1.1. Классификация по кинематической схеме

Решая задачи производства, рабочий орган манипулятора промышленного робота совершает требуемые движения, транспортируя объект или выполняя технологическую операцию. Перемещение рабочего органа осуществляется исполнительным механизмом, являющимся механической частью исполнительного устройства промышленного робота. Исполнительный механизм (ИМ) представляет собой систему твердых упругих тел, соединенных между собой. Эти твердые тела, являясь функциональными элементами кинематической цепи промышленного робота, называются звеньями.

Соединение звеньев механической системы в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар. В большинстве своем это пары вращательные или поступательные, обеспечивающие одну степень свободы. Совокупность некоторого числа подвижных звеньев обеспечивает механизму определенное число степеней подвижности.

Кинематическое звено – совокупность жестко соединенных друг с другом тел, входящих в состав механизма, в данном случае в состав манипулятора. Входное кинематическое звено – это звено, получающее независимое, заданное движение.

Конструктивно звенья могут быть образованы несколькими деталями, неподвижными относительно друг друга. Неподвижное звено принято называть основанием или стойкой. Звено же, которому передастся движение для преобразования исполнительным механизмом в необходимые движения других звеньев – входное. Звено, реализующее движение, для выполнения которого предназначен ИМ, называют выходным или конечным. Максимальное количество таких звеньев определяется числом степеней подвижности исполнительного механизма. Между входным и выходным звеньями находятся промежуточные звенья.

Движения звеньев манипулятора (М) по заданным траекториям невозможны без наложения на их определенные точки, линии или поверхности пространственно-кинематических связей, объединяющих эти звенья в кинематическую цепь.

Кинематическая цепь – это совокупность кинематических звеньев, подвижно соединенных друг с другом с помощью кинематических пар. Если в кинематической цепи есть кинематические звенья, входящие в одну кинематическую пару, то такая цепь называется разомкнутой, а если же каждое звено входит как минимум в две кинематических пары, то это замкнутая кинематическая цепь.

Кинематическая пара – подвижное соединение двух кинематических звеньев, допускающее их вполне определенное движение относительно друг друга.

Кинематические пары делятся на пять классов. Класс пары определяется числом связей. Разность между возможным числом степеней свободы кинематической пары W в прямоугольной системе координат и числом условий связи (W-5) определяет ее подвижность. Число возможных степеней свободы в прямоугольной системе координат равно шести (3 поступательных движения в направлении 3-х осей координат и плюс 3 вращательных вокруг этих осей). Итак, требуемое перемещение объекта в пространстве с заданной ориентацией реализуется кинематической структурой, образованной кинематическими цепями манипулятора.

В соответствии с реализацией выделенных ранее групп движений (глобальные, региональные и локальные) в манипуляторе выделяют и соответствующие системы. Это система передвижений, свойственная только мобильным роботам, и манипуляционная система. При этом в манипуляционной системе две различные по функциональному назначению кинематические цепи: рука и кисть.

Под «рукой» понимают ту часть манипулятора, которая обеспечивает транспортирующие перемещения (региональные движения), а под «кистью» – ориентирующие, т.е. звенья и пары которой обеспечивают ориентацию схвата (его локальные движения).

Для транспортирования выходного звена в любую точку рабочего пространства по заданной траектории и с заданной ориентацией необходимо, чтобы механизм манипулятора имел не менее шести управляемых степеней подвижности. Однако в этом случае данная автоматическая система будет весьма сложная и дорогостоящая, как с конструктивной, так и с эксплуатационной точек зрения. Поэтому в тех случаях, когда производственные задачи могут решаться с использованием более простых машин, применяют механизмы с меньшим числом степеней подвижности – тремя, а иногда и двумя.

По кинематической схеме промышленные манипуляционные роботы подразделяют на следующие.

1. Робот с линейной системой координатных перемещений имеет, как показано на рис.1.1, прямоугольную, или декартову, систему координат. Рассматриваемый манипулятор ПР имеет три линейных степени подвижности, реализованных одноподвижными поступательными кинематическими парами. Такая система перемещений обеспечивает прямолинейное движение рабочего органа М в трёх взаимно перпендикулярных направлениях. Основание робота представляет собой корпус, выполненный в виде балочной, мостовой или портальной конструкции. По его направляющим поступательно перемещается в одном из горизонтальных направлений узел, реализующий вертикальное перемещение рабочего органа. Вертикальное перемещение относительно стойки (или колонны), совершающей горизонтальное движение относительно корпуса, выполняет подвижно закрепленная на ней тележка (или каретка). Второе горизонтальное перемещение рабочего органа в направлении, перпендикулярном движению стойки, обеспечивает «рука» манипулятора, совершающая движение относительно закрепленной па стойке тележки. Форма рабочего пространства, ограниченного крайними положениями рабочего органа, называемого рабочей зоной, представляет собой прямоугольный параллелепипед.

Рис.1.1. Схема робота с прямоугольной системой координат

Простота и свойства системы линейных координатных перемещений манипуляторов с прямоугольной системой координат (удобство обслуживания рабочей зоны, относительно высокая жесткость) обеспечили использование таких ПР в стесненных условиях, в подвесном исполнении и при необходимости обеспечения высокой точности. Примерами могут служить обслуживание основного технологического оборудования (металлорежущие станки) и сборочных операций. Несмотря на все их преимущества (сравнительная простота манипулятора и его программирования), эти промышленные роботы используются сравнительно редко. Их недостатки это – увеличение габаритов при относительно малом объеме рабочей зоны, увеличение длительности циклограммы процесса. Как правило, для выполнения подобных работ используют каретки, подвешиваемые на направляющих, либо используют портальные конструкции.

2.Робот с цилиндрической системой координат имеет одну вращательную и две поступательные подвижные кинематические пары для реализации необходимых степеней подвижности, как показано на рис.1.2. Они образуют полярную систему координатных перемещений. В отличие от предыдущей схемы манипулятора с линейно системой координатных перемещений, у рассматриваемого колонна не перемещается относительно корпуса горизонтально, а совершает поворот вокруг своей оси. Остальные степени подвижности реализуются, как и в предыдущем случае. Форма рабочей зоны такого манипулятора ПР представляет собой полый цилиндр.

Рис. 1.2. Схема робота с цилиндрической системой координат

Удобство конструкции и программирования способствовало более широкому распространению таких манипуляторов с полярной системой координатных перемещений. Эта система позволяет обслуживать рабочее пространство с большим объемом и облегчает планировку и компоновку рабочих мест и оборудования при создании робототехнических комплексов. Однако у этой системы координатных перемещений есть и недостаток. Им является затруднение обслуживания технологического оборудования, расположенного на небольшой высоте.

3. Робот со сферической системой координат, схема которого представлена на рис. 1.3, имеет две вращательные подвижные кинематические пары и одну поступательную. В отличие от предыдущей схемы, в рассматриваемой еще одна поступательная