Уварова Н.П., Яковлев И.А., Рукавицын А.Н.

Юго-Западный государственный университет

 

МАНИПУЛЯТОРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ РУКИ РОБОТОВ

 

В настоящий момент в промышленности всё меньше и меньше используется ручной человеческий труд. Стремительными темпами автоматические робототехнические комплексы и системы вытесняют низко производительный, некачественный, дорогой в экономическом плане  труд десятков, а то и сотен рабочих. Сегодня мы нередко сталкиваемся с ситуацией, когда человек в силу своих ограниченных физических и психических качеств, становится тормозом на пути развития производства, вынуждает оплачивать своё присутствие у печи или в цехе расходами на создание приемлемых условий труда. Роботизация снимает эти ограничения и тем самым открывает пути к качественным преобразованиям в сфере производства.

Промышленное использование достижений развития робототехники можно рас­сматривать в аспекте решения двух задач: создание базовых моделей и моди­фикации промышленных роботов, объединенных в оптимальное по функциональным и технико-экономи­ческим показателям, отраслевые типоразмерные ряды; построение на этой основе переналаживаемых робототехнических систем различного назначения, удовлетворя­ющих потребностям конкретных отраслей. Такие системы являются открытыми, развивающимися, гибкими и универсальными. Свойство открытости предусма­тривает их расширение по горизонтали за счет включения новых функциональ­ных элементов и по вертикали за счет наращивания уровней управления более высокого ранга при интеграции отдельных подсистем — технологических и обслу­живающих.

Высокая гибкость робототехнических систем (РТС) обеспечивается резким повышением производитель­ности труда на основе автоматизации и комплексирования всех средств произ­водства, а также конструкторской и технологической его подготовки; связью всех единиц автоматического технологического оборудования в единый произ­водственный комплекс с помощью автоматизированных транспортно-складских систем и роботизированных участков комплектования; широким использованием микропроцессоров и приближением мини - и микроЭВМ с видеотерминалами к рабочим местам всего обслуживающего персонала; унифицированным модуль­ным составом всех компонентов гибких робототехнических систем; принудитель­ной синхронизацией работы всех компонентов робототехнической системы от ЭВМ; программируемостью технологии, управления и конфигурации всего ком­плекса технических средств РТС.

Возможность формирования из ограниченного числа компонентов с рацио­нально выбранными функциями различных по назначению РТС, легко перена­лаживаемых за счет перепрограммирования, диспетчирования материальных по­токов, замены или добавления новых элементов обеспечивают универсальность робототехнических систем [2].

В цехах безлюдного завода можно установить станки, не нуждающиеся в эстетическом оформлении. Это почти на треть сократит себестоимость станков [1]. Понадобится значительно меньше металла, пластмасс, других материалов. Оператор, удалённый от станка, будет находиться в комфортабельных условиях, станки тогда можно располагать прямо на полу, а не поднимать их станину на уровень рук человека, на что сейчас идёт немало металла. В автоматическом цехе можно снизить не только общие требования к эстетическому оформлению, но и к воздушной среде цеха, существенно сократить и реорганизовать его площадь и объём. Такой цех совсем не обязательно не только проветривать (вспомним дорогостоящую систему вентиляторов), но и освещать, ведь робот может использовать ультразвуковое или инфракрасное зрение.

При многих механосборочных, отделочных, предварительной обработки деталей операциях применяются промышленные роботы-автоматы. Робот- манипулятор имеет "механическую руку" (одну или несколько) и вынесенный пульт управления или встроенное устройство программного управления, реже ЭВМ. Он может, например, перемещать детали массой до нескольких десятков килограмм в радиусе действия его "механических рук" (до 2 м), выполняя от 200 до 1000 перемещений в час.

Промышленные роботы - автоматы имеют преимущество перед человеком в скорости и точности выполнения ручных однообразных операций.

Наиболее распространены роботы манипуляторы с дистанционным управлением и "механической рукой", закрепленной на подвижном или неподвижном основании. Оператор управляет движением манипулятора, одновременно наблюдая её непосредственно либо на телевизионном экране; в последнем случае. Роботы снабжается "телевизионным глазом" - передающей телевизионной камерой. Часто робот оснащают обучающейся автоматической системой управления. Если такому роботу "показывают" последовательность операций, то система управления фиксирует всё в виде программы управления и затем точно воспроизводит при работе.

С помощью манипулятора можно захватывать предмет, находящийся за защитной стенкой, перемещать и поворачивать его. Манипуляторы пантографического типа с механическим приводом (копирующий манипулятор) точно воспроизводит движение руки оператора. Угловая ориентация копирующей «руки» и движения, имитирующие сжимание и захват, передаются гидравлическим приводом или тросами, идущими от управляющей рукоятки к копирующей «руке». Для дистанционного управления на большом расстоянии от оператора применяются манипулятор, управляющее и копирующее плечи которых связаны между собой электрически.

Роботы манипуляторы используют для работы в условиях относительной недоступности либо в опасных, вредных для человека условиях, например в атомной промышленности, где они применяются с 50-х гг. XX века. Тогда же, в 60-х гг. появились подводные роботы манипуляторы разнообразных конструкций и назначения: от глубоководных управляемых аппаратов с "механическими руками" (в частности, для захвата образцов породы со дна моря и т. д.) и ползающих, по морскому дну, платформ с исследовательской аппаратурой до подводных бульдозеров и буровых установок. Сегодня, космическая робототехника - важнейший компонент очередного этапа развития космонавтики.

К нему относит­ся, прежде всего, конечно, изучение и ос­воение дальнего космоса, ближайших планет и Луны.  Космическая робототех­ника открывает перспективы создания принципиально новых космических объ­ектов и систем, в том числе и в околозем­ном пространстве, ориентированных на новые возможности, которые предостав­ляет робототехника. Различают три основных типа кос­мических роботов: для обслуживания космических аппаратов внутри, снаружи и свободно летающие роботы. В такой же последовательности возрастают как внешние экстремальные условия, так и требуемые от роботов функции. Послед­ние ограничиваются, прежде всего, интел­лектуальными возможностям и роботов, особенно учитывая необходимость обес­печения предельно высокой надежности выполнения операций в космосе и исклю­чения по возможности влияния "челове­ческого фактора" Пожалуй, самым известным приме­ром применения робототехники в космосе являются манипуляторы для обслужива­ния многоразовых космических кораблей. На рис.1 схематически показано раз­мещение созданной в ЦНИИ РТК системы двух таких манипуляторов на многоразовом космическом корабле "Буран".

В состав системы входят два шестистепенных шарнирных манипулятора длиной 15 м, размещенных по бортам ко­рабля с двух сторон грузового отсека, устройство управления с пультом управ­ления, две передающих телекамеры со светильниками, имеющих две степени подвижности и управляемые с пульта управления манипуляторами.

Рис.1 Размещение системы манипуляторов на космическом корабле «Буран»: 1- манипуляторы; 2 - устройство управления; 3 - подвижные передающие телекамеры; 4 - ложементы; 5 - полезный груз

 

Оба манипулятора идентичны (см. рис.2) и закреплены своими корнями  на корпусе корабля. В транспортном положении они крепятся на трех ложе­ментах 2. Манипулятор состоит из трех звеньев: плечевого 3, локтевого 4, кисте­вого 5 и захватного устройства 6.

Рис.2 Манипулятор:

1 - корень манипулятора; 2 - ложементы; 3 - плечевое звено; 4 - локтевое звено; 5 - кистевое зве­но; 6 - захватное устройство; 7 - шарнир рыскания плеча; 8 - шарнир тангажа плеча; 9,11- со­единительная труба; 10 - шарнир тангажа локтя; 12 - шарнир тангажа кисти; 13 - шарнир рыска­ния кисти; 14 - шарнир ротации кисти; 15 - телекамера; 16- светильник; 17- такелажный эле­мент; 18 - объект манипулирования; 19- такелажный элемент плечевого звена

 

Плечевое звено состоит из последо­вательно расположенных шарнира рыска­ния плеча 7, шарнира тангажа плеча 8 и соединительной трубы 9. Локтевое звено включает шарнир тангажа локтя 10 и со­единительную трубу II. Кистевое звено состоит из шарниров тангажа 12, рыска­ния 13, ротации 14 и захватного устройст­ва 6. Па шарнире ротации кистевого звена закреплены телекамера 15 и светильник 16. Все шарниры выполнены по единой схеме и включают электрический двига­тель постоянного тока с тахогенератором и электромагнитным тормозом, четырех­ступенчатый редуктор с предохранитель­ной моментной муфтой [3].

Рассматривая историческую сторону вопроса, то одной из первых областей применения манипуляторов стала атомная физика. Дело в том, что многие материалы, с которыми приходится иметь дело в этой области науки, обладают радиоактивностью – свойством выделять в окружающее пространство опасные для здоровья человека лучи. Механические руки стали устанавливать там, куда доступ человека нежелателен, а сам он, управляющий руками, располагался в другом, безопасном помещении. Можно сказать, что в этих копирующих манипуляторах была использована та же идея, что и в известных всем куклах – марионетках. Оператор, работающий на манипуляторе, рукой приводит в движение управляющий механизм, звенья которого соединены с соответствующими звеньями исполнительного механизма, повторяющего все движения руки оператора [1].

При работе с радиоактивными веществами расстоянии от оператора до исполнительных рук манипулятора может доходить до десятков метров, при работах в подводном мире – до тысяч метров. При применении манипуляторов в космическом пространстве это расстояние будет измеряться сотнями тысяч, миллионами километров. Надёжное и точное управление на значительном расстоянии – вот первое требование, которое предъявляют к любой конструкции копирующего манипулятора. Первое, но не единственное.

Каждый робот рассчитан на выполнение той или иной работы, которая и определяет его конструкцию, размеры, степень подвижности, число рук и пальцев на руке, грузоподъёмность, точность движения и т.д. Независимо от того, стоит ли робот возле станков, передвигается между ними или ползает под потолком, у него всегда есть мощная механическая рука с двумя или четырьмя пальцами. Роботы отличаются один от другого общим видом, габаритами и техническими характеристиками, но у них есть и общие признаки.

На рис.3 изображена структурная схема такого робота. Рукой управляет либо оператор с пульта, либо мозг робота – его ЭВМ. В блоке памяти находится программа действий робота, которую вводят в него или которую он приобретает во время обучения [1].

Общий блок управления электрическими, гидравлическими или пневматическими двигателями, расположенными в плече руки, предплечье, в кисти, состоит из цепей управления движением руки по каждой из координатных осей. Сколько степеней свободы у руки, столько и цепей управления.

Робот – манипулятор, встав на рабочее место, согласовывает свою работу с обслуживаемым технологическим оборудованием. Движения руки точные, повороты строго рассчитаны во времени. Робот с оборудованием образует автоматизированную ячейку. Из таких ячеек составляют робототехнологические комплексы или линии. Одно из наиболее распространённых занятий роботов – манипуляторов – окраска изделий. Окрашивают обычно способом набрызгивания. Чтобы защититься от вредного действия распыляемой краски, приходится работать в специальной маске, а рабочую зону оборудовать специальными защитными устройствами. Это сложно, дорого и все равно небезвредно для человека. Если же окраску изделий поручить манипулятору, а управление им человеку, это оздоровит условия работы и повысит производительность труда [1].