Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

Рис. 1.1. Общая схема адаптивного робота

Успех в создании роботов по­ следующих поколений во многом зависит от решения двух централь­ ных проблем: очувствления мани­ пуляторов и интеллектуализации управления. Решение этих про­

блем требует создания систем очувствления и адекватных систем управления, способных учитывать полученную информацию о внеш­ ней среде как в процессе планирования действий робота, так и в про­ цессе исполнения.

Наиболее перспективными областями внедрении адаптивных Г1Р являются механическая сборка, дуговая и газовая сварка, кисло­ родная резка, абразивная зачистка и шлифование, окраска распыле­ нием, операции упаковки, установка и съем деталей с конвейера, операции распознавания, сортировка деталей, разбор деталей из навала, контроль качества с помощью манипуляторов, оснащенных измерительной аппаратурой, и ряд других технологических операций.

Адаптивный робот представляет собой техническую систему, в со­ став которой входят, как правило, следующие компоненты: исполни­ тельный механизм (манипулятор,) система очувствления и система управления (рис. 1.1).

Система очувствления воспринимает с помощью имеющихся в ее составе датчиков информацию о состоянии внешней среды, обра­ батывает ее. В результате вырабатываются сигналы воздействия, поступающие на один из входов системы управления, которая в свою очередь вырабатывает соответствующие сигналы на манипулятор и технологическое оборудование. Робот совершает работу, следова­ тельно, изменяет состояние свое или объекта, т. е. состояние внешней среды. Эти изменения фиксируются системой очувствления и т. д. Таким образом, цикл замыкается.

Технологическое оборудование, участвующее в выполнении опе­ рации наравне с манипулятором, мы не включили в состав робота. Однако иногда оно является частью робота. Так, например, бывает у сварочного, окрасочного адаптивных роботов и вообще у роботов, которые специализируются на выполнении одной какой-либо опера­ ции. .

Манипулятор адаптивного робота чаще всего представляет собой сложный многозвенный механизм с антропоморфной кинематикой. Так, в состав одного из наиболее распространенных в настоящее время промышленных роботов «Ригпа» фирмы «Юнимейшн» (США) входит 6- или 5-степенной антропоморфный манипулятор, оснащен­ ный электромеханическими сервоприводами. Каждая степень по­ движности управляется двигателем постоянного тока, оснащена по­ тенциометрами обратной связи и кодовыми датчиками. Манипулятор имеет грузоподъемность 1—10 кг (в зависимости от модели), повто­ ряемость +0,1 мм и максимальную скорость перемещения захвата ~1 м/с. Робот может быть использован на операциях сборки, дуговой

II

сварки, окраски, а также на транспортных операциях. Манипуля­ тор, который входит в состав сборочного робота RS1, фирмы «Ай-би- эм» (IBM, США), также является 6-степенным. Он оснащен гидропри­ водами, имеет грузоподъемность 1,3 кг, скорость перемещения за­ хвата составляет 1 м/с.

Как говорилось выше, исполнительный механизм адаптивного робота — это чаще всего манипулятор, снабженный сервоприво­ дами. Это вполне естественно, поскольку адаптивные свойства ро­ бота, как правило, проявляются в коррекции движения манипуля­ тора в соответствии с показаниями системы очувствления. Однако иногда в состав адаптивного робота могут входить и цикловые мани­ пуляторы, причем адаптация в этом случае заключается в смене по­ следовательности обхода наперед известных точек позициониро­ вания.

Приводы подвижных сочленений манипулятора адаптивного ро­ бота не имеют каких-либо существенных отличий от привода неадап­ тивного робота, за исключением наличия более совершенных регу­ ляторов (корректирующих устройств), которые обычно реализуются на базе микропроцессорных устройств.

Как отмечалось выше, адаптивные свойства робота иногда можно реализовать без развитой системы очувствления, используя для це­ лей адаптации только информацию о текущем состоянии исполни­ тельного механизма. Тогда способ адаптации заключается в построе­ нии устройства (аппаратного или программного), в функции кото­ рого входит оценивание тех или иных параметров внешней среды (на­ пример, массы груза в захвате манипулятора), и в соответствующей коррекции управляющего сигнала таким образом, что возмущение будет мало отличаться от программного. Это устройство можно рас­ сматривать как часть регулятора привода адаптивного робота.

Среду функционирования адаптивных ПР можно охарактеризо­ вать ее физическими свойствами, геометрическими параметрами ра­ бочей зоны и параметрами объектов манипулирования (рис. 1.2).

Физические свойства среды функционирования оказывают су­ щественное влияние на выбор того или иного типа датчика, на надеж­ ность каналов передачи информации, потребляемые мощности и кон­ структивное выполнение манипулятора. Разнообразие возможных свойств среды свидетельствует о сложности выбора какого-либо од­ ного типа датчика для построения адаптивных роботов.

Геометрические параметры среды функционирования необходимо учитывать при выборе типа кинематической схемы манипулятора, его быстродействия и при планировании траекторий перемещения захвата.

В зависимости от типа участка, обслуживаемого роботом, изме­ няются требования к его точности позиционирования. Суммарная погрешность позиционирования не должна приводить к снижению требуемой точности установки детали в технологическое оборудова­ ние (матрицу штампа, патрон токарного станка и т. п.). Погрешность установки объекта в приспособление складывается из двух состав­ ляющих: погрешности несовпадения центра формы детали с опреде-

12

Рис. 1.2. Организация среды функционирования

ленным центром в оборудовании и погрешности ориентации по углу относительно некоторой оси. Суммарная погрешность позициониро­ вания адаптивных роботов в 52 % случаев должна быть менее 1 мм, в 13,5 % — от 1 до 2,5 мм и в 34,5 % — не более 10 мм. Анализ со­ ставляющих погрешности показывает, что в основном погрешность определяется неточностью ориентации деталей по углу.

Характеристики объектов манипулирования (ОМ) адаптивных роботов оказывают влияние на выбор типа и структуры систем очув­ ствления, конструкцию исполнительного устройства и функции ро­ бота в целом. Характеристики объекта манипулирования (см. рис. 1.2) определяют тип рабочей зоны робота. Различают несколько поста­ новок задач по организации рабочей зоны роботов.

Функции робота могут изменяться в очень широких пределах— от проверки наличия ОМ в кассете до извлечения заданного ОМ из навала. Поэтому при построении адаптивных роботов необходимо учитывать конкретную организацию рабочей зоны. В подавляющем большинстве случаев рабочая зона может быть организована таким образом, что ОМ поступают в поле зрения датчика по одному.

Выбор того или иного типа датчиков или их сочетания при по­ строении системы восприятия адаптивного робота определяется кон­ кретным типом решаемой задачи. На основе информации, получаемой о состоянии внешней среды, реализуется адаптивное управление ро­ бототехническими системами.

1.2.Принципы восприятия, обработки информации

иуправления

Информацию, необходимую для выполнения задания, поставляет роботу система очувствления — важнейшая подсистема адаптивного робота. Чаще всего эта информация непосредственно связана с со­ стоянием пространства, в котором функционирует робот, и ее источ­ никами являются системы технического зрения, силомоментные, ло­ кационные и тактильные системы. Однако иногда эту информацию удается получить косвенно, измеряя лишь параметры самого испол­

13

нительного механизма, и на основании этих измерений сделать не­ которые выводы о состоянии рабочего пространства.

Система очувствления может выполнять либо функции простой передачи полученной информации о рабочем пространстве в систему управления, где эта информация обрабатывается соответствующим образом, либо функции обработки этой информации. В последнем случае система очувствления кроме датчиков содержит еще устрой­ ства преобразования и предварительной обработки информации, а также микроЭВМ или микропроцессоры.

Развитая система очувствления робота может автономно форми­ ровать задание но обработке информации о внешней среде и осущест­ влять согласованный обмен данными и командами с системой управ­ ления. Поэтому в общем случае система очувствления адаптивного робота должна быть рассчитана на работу с оператором (см. рис. 1.1).

Номенклатура систем очувствления, включаемых в состав про­ мышленного робота для обеспечения ему возможности адаптации к изменениям параметров как собственных, так и внешней среды, определяется многими факторами, среди которых можно указать следующие: 1) сложность построения априорной модели технологи­ ческого процесса; 2) сложность учета параметров принципиально предсказуемых возмущающих факторов; 3) технические и вычисли­ тельные трудности расчета законов изменения управляемых коорди­ нат на основе сложной априорной модели; 4) доступность и стоимость средств очувствления необходимых типов; 5) возможность и простота сопряжения средств очувствления с системой управления робота; 6) наличие программного обеспечения для обработки информации датчиков очувствления, разработанного применительно к данной технологической операции.

Таким образом, основное назначение систем очувствления про­ мышленных роботов состоит в том, чтобы существенно снизить объем необходимой априорной информации. Кроме того, их включение в состав систем управления позволяет существенно упростить про­ цедуру обучения робота, повысить его динамическую точность и быстродействие.

Значительная часть информации о внешней среде, собираемая с помощью средств очувствления, представляет собой геометриче­ ские характеристики объектов манипулирования и предметов, окру­ жающих робот, их местоположение, форму, размеры и т. п. Кроме того, для автоматизации некоторых технологических операций необ­ ходимо знать модуль и направление сил и моментов, действующих в точке контакта захвата или инструмента робота с изделием, усилие захватывания или шарнирные моменты в подвижных сочленениях робота.

В соответствии с наиболее часто используемыми методами изме­ рения геометрических характеристик и силовых параметров взаимо­ действия робота с окружающей средой средства очувствления по способности воспринимать информацию на различных расстояниях от ее источника могут быть условно разделены на контактные и бес­ контактные (рис. 1.3).

14