|
ВВЕДЕНИЕ
Современный опыт развития мирового сообщества доказывает, что демократическое, социально ориентированное, экономически развитое государство заботится об улучшении условий и охране труда, научной организации, о сокращении, а в дальнейшем и полном вытеснении тяжелого физического труда на основе комплексной механизации и автоматизации производственных процессов во всех отраслях народного хозяйства.
Развитие научно-технического прогресса стало возможным вследствие создания и совершенствования вычислительной техники. Это позволило автоматизировать технические и бухгалтерские расчеты, планирование, управление, проектирование и др. Однако многие виды ручного труда, которые тяжело, не интересно, а порой и опасно выполнять человеку, все еще остаются неавтоматизированными. Это относится к операциям по подъему и транспортированию различных грузов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве, при добыче полезных ископаемых, проведении научных исследований и т.п.
В полной мере это относится и к транспортным отраслям народного хозяйства. Увеличение грузопотока, сокращение времени простоя транспортных средств под погрузкой и разгрузкой, обработка, складирование и хранение грузов, да и само производство автомобилей, судов, подвижного состава невозможны без применения новых универсальных автоматизированных технических средств, называемых роботами и манипуляторами.
Актуальнейшей остается проблема комплексной механизации и автоматизации подъемно-транспортных, погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ.
Резкий рывок в развитии робототехники в начале сороковых годов XX в. был предопределен всем ходом развития истории человечества.
Первые попытки заменить труд человека самостоятельно действующими устройствами относятся к глубокой древности. Сначала эти попытки преследовали цель создания автоматов, точно копирующих движения человека (андроидов). Известны работы Герона Старшего,
жившего в Александрии в I в. и описавшего в своих книгах свыше сотни таких автоматов. Среди них гравитационный автомат для разлива "святой воды", выдававший через определенное время изумленному прихожанину культового сооружения порцию "святой воды".
Существенное влияние на развитие элементов автоматики и робототехники оказало появление и совершенствование часов.
Ржевский механик Т. И. Волосков (1729—1806 гг.) создал замечательные астрономические часы, выполнявшие чрезвычайно сложные математические вычисления и воспроизводившие их результаты. Часы отсчитывали часы, дни и годы, учитывая простые и високосные, показывали положение и фазы Солнца и Луны и т.п. Так, впервые были применены принципы и отдельные механизмы, впоследствии получившие широкое применение в автоматах, использовавшихся для производственных целей.
Передовые русские техники XVIII в. создали многие автоматические устройства, имевшие существенное значение для создания и развития новой промышленной базы. Механик А. Нартов впервые в мире применил автоматический суппорт для построенных токарно-копировальных станков (20-е годы XVIII в.). В этом же ряду изобретения И. И. Ползунова (1728—1766 гг.), в том числе автоматический регулятор уровня воды в котле его "огнедействующей" машины.
Новый толчок в развитии технических средств автоматики и разработки принципов их действия, которые находят применение в роботах и в настоящее время, дало открытие и практическое применение электричества в XIX в.
Русский ученый П. Л. Шиллинг (1789—1837 гг.) впервые в истории техники добился дистанционного взрыва мины с помощью электрического тока (1822 г.). В 1830 г. П. JI. Шиллинг разработал и применил в изобретенном им электрическом телеграфе первое магнитоэлектрическое реле, на примере которого основано действие многих современных автоматических и телемеханических устройств.
Большой интерес представляют работы талантливого изобретателя А. П. Давыдова. В 1867 г. на артиллерийской батарее "Не тронь меня" было проведено испытание разработанной им системы автоматической стрельбы, которая являлась первой в истории техники дистанционно управляемой автоматической системой с несколькими объектами управления.
Технические средства автоматики внедрялись в технику железнодорожного транспорта и электросвязи. В 80-х годах XIX в. Ф. И. Балю-кевич, В. М. Тагайчиков и другие разработали ряд устройств автоматической сигнализации на железнодорожном транспорте. В 1891 г. В. А. Зеест применил первую взаимозамыкающую блокировочно-жезловую систему. В 1887 г. К. А. Мосцицкий сконструировал "самодействующий центральный коммутатор", с помощью которого можно было соединить небольшое число абонентов автоматически.
К началу XX в. была создана необходимая техническая база и созрели все условия для начала осуществления многовековой мечты человечества — создания устройств, заменяющих человека в процессе труда, т.е. роботов.
Этот термин был введен в 1921 г. знаменитым чешским писателем Карелом Чапеком. В его пьесе "Россумские универсальные роботы" в качестве персонажей действуют не только люди, но и роботы — искусственные люди. Их основными чертами являются механическое совершенство и невероятно сильный интеллект. В этих фантастических образах К. Чапек художественными средствами ближе других подошел к идее создания (всего через 35 лет) универсального автомата, снабженного механической рукой и названного "промышленный робот", освободившего человека от неквалифицированного, монотонного, а в некоторых случаях опасного для его здоровья труда.
Но к этому событию робототехника шла через этапы создания оригинальных устройств, имевших внешнее сходство с человеком, открывших Всемирную выставку в Нью-Йорке и выставку Британской ассоциации инженеров по моделированию (1928 г.), создания кибернетики и появления первых электронных вычислительных машин, создания радиолокационных станций, применения механических манипуляторов, предназначенных для работы с радиоактивными, взрывоопасными и токсичными материалами и устройствами, — предшественников промышленных роботов.
Современное состояние робототехники характеризуется широким внедрением в народное хозяйство развитых стран промышленных роботов. Уже к 1989 г. в Японии парк этих машин составлял 174 тыс. ед., в США — 35 тыс. ед., в Германии — около 15 тыс. ед.
Отечественная промышленность только в 1981—1985 гг. выпустила свыше 40 тыс. промышленных роботов. Существенен прогресс робототехники на транспорте, в частности, на погрузочно-разгрузочных участках, складах, автоматизированных контейнерных терминалах и др.
Широко практикуемые на транспорте пакетные перевозки позволяют повысить производительность погрузочно-разгрузочных и складских работ в 3—5 раз. Для пакетирования тарно-штучных грузов одинакового размера применяют пакетирующие машины-автоматы. При необходимости формировать на поддонах пакеты грузов различного размера или с различной схемой укладки процесс усложняется, и для этого применяют промышленные роботы грузоподъемностью 50—100 кг и производительностью до 20 т/ч.
Автоматизированные стеллажные склады, оснащенные перегрузочными манипуляторами — кранами-штабелерами, позволяют, например, увеличить использование объема склада до 65—80 % против 10 % при ручном штабелировании, снизить на 35—40 % стоимость переработки грузов, увеличить в 1,3—1,5 раза производительность
труда. Еще более эффективны стеллажные автоматизированные склады с использованием трансроботов, трансферроботов, вертикальных подъемников (система "Робот").
На автоматизированных контейнерных терминалах применяются роботизированные контейнерные краны, обеспечивающие выполнение большинства операций по перегрузке контейнеров без участия оператора—машиниста крана (японская фирма "Hitachi") и др.
Комплексная автоматизация погрузочно-разгрузочных, транспортных и складских работ обусловливает необходимость создания подъемно-транспортной техники с автоматизированным управлением операциями подъема, передвижения машин, захвата и освобождения груза и т.п.
Настоящее учебное пособие позволит читателю подготовить себя к восприятию сложного материала по устройству, принципам действия роботов, методам расчета и проектирования их механизмов, приводов, несущих конструкций с тем, чтобы вести передовые разработки техники завтрашнего дня, используя богатейший опыт отечественной и зарубежной науки и практики, сосредоточенный в многочисленных литературных источниках.
Глава 1
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАНИПУЛЯТОРАХ И РОБОТАХ
1.1. Определение понятия "робот"
До сих пор нет однозначного мнения по поводу содержания понятия "робот". Многие ученые исходят из того, что в своей основе это понятие должно отражать идею создания искусственной технической системы, способной выполнять действия, свойственные интеллектуальной системе "человек" [28]. Отсюда вытекает следующее определение: робот — это система, заменяющая человека в процессе труда, обладающая основными функциональными возможностями человека, при этом реализация этих возможностей производится с использованием различных технических средств.
В настоящее время существуют машины, заменяющие труд человека. Они являются основой проводимой автоматизации производства и называются автоматами. Однако, как правило, эти машины являются одноцелевыми, т.е. заменяют человека с целью выполнения какой-то одной его функции. Именно этим отличаются автоматы от устройств, называемых роботами.
Для наглядного качественного представления содержания, вкладываемого в понятие "робот", можно изобразить некое условное трехмерное пространство живого существа (рис. l.l) [72], в котором по трем осям отложены уровни: интеллекта, физических возможностей и функциональных способностей. Уровень интеллекта в данном представлении включает в себя способности ощущения, восприятия, памяти, "мышления" и т.п. Физические возможности — это сила, скорость, способность к длительной непрерывной работе, стабильность характеристик, надежность и др. Функциональные способности означают возможность перемещений в пространстве, маневренность, универсальность и т.п.
В представленном условном трехмерном пространстве изображен робот, который можно охарактеризовать как трехмерную систему (устройство), соответствующую пространству живого разумного существа. В этом представлении грузоподъемная, дорожно-строительная, землеройная и им подобные машины являются двумерными устройствами, которые обладают, помимо физических возможностей, еще и способностью к перемещению в пространстве, маневренностью и т.п.
Рис. 1.1. Условное пространство живого существа
Вычислительные и другие информационные машины также считаются двумерными системами, которые наряду с физическими возможностями обладают некоторым интеллектом.
Автоматы и другие машины одноцелевого назначения в представленном пространстве можно считать одномерными устройствами.
1.2. Назначение и области применения роботов
Роботы по назначению и областям их применения можно подразделить на три класса (рис. 1.2): манипуляционные (или роботы-манипуляторы), информационные и шагающие.
Наиболее обширен класс роботов-манипуляторов. К нему относятся промышленные роботы, погрузочные манипуляторы, роботы для работы в экстремальных условиях, а также медицинские и бытовые манипуляционные роботы.
Класс информационных роботов включает в себя аппараты для исследования космического пространства, а также подводные работы для исследования дна и подводного пространства и т.п. Эти работы предназначены для автоматического получения и передачи информации об исследуемых объектах.
Большое внимание уделяется в настоящее время разработке шагающих роботов. Этот класс включает в себя роботов-экзоскелетонов, которые предназначены для восстановления двигательных функций ног больного человека (медицинские роботы-экзоскелетоны) или для технического усиления мощности нижних конечностей здорового человека (роботы-усилители), а также шагающие аппараты (двуногие или многоногие) [18, 51].
Большими возможностями обладают дистанционно управляемые роботы при работе в космосе. Это — использование их в рабочих полетах искусственных спутников Земли, в исследовании Луны и планет Солнечной системы, а также их спутников, астероидов, комет и ДР- [28].
Известны устройства для исследования околоземного космического пространства и планет Солнечной системы, разработанные в СССР и США.
Большой вклад в развитие этой области знаний внесли советские ученые. Свидетельством тому разработанные и успешно работавшие информационные роботы типа "Луноход", аппараты для исследования Венеры и др. "Луноход" является классическим примером использования роботов для исследования поверхности планет и их спутников, взятия проб грунта, ориентирования, картографирования и фотографирования участков местности, передачи этой информации на Землю. Будучи снабженным универсальным манипулятором, этот робот может выполнять монтажные работы, вести разведку местности, обслуживать буровые установки, находить и переносить различные объекты и т.п.
Разрабатываются роботы, которые позволят проводить инспекцию космических аппаратов, захват, остановку вращения и буксирование искусственных спутников, спасение космонавтов, находящихся в поврежденном космическом корабле, а также потерявших связь с кораблем при выходе в открытый космос, выполнять монтаж и ремонт
Рис. 1.2. Классификация роботов по назначению и областям применения
антенн и других элементов космического корабля, замену отдельных блоков корабля, ядерных и других источников энергии, снимать образцы и приборы с космических объектов, производить сбор образцов и забор грунта исследуемых планет, определять свойства грунтов и т.п.
Разработаны подводные роботы для проведения океанологических исследований. Это — поиск и обеспечение подъема затонувших объектов, аварийно-спасательные и инспекционные работы, исследование дна и подводного пространства, проведение геологических работ на морском дне, монтажные работы, сбор представителей подводной флоры и фауны и т.д. При освоении континентального шельфа и дна морей и океанов этих роботов используют для обслуживания и ремонта оборудования подводных нефтяных скважин, разведки и добычи полезных ископаемых со дна в виде россыпей руд и конкреций и т.п.; в военных целях: для создания и обслуживания подводных баз снабжения атомных подводных лодок, ракетных баз, спасения экипажей затонувших подводных лодок, зачаливания и подъема со дна затонувших объектов военного назначения, искусственных спутников Земли, утерянных ядерных бомб, неисправных подводных аппаратов и пр. [28, 101].
Робототехнические устройства используют при работе с радиоактивными материалами при проведении диагностирования, а также при монтажных работах и ремонте действующих ядерных реакторов атомных электростанций, морских кораблей и подводных лодок, на установках регенерации ядерного топлива и т.п. [1, 4].
Одна из областей применения роботов — производство с взрывоопасными средствами и материалами, в оборонной промышленности — при работе с боеприпасами.
Широки возможности применения роботов в медицине [28]. Это — создание искусственных конечностей, протезов и ортотических устройств. Эти средства гибки, универсальны и управляются оператором-и нвалидо м. Ортотические устройства не полностью заменяют конечности, а дублируют функции поврежденных конечностей или их частей.
Применяют в медицине и так называемые мобильные роботы-манипуляторы ("механические сиделки"). Парализованный больной может выполнять с помощью этого устройства различные несложные операции: поворот тела, включение радио, телевизора и т.п. Управлять роботом можно на расстоянии, используя рукоятку или даже микропереключатель, укрепленный на языке. Разрабатываются манипуляторы для проведения сложнейших хирургических операций (в том числе и на сердце) без значительных разрезов тканей больного.
В 60—70 гг. ЮС в. получило развитие роботостроение для промышленных целей. Появились первые образцы автономно функционирующих автоматических устройств, т.е. промышленных роботов. В
настоящее время это самый распространенный класс роботов по разнообразию типов и количеству эксплуатируемых образцов.
В связи с острой необходимостью в комплексной механизации и автоматизации погрузочно-разгрузочных и транспортно-складских работ на железнодорожном транспорте, в лесной, дерево- и металлообрабатывающей промышленности, в сборочных работах, в торговле, сфере бытового обслуживания и других отраслях народного хозяйства используют погрузочные манипуляторы, которые позволяют не только выполнять захват, перенос и ориентацию грузов в пространстве, но и обеспечивать размещение грузов в рабочей зоне в строгом порядке [30].
Используют роботов и в сфере быта. Созданы робот-пожарный, робот-регулировщик уличного движения, робот-домашняя хозяйка и т.п.
Создание роботов, кроме прогресса в непосредственных областях их применения, приводит к развитию таких областей науки и техники, как кибернетика, механика, теория информации, теория автоматического управления, биология, медицина, океанология, техника связи и др.
1.3. Манипуляционные роботы
Манипуляционный робот представляет собой техническую систему, заменяющую труд человека, в состав которой входит орган воздействия на окружающую среду, т.е. манипуляционное устройство.
Рассмотрим обобщенную функциональную схему манипуляционного робота (рис. 1.3) [69]. Различные группы манипуляционных роботов включают в себя ту или иную часть блоков и связей, составляющих обобщенную схему.
Манипуляционное устройство (манипулятор) — это исполнительный орган, имитирующий действия человеческой руки в достаточно широком диапазоне масштабов увеличения или уменьшения ее геометрических размеров и мощности.
Манипуляционный робот может иметь одно или несколько (два, три и более) манипуляционных устройств. Полнота имитации движений рук человека манипуляционным устройством различна в зависимости от назначения робота. Движения манипулятора могут отличаться от движений руки человека. В суставах звенья манипулятора могут не только вращаться, но и перемещаться поступательно. Может изменяться длина некоторых звеньев с помощью телескопических устройств. Кисть руки человека имитируется в виде так называемого захвата, который бывает дву-, трехпалым и более. Захват предназначен для выполнения различных операций: захвата и переноса инструмента, заготовок, деталей, датчиков диагностического оборудования,
Рис. 1.3. Обобщенная функциональная схема манипуляционного робота других объектов. На захвате могут быть установлены различные датчики информации манипуляционного робота.
Средства передвижения обеспечивают манипуляционному роботу процесс перемещения и могут быть колесными, гусеничными, шагающими, подвесными, настенными, летательными, плавающими, а также комбинированными, т.е. сочетающими различные типы приведенных средств.
Манипуляционные устройства, установленные на средствах передвижения, взаимодействуют с внешней средой и объектами действия — предметами, которыми робот должен манипулировать или которые он должен обходить как препятствия при выполнении задачи.
Устанавливаемые на манипуляционных устройствах и средствах передвижения датчики информации позволяют роботу ориентироваться во внешней среде должным образом для достижения заданных целей. Сигналы датчиков посредством преобразователей информации передаются в систему управления роботом.
Классификация манипуляционных роботов по способу управления. По способу управления манипуляционные роботы разделяют на три группы: автоматические, биотехнические и интерактивные (комбинированного управления) [70].
Автоматическими манипуляционными роботами называют устройства, которые действуют без непосредственного участия человека в управлении ими. Эти роботы применяются в тех случаях, когда манипуляционное устройство удалено на значительное расстояние от органов управления, либо когда очень высок темп работ, опасны внешняя среда или объекты действия, а ручное управление оказывается нецелесообразным или даже неосуществимым.
Автоматические манипуляционные роботы разделяют на три типа в соответствии с исторической последовательностью развития робототехники: программные манипуляционные роботы (I поколение), адаптивные (И поколение) и интегральные (III поколение).
Программные манипуляционные роботы представляют собой совокупность лишь нескольких блоков из обобщенной функциональной схемы, а именно: манипуляционных и программного устройств, органов управления и в некоторых случаях — средства передвижения.
Рассмотрим принципиальную схему программного манипуляционного устройства (рис. 1.4) [40, 45). Здесь орган управления (задающее устройство) 3 оснащен в каждом сочленении звеньев датчиками положения. Сигналы с органа управления поступают в коммутатор 2 и затем в кодирующее устройство 1. Обработанная информация фиксируется на запоминающем устройстве 8 (магнитный барабан, магнитная лента, перфокарта, перфолента и т.п.) в виде программы работы манипуляционного робота. Эта программа, полученная в процессе "обучения" робота человеком-оператором, может многократно ПОВТО-
РНО. 1.4. Схема автоматического манипуляционного робота 1 поколения
ряться для выполнения определенного цикла операций исполнительным устройством, в которое входят считывающее устройство 7, коммутатор 6 и сервоприводы 4 для каждого из управляемых звеньев манипулятора 5.
Для манипуляционных роботов I поколения используются различные системы управления. В данном случае описаны позиционная либо контурная системы. Может применяться и цикловая система управления, в которой для позиционирования манипуляционного устройства робота по ограниченному числу точек программа его работы задается либо концевыми выключателями, либо жесткими переналаживаемыми упорами.
Автоматические роботы I поколения выполняют совокупность жестко запрограммированных операций. В соответствии с этим необходимо, чтобы внешняя среда была должным образом организована, т.е. предметы (объекты действия), которыми манипулирует робот, должны быть строго ориентированы в пространстве. Программное устройство должно легко перестраиваться на выполнение другого комплекса операций.
К этому типу относится подавляющее большинство применяемых в настоящее время промышленных роботов. Широко будут использоваться они и в будущем для комплексной автоматизации производства.
Адаптивные манипуляционные роботы — это "очувствленные" роботы. Манипуляторы и средства передвижения таких роботов оснащают различными датчиками, которые выдают информацию о положении манипуляционного устройства, об основных свойствах внешней среды, о положении и свойствах объектов действия. Такими датчиками могут быть: тактильные, сигнализирующие о прикосновении элементов робота к различным предметам; телевизионные и оптические, образующие искусственное зрение; локационные, определяющие скорость относительного движения и расстояние до объектов действия; датчики усилий и моментов, действующих на исполнительных органах робота при проведении операций; датчики, сигнализирующие о температуре, цвете, звучании объектов действия и внешней среды и т.д. [99, 100, 101].
Сигналы датчиков преобразуются в блоке преобразователей информации, обрабатываются на электронной вычислительной машине (ЭВМ) или в более простых логических устройствах с целью формирования сигналов управления, подаваемых на манипуляционные устройства и средства передвижения робота.
В роботах датчики вместе с преобразователями информации и ЭВМ составляют сенсоры, которые "очувствляют" манипуляционный робот. Вследствие этого робот действует с учетом фактической обстановки, т.е. он получает возможность адаптации (приспособляемости) к реально складывающейся обстановке. Таким образом, для адаптивных роботов объекты действия могут быть произвольно ориентированы в пространстве, внешняя среда — частично изменяться.
В 1961 г. в США аспирантом Массачусетского технологического института Эрнстом было разработано устройство, которое получило название "рука Эрнста". Это устройство [40] представляет собой робот, на захвате которого установлены: контактные (тактильные) датчики, сигнализирующие о нахождении объекта между губками захвата, о контакте объекта с внешними поверхностями губок, о соприкосновении манипулятора с полом; фотодиоды, реагирующие на темные объекты; датчики усилия, определяющие положение объекта в захвате и степень его сжатия.
Информация с датчиков обрабатывается ЭВМ, связь ее с механической частью системы и датчиками осуществляется автоматической системой управления.
Этот робот способен собрать в коробку разбросанные в рабочей зоне манипулятора кубики различного размера. При этом программа предусматривает следующий порядок операций:
поиск коробки в рабочей зоне манипулятора; определение места нахождения коробки, положения ее относительно захвата, а также ее размера по отношению к максимальному раскрытию захвата (предусматривается также перемещение коробки в определенное место рабочей зоны);
возвращение захвата в исходное положение для поиска кубиков по вполне определенной траектории (во время поиска робот периодически проверяет, не превышает ли высота нахождения захвата 50 мм высоту кубиков);
определение положения найденного кубика; захват найденного кубика; перенос кубика к коробке; опускание кубика в коробку;
возвращение захвата в позицию, в которой был обнаружен предыдущий кубик, продолжение поиска следующего кубика; при нахождении очередного кубика — действия с п. 4 программы. Каждая операция основной программы включает в себя в определенной последовательности подпрограммы, которые аналогичны некоторым стереотипам движений человеческой руки. После выполнения каждой подпрограммы робот оценивает информацию датчиков и на основании этого выбирает следующую подпрограмму.
Если человек вмешивается в процесс поиска и складирования кубиков, система способна решать логические задачи. Например, если в процессе поиска коробку переставляют на новое место по ходу движения захвата, робот обнаруживает ее, прерывает основную программу, относит коробку на прежнее место, а затем продолжает поиск кубиков по прежней основной программе.
Кроме подпрограмм "память", вычислительная машина робота хранит и некоторые модели реальных объектов внешней среды, например сведения о том, что коробка значительно больше каждого кубика и т.п.
Сведения, хранящиеся в "памяти" ЭВМ, составляют "внутренний мир" этого адаптивного робота, что позволяет ему действовать, приспосабливаясь к меняющейся обстановке.
Интегральные манипуляционные роботы — это роботы с искусственным интеллектом. Они имеют широкий выбор элементов "очувствления" средств распознавания образов, т.е. достаточно развитый сенсорный аппарат. Действуя по заранее составленной программе, они способны корректировать ее в соответствии с меняющейся обстановкой. Причем в процессе работы в изменяющейся внешней среде робот постоянно обучается, накапливая таким образом опыт действий, и в случае повторения ситуации решение будет уже стандартным.
Система управления интегральными манипуляционными роботами имеет сложную структуру, состоящую из нескольких уровней. На первом уровне производится управление приводами манипулятора и средствами передвижения. Второй уровень — формирование сигналов управления этими приводами; третий уровень — программирование операции, а последующий — планирование комплекса операций и т.Д.
Биотехнические манипуляционные роботы — это роботы, в систему управления которых включен человек-оператор. Их подразделяют на командные и копирующие.
Командные манипуляционные роботы управляются оператором дистанционно с командного устройства нажатием кнопок или давлением на управляющую рукоятку.
Кнопочный режим управления мало эффективен, так как он предполагает поочередное включение отдельных приводов манипуляционного устройства для управления им. В каждый момент времени можно управлять лишь одним приводом манипулятора. Для одновременного управления несколькими приводами (обычно двумя) необходима длительная тренировка оператора. Выполнение операций в этом режиме требует значительного времени.
Командное управление от рукоятки позволяет задавать направление перемещения захвата робота. При этом специальная вычислительная машина распределяет управление по приводам звеньев манипуляционного устройства таким образом, чтобы реализовывались задаваемое оператором движение захвата и его угловая ориентация.
Представление о движении звеньев манипуляционного устройства командного робота и о правильности выполнения им операций оператор получает с помощью средств отображения информации.
Недостатком командных манипуляционных роботов является невысокая точность при выполнении сложных операций. Также оказывается невозможным для одного оператора одновременное управление двумя манипуляционными устройствами робота.
В условиях повышенной радиации сложные электронные устройства системы управления способны работать в течение не более десятков минут. Это стало ясно при ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Несколько мобильных роботов зарубежных фирм оказались недееспособными уже после первых 10— 15 мин нахождения в зоне высокой радиации.
Разработанные в 1986 г. в МГТУ им. Н. Э. Баумана биотехнические мобильные роботы с командным управлением на базе релейных контактных элементов автоматики показали высокую работоспособность в таких условиях, и их ресурс работы составил сотни часов. Для выполнения работ по ликвидации последствий аварии на Чернобыльской АЭС были созданы три образца мобильного робототехнического комплекса типа "Мобот" двух модификаций [49].
Мобильный робототехнический комплекс состоит из мобильного робота, поста оператора, линии связи и дополнительного оборудования. К основным системам мобильного робота относятся шасси, навесное оборудование, информационная система и система управления.
Мобильный робот (рис. 1.5) представляет собой гусеничное шасси 10 с установленным на нем навесным оборудованием, включающим в себя манипулятор 4, погрузчик фронтальный 12, барабан с кабелеу-кладчиком 5, а также информационную систему, состоящую из телевизионной и акустической частей, датчиков уровня радиации, и систему управления (описание ходовой части представлено в гл. 8).
Техническая характеристика мобильных робототехнических комплексов приведена в табл. 1.1.
В качестве навесного оборудования первоначально разработаны четырех-, а затем пятистепенной манипуляторы со сменными рабочими органами и фронтальный погрузчик с двумя степенями подвижности.
Выбранная кинематическая схема манипулятора и ее конструктивная реализация позволяют получить высокую грузоподъемность и необходимую зону обслуживания при его относительно небольших габаритных размерах и массе. Манипулятор оснащен сменными рабочими органами: ковшом-схватом с плоскопараллельным движением губок, трехпалым схватом и отбойным молотком I.
Исходя из требований, предъявляемых к фронтальному погрузчику мобильного робота, и анализа наиболее известных его схем разработана схема частичной разгрузки стрелы погрузчика с применением пружин 3, что позволило повысить его грузоподъемность на 40 %. Кроме того, в раму введены два упругих шарнира 2, что предохраняет ковш, элементы рамы и приводы фронтального погрузчика от перегрузок, действующих при работе ковшом на неровном основании [64].
С внешних сторон щек ковша фронтального погрузчика предусмотрены места для установки отбойного молотка. В случае необходимости работы отбойным молотком он откидывается в рабочее положение и после окончания работы возвращается в исходное положение.
В кормовом отсеке мобильного робота единым блоком установлен кабелеукладчик. Блок состоит из рамы, на которой размещается барабан со специально изготовленным кабелем. Последний с помощью специального устройства кабелеукладчика автоматически сматывается и наматывается на барабан. Скорость укладки кабеля на барабан синхронизирована со скоростью перемещения мобильного робота.
Входящее в информационную систему устройство технического зрения позволяет управлять движением робота, следить за укладкой кабеля, работой навесного оборудования. Устройство технического зрения состоит из курсовой и обзорной телекамер и мониторов, установленных на посту оператора.
Зрительная информация, получаемая оператором, может дополняться акустической, что позволяет более точно оценить работу навесных механизмов и всего робота.
Уровень мощности дозы радиации измеряется датчиком ИМД-2, закрепленным на конечном звене манипулятора. Текущие уровни дозы отображаются на цифровом приборе, установленном на столе оператора.
Командная система управления роботом состоит из бортового блока и пульта управления, расположенного на посту оператора. Бортовая система управления устанавливается в приборном отсеке мобильного робота. В нее входят блок питания и блок управления.
Из-за ограниченного количества информационных жил в кабеле линии связи для одновременной передачи нескольких команд (всего 32) применяется уплотнение каналов связи, что позволяет управлять одновременно несколькими исполнительными электроприводами мобильного робота. Для этого пульт управления содержит шифратор, а бортовой блок управления — дешифратор команд. Питание системы управления осуществляется от внешнего источника.
В дополнительное оборудование входят транспортно-посадочный модуль и полуавтоматическое сцепное устройство. Транспортно-посадочный модуль предназначен для транспортировки мобильного робота к месту работы на любом виде транспорта и обеспечивает предохранение его от боковых и вертикальных ударов и перегрузок. Полуавтоматическое сцепное устройство служит для установки мобильного робота в зону работ с высоким уровнем радиации и его эвакуации.
Эксплуатация образцов мобильных роботов показала, что они преодолевают уступы высотой 0,25 м, а в случаях острой необходимости с помощью навесного оборудования могут преодолевать пре-
пятствия высотой 0,3—0,4 м. Сила тяги на крюке при движении по бетонной поверхности составляет до 90—95 % силы тяжести мобильного робота.
Различная номенклатура навесного оборудования мобильного робота, а также применение разнообразных рабочих органов превращают его в многофункциональную машину, пригодную для выполнения широкого круга задач, возникающих при работе в экстремальных средах, а также позволяют решать различные технологические задачи в труднодоступных для человека местах.
Применение специального навесного оборудования или специального инструмента существенно расширяет возможности комплекса и позволяет использовать его в атомной, химической промышленности, строительстве, коммунальном хозяйстве, при ликвидации последствий аварий н стихийных бедствий, в том числе и на железнодорожном транспорте.
Оснащение комплекса вспомогательным оборудованием позволяет решать задачи, возникающие при транспортировке роботов к месту работы, их доставки в зону эксплуатации, а также их эвакуации.
Копирующий манипуляционный робот имеет задающий орган, геометрически подобный манипуляционному устройству. При этом способе управления привод каждого звена манипуляционного устройства вместе с соответствующим датчиком задающего органа образует дистанционную следящую систему. Еслн положение задающего органа и манипуляционного устройства не совпадают, то последнее стремится свести к нулю ошибку по положению. Таким образом, все звенья манипуляционного устройства повторяют положения соответствующих звеньев задающего органа, на который воздействует оператор. При управлении копирующим манипуляционным роботом оператору не надо заботиться о положении каждого звена манипулятора в отдельности, поскольку он выполняет операции в коде собственной руки, связанной с задающим органом.
Задающий орган может располагаться на значительном удалении от манипулятора. Поэтому такую систему можно использовать для работ в экстремальных условиях (космос, подводное пространство, радиоактивные, токсичные, взрывоопасные среды и т.п.). Между объектом действия и оператором должна существовать зрительная обратная связь с помощью устройств отображения информации.
Недостатком такого способа управления является необходимость накладывать ограничения на действия оператора по скорости и ускорению перемещения задающего органа, при превышении которых возможно несовпадение траекторий движения задающего органа и манипуляционного устройства, что ведет к ошибкам в управлении. При работе в таком режиме с двумя манипуляционными устройствами робота эффективность достаточно низкая, так как оператор все
время должен следить за тем, чтобы не выйти за пределы ограничений.
Для улучшения системы управления копирующим манипуляционным роботом его оснащают силовым очувствлением, т.е. вводят тракт отражения усилий, действующих на звенья манипуляционного устройства. При этом оператор однозначно или в некотором масштабе ощущает рабочие усилия, действующие на манипуляционное устройство. Таким образом создается естественность работы оператора с объектами действия, т.е. "эффект присутствия". Возможность для оператора ощущать усилия, действующие на манипуляторе, позволяет манипулировать с такими хрупкими предметами, как стакан и даже куриное яйцо, а также производить тончайшие операции, например вдевание нитки в иголку. Такие системы называют копирующими манипуляционными роботами с отражением усилий, или манипуляторами двустороннего действия.
Биотехнические манипуляционные роботы отличаются от автоматических отсутствием "памяти" и требуют непрерывного движения руки оператора в процессе управления в течение всего времени выполнения операции, использования интеллекта самого человека для выполнения тонких и сложных операций в неопределенной и меняющейся обстановке. Совершенствование биотехнических систем может проводиться в направлении передачи на некоторых этапах управления функций оператора электронной вычислительной машине.
Универсальным биотехническим роботом является система "Челнок" ("Shuttle") или КЛАМИ — космический летательный аппарат многократного использования, — созданный в США.
Проект разработан в двух вариантах. В первом варианте манипуляторы укреплены на транспортном средстве "Челнока". Второй вариант — "Челнок" со свободно летающим манипулятором [28].
Применение "Челнока” позволило существенно снизить стоимость доставки грузов в космос благодаря многократному использованию транспортного средства, открыло новые возможности для выполнения в открытом космическом пространстве таких работ как осмотр, заправка, ремонт и запуск искусственных спутников Земли. В случае необходимости "Челнок" может доставить на Землю спутник для ремонта, модернизации или повторного его использования.
В первом варианте на "Челноке" предусмотрены два одинаковых манипуляционных устройства, из которых одно должно использоваться для манипулирования грузами на орбите Земли, а другое — для выноса телевизионной камеры. Это устройство позволяет получить максимально широкий обзор рабочей зоны робота.
Основными задачами систем манипулирования являются: захват свободно летающих на орбите Земли грузов, стабилизированных в пространстве, управляемый перенос этих грузов к стыковочному устройству или в грузовой трюм; развертывание, ремонт и укладка сложных грузов; развертывание и запуск с "Челнока" космических объектов — искусственных спутников и др.
При этом манипулятор может оперировать грузами диаметром 4,5 м, длиной 18 м и массой 29250 кг, обеспечивая точность позиционирования +25 мм или +30'. Скорость манипулирования без груза — 0,9 м/с, с грузом массой 29 т — 0,24 м/с. Рабочая зона манипулятора представляет собой полусферу радиусом 19,4 м. Усилие захвата — примерно 45 Н.
Два идентичных манипуляционных устройства крепятся на стойках 1, на которых установлены приводы качания 3 и ротации 2 плеча 4 (рис. 1.6). В локтевом суставе расположен привод 5 качания предплечья 6. Приводы качания 7 и отведения 8 кисти 9 обеспечивают ее перемещение в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Предусмотрена также ротация кисти, осуществляемая приводом 10. Все приводы, включая привод 13 захвата 14, — электромеханические. Плечо и предплечье трубчатого сечения выполнены из сплава локаллой.
В транспортном положении манипуляционные устройства складываются и крепятся в грузовом отсеке замками.
На случай поломки манипуляционного устройства при работе в космосе предусмотрено пиротехническое устройство, установленное на фланце крепления плеча. Это устройство отстреливает неисправный манипулятор, чтобы дать возможность перевести "Челнок" в транспортное положение перед возвращением на Землю.
В проекте "Челнока" заложена идея проведения ремонта космических объектов, состоящих из сменных модульных подсистем. При выходе из строя одного из модулей можно достаточно простыми операциями произвести его замену, используя "Челнок". Если по каким-либо причинам невозможен ремонт в космосе, "Челнок" устанавливает искусственный спутник в грузовой отсек для транспортировки его на Землю.
Операции захвата, стыковки спутника и замены его модулей показаны на рис. 1.7. Захват спутника 1 осуществляется манипуляционным устройством 2, которое устанавливает спутник из положения А на систему стыковки 8 и удержания 7 в положение Б. Замена неисправного модуля спутника производится специальным манипулятором 6. Исправный модуль извлекается этим механизмом из магазина модулей 5.
Причаливание "Челнока" 4 к спутнику осуществляется системой маневрирования на орбите 3. Если ремонт спутника возможен только на Земле, то он устанавливается в транспортное положение В.
В проект заложены два варианта системы управления: в копирующем режиме с применением задающего органа, геометрически подобного манипулирующему устройству, с отражением усилий (копирующий манипулятор двустороннего действия) и система управления по скорости — в командном режиме с управлением от двух рукояток, одна из которых задает скорости линейного перемещения захвата (управление приводами 1,2, 3 и 5, рис. 1.6), а другая — угловые скорости для ориентации захвата (управление приводами 7, 8 и 10).
Станция управления расположена в кабине оператора "Челнока" и обращена к грузовому отсеку. Оператор может вести визуальный контроль за действиями манипуляторов в рабочей зоне либо непосредственно через иллюминаторы, выходящие в грузовой отсек, либо с помощью двух мониторов.
Визуальная система "Челнока" имеет четыре телекамеры. Одна камера установлена у передней стенки грузового отсека. Кроме ручного дистанционного управления, эта камера может автоматически следить за захватом, освобождая оператора от непрерывного ручного слежения камерой при манипулировании грузом. Другая камера с широкоугольным объективом 11 (см. рис. 1.6) установлена на кисти манипуляционного устройства и дает крупное изображение захвата и места захвата груза. Две камеры установлены в грузовом отсеке у мест крепления груза. Каждая камера имеет свой осветитель 12 (см. рис. 1.6). При разработке системы моделировалась система получения стереоизображения.
Второй вариант робота — "Челнок" со свободно летающим манипулятором — может использоваться для проведения работ на достаточно безопасном удалении манипулятора от транспортного корабля (для загрузки, выгрузки и ремонта спутников, разгрузки грузового отсека "Челнока", технического обслуживания и наблюдения за спутниками, сборки космических станций). Система двигателей свободно летающего манипулятора обеспечивает стабилизацию вращающихся и кувыркающихся космических объектов. Конструкция его обеспечивает работу с комплектом сменных манипуляционных или стыковочных устройств. Свободно летающий манипулятор управляется дистанционно со станции управления "Челнока" с использованием радиоканала связи.
Разработаны интерактивные манипуляционные роботы, т.е. роботы комбинированного управления. Копирующий или командный режим управления манипуляционным роботом целесообразен лишь в случаях проведения сложных нестандартных операций. В тех же случаях, когда такие операции чередуются с более простыми или часто повторяющимися, эффективнее их запрограммировать. При этом человек-оператор включает те или иные программы для работы в автоматическом режиме и иногда берет управление на себя. Различают следующие типы управления [28]:
автоматизированное управление, которое предполагает чередование во времени автоматических циклов управления с биотехническими. Комплекс операций разделен на части. Те из них, которые способен выполнить робот, осуществляются им автоматически, а остальные выполняет оператор;
супервизорное управление, при котором комплекс операций выполняется роботом в автоматическом режиме, но переход от одной группы операций к другой производит оператор. В этом случае функции оператора сводятся к работе в качестве супервизора, т.е. к выработке стратегии работы и контроля за действиями робота;
диалоговое управление, отличающееся большим разнообразием способов активного общения человека-оператора и ЭВМ при управлении роботом. При этом робот может относиться к любому типу автоматических манипуляционных роботов, а оператор взаимодействует с ним на языке любого уровня.
При комбинированном управлении человек и ЭВМ действуют совместно. Машина избавляет оператора от усталости, ошибок, опасностей. Человек использует возможности своего мозга и системы чувств для эффективного управления роботом-манипулятором.
Механические манипуляторы. Эти манипуляторы предназначены для работы с радиоактивными, взрывоопасными, токсичными материалами и устройствами.
Механический манипулятор — устройство, дистанционно управляемое человеком-оператором и предназначенное для имитации рабочих функций кисти руки человека. В манипуляторе передача мускульной энергии оператора от задающего органа к исполнительному происходит без существенных преобразований через механические или магнитомеханические передачи. Исполнительный орган располагается в опасной для человека зоне (в горячей камере, вытяжном шкафу, боксе и т.п.), где необходимо манипулировать материалами высокой активности. Задающий орган расположен вне зоны за разделительной стенкой (защитой). Оператор воздействует на задающий орган. При этом исполнительный механизм повторяет все движения задающего органа. Таким образом обеспечивается возможность проведения необходимых манипуляций с предметами, находящимися в опасной для человека зоне [4].
Механические манипуляторы с гибкими связями между задающим и исполнительным органами применяют в исследовательских и производственных лабораториях. Их грузоподъемность 3—16 кг. В качестве гибких связей для передачи движений применяют стальные канаты, металлические ленты или ленты с короткими вставками из приводных втулочно-роликовых цепей.
Механические манипуляторы с жесткими кинематическими связями между задающим и исполнительным органами применяются для ремонтных и реже для технологических операций. Их грузоподъемность составляет от 20 до 50 кг.
Герметичные магнитомеханические манипуляторы используют для выполнения технологических операций. Грузоподъемность таких манипуляторов 3—5 кг, их применение не нарушает герметизацию рабочей камеры, так как передача усилий на исполнительный орган происходит через герметичную перегородку бесконтактным способом с использованием магнитных муфт.
Рассмотрим схему герметичного магнитомеханического манипулятора М-38 (рис. 1.8). Он состоит из задающего 8 и исполнительного 1 телескопических органов. Задающий орган с помощью тяг и лент 5 связан с узлом ведущих магнитных полумуфт 6. Он установлен на мосту 7, который передвигается вдоль камеры по направляющим, установленным вне камеры. Исполнительный орган жестко связан с узлом ведомых магнитных полумуфт 3. Узлы магнитных полумуфт образуют связующий орган, который разделен потолком камеры — герметичной немагнитной перегородкой 4. Исполнительный орган вместе с узлом ведомых магнитных полумуфт опирается на мост 2, перемещающийся внутри и вдоль камеры.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
