую ориентацию (за счет звеньев 4 и 5). Такое разделение упрощает программирование робота.

При установке двигателей на основание (в данном случае — на платформу 1) необходимо соблюдать условие: диапазон перемещений передаточного механизма каждого подвижного звена руки должен быть не меньше суммы диапазонов перемещений всех последующих звеньев. Возможные конфигурации руки вследствие кинематического взаи­мовлияния по степеням подвижности часто ограничены не упорами в шарнирах руки, а допустимыми углами поворота передаточных цеп­ных и кривошипно-шатунных механизмов. Диапазоны перемещений последних, выполненных в виде обычных (одинарных) шарнирных параллелограммов, составляют 90-100°, а в виде двойных, с пальцами на диске- 190—220°.

Каждое звено руки приводится в движение от соответствующего независимого электропривода с двухконтурным регулированием частоты вращения двигателя. При этом реализуется закон, формируемый блоком задания программы. На рис. 2.13 представлена функциональная схема устройства управления одной степенью подвижности робота, на которой отражено физическое разделение элементов и блоков системы. Прин­ципиально устройство управления роботом представляет собой совокуп­ность блоков задания (формирования) программы движений и ее отра­ботки — следящей системы приводов. Конструктивно оно выполнено в виде двух стоек — устройства числового программного управления модели У КМ — 772 и блока управления электроприводами. Устройство УКМ-772 обеспечивает контурное управление робота. Программное обеспечение позволяет составлять и редактировать программы на специально разра­ботанном языке программирования.

Программирование робота ТУР-10К (буква К означает контурный) с помощью программного обеспечения реализуется методом обучения человеком-оператором с помощью специального выносного пульта обучения. Кроме того, разработаны "сенсорные обучающие" рукоятки, а также аппаратные и программные средства преобразования координат для облегчения программирования робота [19]. Процесс обучения состоит в ручном управлении движением звеньев руки с целью установки рабочего органа в желаемые положения — узловые (опорные) точки будущих программных траекторий. При этом в памяти УКМ-772 запоминаются соответствующие показания датчиков положения, пропорциональные обобщенным координатам qh і = 1,…, 5 звеньев.

На основании записанной последовательности опорных точек в блоке формирования программы движений с помощью интерполирования рассчи­тываются непрерывные законы программных изменений обобщенных координат q,{t), которые подаются на вход следящей системы. Основная задача следящей системы состоит в обеспечении требуемой точности отработки программных движений.

В составе рассматриваемой следящей системы можно выделить три части: I — исполнительный двигатель (кинематически связан с объектом), согласующий редуктор и измерительные элементы: датчик положе­ния, тахогенератор; П — усилительно-преобразовательное устройство; Ш —

Рис. 2.13. Функциональная схема устройства управления одной степенью подвижности робота ТУР-10К

модули систем программного обеспечения УКМ-772, реализующие закон регулирования.

Усилительно-преобразовательное устройство представляет собой совокупность единого источника постоянного напряжения и широтно­импульсных транзисторных преобразователей (ШИП) каждого привода. Такой преобразователь включает широтно-импульсный модулятор, силовые транзисторные ключи, формирующие управляющее напряжение непосредственно на двигатели, и пропорционально-интегральные регуля­торы тока и частоты вращения. При этом используется ПИД-регулятор, обеспечивающий выдачу управляющего воздействия пропорционально отклонению, интегралу и скорости изменения (производной) регулируемой величины. В ПИД-регулятор дополнительно введен самонастраивающийся канал управления по скорости, позволяющий повысить точность отслежи­вания траектории. Суть самонастройки сводится к автоматическому изме­нению коэффициента усиления этого канала в зависимости от текущего рассогласования по положению и скорости объекта регулирования.

Характеристики ПИД-регулятора и компенсатора скоростной ошибки определяются четырьмя постоянными коэффициентами усиления, назна­ченными оператором в диалоговом режиме в зависимости от требуемого качества переходных процессов. Эти коэффициенты не могут быть определены заранее, поскольку зависят от индивидуальных динамических свойств робота. Как правило, коэффициенты назначают по результатам пробных движений на различных режимах, добиваясь устойчивости при максимально возможном быстродействии системы. Такая настройка требует высокой квалификации оператора.

Частота тактирования управляющего сигнала на выходе регулятора и соответственно на входе усилительно-преобразовательного устройства составляет ~110 Гц.

Робот ТУР-10К является контурным и его программное обеспечение позволяет кроме программирования, линейной интерполяции и последую­щей автоматической работы в обобщенных координатах, реализовать прямолинейные траектории в плоскости руки в системах координат, связан­ных с основанием и с захватом, осуществлять программную развязку дви­жения сгиба и вращения кисти. Для работы устройства управления роботом в контурном режиме используют математические модели, описывающие кинематику манипулятора.