Возможность использования промышленных роботов для автоматиза­ции различных производственных процессов существенно зависит от их точностных характеристик. Точность робота определяется отклонением фактической траектории (или положения) его рабочего органа от траекто­рии (или положения), заданных управляющей программой. Статистически ошибки позиционирования ПР оценивают по разбросу положений рабочего органа (захвата) при многократных реализациях программы, т. е. случайной составляющей, называемой "повторяемостью", и средней величиной отклонения реального положения захвата от программного — систематиче­ской ошибкой. В современных конструкциях роботов повторяемость состав­ляет десятые доли миллиметра, а систематическая составляющая ошибки на порядок (и более) превышает повторяемость. Поэтому когда говорят о точности ПР, имеют в виду систематическую ошибку.

Уже из определения точности ПР следует, что этот параметр зависит от вида процесса выработки управляющей программы: обучение или расчет (см. гл. 2). Аналитическое программирование ПР базируется на данных, характеризующих модели робота и рабочей среды. Установлено, что обыч­но используемые модели ПР вследствие их несоответствия реальной конст­рукции по геометрическим, жесткостным и другим характеристикам приво­дят к значительным (до 10 мм) ошибкам позиционирования.

При программировании методом обучения оператор имеет дело не с моделями, а с реальным ПР: он в режиме ручного управления перемещает рабочий орган робота в требуемое положение и дает команду на считывание и занесение в программу показаний датчиков обратных связей робота. Поэтому систематическая ошибка при этом способе программи­рования существенно меньше, чем при аналитическом. Однако и здесь она более чем на порядок выше ошибки "повторяемости". Применяемый опера­тором при обучении для коррекции программы метод проб и ошибок при большом числе позиций программы довольно утомителен.

Отмеченные обстоятельства делают актуальным исследования точности ПР и поиск путей ее повышения. В настоящее время работы по теории точности ПР ведутся в следующих направлениях. Первое связано с анализом погрешности позиционирования схвата при заданных ошибках приводов [10, 17, 23] и выбором конфигураций, обеспечивающих минималь­ную погрешность [15, 16, 19]. Основу второго направления составляют анализ статических и динамических ошибок манипуляторов с упругими звеньями скелета [8, 11, 18, 25, 31] и синтез управления, обеспечивающий гашение колебаний в них [14, 32, 34]. Наконец, третье направление — это создание методов и средств оценки качества функционирования ПР [13, 20, 22].

Многие из разработанных подходов к проблеме точности ПР носят констатирующий характер и, следовательно, в той или иной мере являются "пассивными". Перспектива все большего распространения способа анали­тического программирования, особенно в связи с появлением адаптивных роботов, требует трансформации и обогащения существующих подходов и разработки новых "активных" подходов к проблеме точности ПР.

Одині из таких подходов — это компенсация ошибок положения рабочего органа ПР, основанная на способе "калибровки" рабочей зоны робота [12, 36]. В данном способе предполагается получение некоторой таблицы соот­ветствия между декартовыми координатами рабочего органа и показаниями датчиков обратных связей руки. При этом в рабочей зоне робота реали­зуется плоская или пространственная сетка узлов, в которые поочередно выводят рабочий орган ПР и запоминают соответствующие данному узлу показания датчиков обратных связей. Описанный подход, предполагает устранение части систематической составляющей ошибки положе­ния, порожденной какими-либо факторами, не выявляя их природу. Способ "калибровки" требует большого объема измерений во всей рабочей зоне/робота и, соответственно, большого объема памяти управляющей ЭВМ.

Подходы, альтернативные способу "калибровки" [4-6], связаны с выявлением основных значимых факторов, влияющих на точность ПР, с разработкой устройств и систем, уменьшающих это влияние, с построением моделей ПР, учитывающих значимые факторы, с уточнением и коррекцией этих моделей с целью их использования при управлении. Ниже рассмотрены некоторые вопросы, связанные с определением основ­ных значимых факторов, влияющих на точность аналитически программи­руемых ПР.

В общем случае положение рабочего органа ПР, например в режиме стабилизации, является положением динамического равновесия и отражает состояние динамического равновесия всей системы. Отклонение положения динамического равновесия рабочего органа ПР от заданного программой определяет статическую ошибку положения, принимаемую за "погрешность позиционирования", а амплитуда колебаний рабочего органа относительно положения динамического равновесия в установившемся режиме — дина­мическую ошибку системы [19]. Рассмотренные в предыдущих главах воп­росы кинематики и статики ПР позволяют перейти к анализу статической ошибки положения рабочего органа ПР.

Исходная программа создается оператором-программистом на входном языке системы, она включает необходимый набор действий для достижения заданной цели и базируется на декартовых координатах рабочего органа (см. гл. 3). Управляющая программа является отображением исходной прог­

раммы в конкретной ситуации, сложившейся при выполнении поставленной задачи, и базируется на обобщенных координатах ПР (q или tji). Чаще всего последние соответствуют координатам приводов с датчиками обратных связей, т. е. і|і (см. раздел 3.5). Скелет манипулятора и расположение дат­чиков обратных связей, как правило, не соответствуют декартовой системе координат.

Поэтому возникает необходимость в каждой позиции пересчитывать декартовы координаты в координаты датчиков обратных связей. Этот переход выполняется в соответствии с моделью, в которую входят геометрические размеры звеньев (а,-, а(, t(, i = l, и), положение "нулей" датчиков обратных связей (ц/f) в конфигурации, когда все qt = 0, и мгно­венные передаточные отношения кинематических цепей привода. Из-за погрешностей изготовления и сборки манипулятора его фактические параметры отличаются от параметров модели, что приводит к ошибкам положения, обусловленным геометрическими и кинематическими факторами [7].

Кинематические цепи привода содержат зазоры и не являются абсо­лютно жесткими. В длинных кинематических цепях, свойственных многим ПР, эти факторы проявляются наиболее заметно [18, 25, 31]. Их влияние на точность ПР существенно зависит от места установки датчиков обратных связей. Выше отмечалось, что в ПР для обеспечения устойчивости системы регулирования датчики обычно устанавливают непосредственно на двигателях. При этом зазоры и упругость длинной кинематической цепи, не охваченной контуром обратной связи, приводят к статическим ошибкам положения, зависящим от нагрузки и конфигурации руки [8]. Здесь следует упомянуть и о нежесткости звеньев скелета руки. Как показали расчеты [31], в современных конструкциях робота влияние этого вида нежесткости на систематическую ошибку обычно невелико.

Ограниченная разрядность датчиков обратных связей так же, как и число разрядов модулей управляющей ЭВМ, могут значительно влиять на величину систематической ошибки. Однако эти факторы могут быть учтены при проектировании системы. Обычно разрядности выбирают такими, чтобы их влияние на точность позиционирования не превышало величины повторяемости — математического ожидания погрешности при выходе руки ПР в одну и ту же позицию.

Еще одним значимым, но трудно учитываемым фактором, определяю­щим систематическую ошибку ПР, является трение в механических передачах приводов. Для уменьшения статической ошибки положения наряду с традиционными методами снижения трения в робототехнике целе­сообразно использовать регуляторы, синтез которых рассмотрен в преды­дущей главе.

Резюмируя сказанное, отметим, что основная доля систематической со­ставляющей погрешности позиционирования обусловлена несоответствием расчетной модели реальной конструкции ПР, главным образом из-за первых двух неучтенных видов ошибок. Поэтому представляется целесооб­разной попытка повысить точность аналитически программируемых ПР путем решения следующих задач.

а. Разработка расчетных моделей ПР, учитывающих отклонения геомет­рических параметров и жесткостные характеристики приводов.

б. Создание на базе расчетной модели программного обеспечения для вычисления в управляющей программе корректирующих поправок, компен­сирующих влияние учтенных факторов. Эти программы должны входить в математическое обеспечение системы управления робота.

в. Создание экспериментальных методов аттестации исходных первич­ных ошибок изготовления и сборки, величин люфтов и податливостей в механических передачах руки робота. Эта задача в первую очередь должна решаться при выходном контроле на заводе-изготовителе. Полученные при ее решении данные (ошибки) должны быть паспортизированы, в соответст­вующем виде занесены в память системы управления и использованы как исходные данные в программах компенсации ошибок (см. пункт б).

г. Создание методов и средств аттестации количественных инте­гральных оценок точности ПР в рабочем объеме (см. гл. 4).