автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.05, диссертация на тему:Циклоидальные манипуляторы



САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ - , , ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

/

г

'(У

' ¿г! г,, №>

У10 СП

//И,С У/;.

---наук

ления--ВАК России

~~........^

||

—

На правах рукописи

НИКИФОРОВ Семён Очирович

ЦИКЛОИДАЛЬНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ: ОСНОВЫ ТЕОРИИ

Специальность 05.02.05 - роботы, манипуляторы и

робототехнические системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1999

Оглавление

Охр

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................6

1. ОСНОВНЫЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ И КИНЕМАТИЧЕСКИ СООТНОШЕНИЯ МЕХАНИКИ ЦИКЛОИДАЛЬНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ...........................................................................27

1.1. Качественные особенности траекторий рабочих органов роботов и цикловым программным управлением......................27

1.2. Особенности формирования и топология циклоидальных траекторий....................................................................33

1.3. Кинематический анализ траекторий....................................44

1.4. Кинематические схемы исполнительных манипуляторов..........49

1.5. Топологические методы анализа циклоидальных манипуляторов............................................................................54

1.5.1. О методе перечисления графов циклоидальных механизмов..............................................................54

1.5.2. Матрично-кодовый метод анализа и синтеза компоновочных структур..................................................57

1.6. Характеристика быстродействия и регулирования времени «выстоя» циклоидальных манипуляторов..............................65

1.7. Особенности точностного обоснования циклоидальных манипуляторов...................................................................69

1.8. Задачи перемещений через заданные точки при использовании циклоидальных манипуляторов..................................71

Выводы по главе 1.....................................................................74

2. РОТОРНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ С ЧИСЛОМ ЗВЕНЬЕВ БОЛЬШЕ ДВУХ, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДОВ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И ПРИЕМОВ УЛУЧШЕНИЯ УСЛОВИЙ ЗАХВАТЫВАНИЯ......76

2.1. Схемные методы задания ориентации захватывания устройств и изменения конфигурации и параметров....................78

2.2. Задание и регулирование интервалов выстоя при размыкании и замыкании кинематических цепей циклоидальных

манипуляторов...............................................................91

2.3. Задачи механики захватывания и переноса объектов циклоидальными манипуляторами............................................97

Выводы по главе 2.....................................................................108

3. ЗАДАЧИ ДИНАМИКИ МЕХАНИЗМОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИХ ЦИКЛОИДАЛЬНЫХ МАНИПУЛЯТОРОВ.................110

3.1. Постановка задачи и выбор расчетных моделей......................113

3.2. Импульсные режимы движения манипуляторов.....................128

3.2.1, Оптимизация разгонно-тормозных импульсов для плоского двухзвенника...........................................134

3.2.2. Определение динамических коэффициентов влияния плоского трехзвенника...........................................139

3.3. Взаимосвязь моментов приводов шарнирных циклоидальных манипуляторов........................................................144

3.4. Структурно-матричный метод компенсации динамических ошибок робота..............................................................147

3.5. Целенаправленные управляемые движения шарнирных ма-нипуляторных систем......................................................155

Выводы по главе 3.....................................................................161

4. ОРНАМЕНТИРОВАНИЕ И ПОКРЫТИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЦИКЛОИДАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ.....................163

4.1. Особенности орнаментики монголоязычных народов..............165

4.2. Преобразования при орнаментировании на основе использования свойств симметрии..............................................168

4.3. Геометрия орнаментики...................................................169

4.4. Орнаментальные фигуры, которые строятся на основе циклоидальных кривых........................................................170

4.5. Пути использования циклоидальных механизмов в компью-теризиванных системах воспроизведения орнаментов.............179

4.6. Возможности использования циклоидальных механизмов в установках для сплошного покрытия поверхностей................ 182

4.7. Принципы построения периодических структур орнамен-

тальных изображений......................................................188

4.8. Принципы построения технических средств воспроизведения орнаментов.............................................................191

4.9. Реализация управления циклоидальных воспроизводящих манипуляторных устройств..............................................193

4.10.Автоматизация проектирования механизмов для орнаментирования плоских поверхностей.......................................198

Выводы по главе 4......................................................................207

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ

ТОЧНОСТИ МАНИПУЛЯТОРОВ............................................209

5.1. Постановка задачи и модели первичных ошибок....................210

5.2. О процессе формирования точностных показателей ПР............214

5.3. Кинематические точностные модели ПР..............................220

5.3.1. Детерминистские модели.........................................223

5.3.1.а. Характеристика метода главных кинематических осей..............................................224

5.3.2. Вероятностные модели............................................227

5.4. Точностные показатели антропоморфных манипуляторов

без двигательной избыточности.........................................231

5.4.1. Оптимизация вероятностных характеристик погрешности позиционирования двухшарнирного манипулятора.............................................................. ..232

5.4.2. Определение дисперсии погрешности позиционирования.................................................................233

5.4.3. Детерминированный анализ точности двухзвенного (двухшарнирного) манипулятора..............................241

5.4.4. Главные смещения отклонения с хвата (главные линии точности)......................................................250

5.5. Влияние двигательной избыточности на эволюцию точностных показателей.......................................................... 254

5.5.1. Влияние «метрики» руки ПР на дисперсию погрешности позиционирования.........................................254

5.5.2. Детерминированный анализ поведения смещения схвага руки ПР при наличии двигательной избыточности..................................................................259

5.5.2 .а. Двухшарнирный манипулятор с поступательной парой на первом звене.....................259

5.5.2.6. Двухшарнирный манипулятор с поступательной парой на втором звене......................262

5.5.2 .в. Трехшарнирный манипулятор с постоянными длинами звеньев................................... 264

5.5.3. Вероятностный анализ поведения погрешности позиционирования исполнительных механизмов ПР с

избыточной степенью свободы..................................267

5.5.3.а. Двухшарнирная рука с первым телескопическим звеном...........................................267

5.5.3.6. Двухшарнирная рука со вторым телескопическим звеном..........................................273

5.5.3.в. Трехшарнирная рука с постоянными длинами звеньев............................................276

5.5.4. Мегрический точностный анализ исполнительных механизмов ПР.....................................................280

5.5.5. Погрешности углового ориентирования схвата (на примере ПР с антропоморфным манипулятором)....... 285

5.5.6. Использование моделей погрешностей при экспериментальных исследованиях ПР.................................288

Выводы по главе 5.....................................................................293

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................295

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...........................................................297

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.....................................................................319

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.....................................................................320

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Этап наиболее интенсивного развития робототехники как раздела науки о машинах приходился на вторую половину семидесятых - первую половину восьмидесятых годов. К этому же периоду относится начало теоретических и экспериментальных научных исследований в области робототехники в Бурятском институте естественных наук Сибирского отделения АН СССР (в последние годы отдел физических проблем Бурятского научного центра (ОФП БНЦ СО РАН)), где автор диссертации работает более двух десятков лет, возглавляя лабораторию роботов и непосредственно участвуя в выполнении работ по указанной тематике. Признание значительного вклада этого подразделения в развитие отечественной робототехники выразилось в частности, в том что БИЕН был включен в ряд общесоюзных программ по робототехнике восьмидесятых годов. К середине семидесятых годов относятся первые публикации автора по механике роботов [2, 3], выступления с докладами на всесоюзных и республиканских научно-технических конференциях. В те времена представлялось, что роботизация имеет блестящие перспективы во многих отраслях народного хозяйства и явится универсальным средством облегчения труда и повышения производительности производственных систем.

Однако за прошедшие полтора-два десятка лет время расставило все на свои места. Во всем мире робототехника как наука сохранилась и успешно развивается, однако в типаже промышленных роботов произошли существенные изменения. Вместо широкого спектра видов и разнообразия типажа явно выделились немногие группы, имеющие свои вполне определенные специфические признаки, роботы этих групп существенно различаются назначением и областями применения. На одном полюсе находятся манипуляционные роботы, от которых требуется высокий уровень универсальности, максимально широкие манипуляционные возможности, гибкость и адаптивность по отношению к воз -

можным изменениям условий работы и. возможно, признаки интеллегга.. imm роботы имеют сложные механизмы манипуляторов с большим числом степеней подвижности, развитые сенсорные системы со средствами технического зрения, они оснащены развитым программным обеспечением, имеют совершенные компьютерные устройства управления, в которых часто реализуются новые принципы, вплоть до интеллектуализации. Нередко для таких роботов практически отсутствуют жесткие ограничения по стоимости, они обычно очень дороги, проектируются под уникальные задачи, изготавливаются мелкими сериями и предназначаются для эксплуатации там, где без них обойтись нельзя. К их числу относятся роботы, предназна^^ыс для работы в экстремальных условиях, где абсолютно исключено пребывание человека (в космосе, га поверхности небесных тел, под водой), а также в некоторых особо ответственных производствах (где при выполнении одинаковых операций требуется высокая точность, а когда операции производятся вручную человек быстро утомляется и допускает ошибки, в частности, при монтаже миниатюрных элементов на печатные платы в микроэлектронике).

На другом полюсе - максимально простые fío конструкции, дешевые роботы или автооператоры с цикловым программным управлением, предназначенные или для самостоятельного выполнения единообразных, достаточно простых операций или для обслуживания быстродействующего технологического оборудования. Непосредственными предшественниками таких промышленных роботов являются автооператоры, достаточно широко распространенные до начала эры робототехники. Профессиональная пригодность таких роботов в значительной мере определяется способностью работы в невозможном для человека высоком темпе с тем, чтобы в максимальной степени использовать технологические возможности обслуживаемого быстродействующею оборудования.

Именно в существенном повышении быстродействия для таких роботов заключается серьезная проблема.. При традиционном принципе построения ма-/тяторов промышленных роботов с цикловым программным управлением

степени подвижности имеют свои собственные приводы с самостоятельными двигателями и передачами, причем при выполнении программных движений двигатели включаются и разгоняют подвижные части механизмов, а затем приводы тормозятся перед заданными точками позиционирования (в этих точках осуществляется короткий выстой для захватывания или освобождения переносимого объекта). В таких условиях представляет очень серьезные трудности уменьшение времени даже самых простых (имеющих малое число этапов) циклов до значений, меньших трех-четырех секунд, или повышение средних скоростей свыше одного метра в секунду. Проведенные исследования показали, что при любых типах приводов даже небольшое повышение показателей быстродействия по сравнению с этими величинами требует недопустимо большого увеличения мощностей двигателей приводов.

Различными коллективами ученых и конструкторов были предложены и частично реализованы разные способы значительного повышения быстродействия манипуляторов, предназначенных для воспроизведения простых движений в быстром темпе. В их числе - введение в механизмы энергетических рекуператоров, средств запасания энергии во время выстоя или преобразования энергии (из кинетической в потенциальную при торможении и из потенциальной в кинетическую при разгоне). Теория этих методов подробно разработана трудами В.В.Бабицкого [223] и других ученых Института машиноведения и ряда коллективов других организаций; это направление известно специалистам по многим публикациям. Теоретические исследования и исследования на макетах и экспериментальных образцах показали, что данные методы действительно дают возможность сокращать времена циклов в несколько раз. Однако переналадка на другие точки позиционирования представляет серьезные трудности, имеет место нежелательная высокая чувствительность по отношению ко многим влияющим факторам, снижающим надежность работы на этапах захватывания переносимых объектов и их освобождения. Поэтому ни один из этих и иных способов не является универсальным.

Автор, как руководитель лаборатории робототехники и как непосредственный исполнитель, вместе со своими сотрудниками и учениками в течение многих лет прорабатывал другой путь принципиального схемного, и технического решения проблемы значительного повышения быстродействия манипуляторов с цикловым программным управлением, основанный на построении механизмов, в которых ведущие звенья, приводимые во вращательное движение роторами нерегулируемых электродвигателей, совершают равномерное вращение с постоянными угловыми скоростями, а выходные звенья и передачи задают рабочему органу (в частности, захватному устройству) движения по траекториям, удовлетворяющим определенным ограничениям с мгновенными или длительными остановками в заданных точках позиционирования, такие манипуляторы принято называть роторными. Проще всего этот принции реализуется в механизмах, в которых производится сложение двух вращений вокруг параллельных осей, при этом траектории, воспроизводимые рабочим и органами, относятся к классу циклоид, поэтому такие роторные манипуляторы также называются циклоидальными.

Возможности значительного повышения быстродействия таких манипуляторов обусловлены тем, что роторы их двигателей не останавливаются и не реверсируются, а сокращение времени цикла достигается просто увеличением постоянных угловых скоростей за счет уменьшения передаточных отношений при не очень большом увеличении мощностей. Реализация подобной идеи означает частичный возврат к принципам построения узко специализированных механизмов с единственным приводом и с одной степенью подвижности, но способных воспроизводить движения по заданным, иногда довольно сложным траекториям с заданными законами изменения перемещений и скоростей.

Такие механизмы были изобретены давно и находили широкое применение в автоматическим технологическом оборудовании (станках-автоматах, а также в высокопроизводительных роторных линиях различного назначения) начиная с тридцатых годов. Теоретической основой проектирования подобных

механических систем является классическая теория синтеза механизмов, основы которой заложены еще в прошлом веке, но наиболее полно отражены в трудах И. И Артоболевского и его научной школы. В настоящее время эта теория продолжает развиваться и вышла на новый уровень в связи с развитием компьютерных методов автоматизированного проектирования.

Однако рассматриваемые в диссертации роторные манипуляторы новых поколений не являются классическими циклическими механизмами, лишь в самых простых вариантах они представляют собой механизмы с одной степенью подвижности и с одним нерегулируемым приводом. Роторные манипуляторы как правило должны сохранять обязательные и типовые для роботов свойства переналаживаемости, программируемости и адаптивности, что требует усложнения структур механизмов, использования нескольких приводов и самостоятельных систем автоматического управления.

Применение новых приемов (в частности, изменения структуры), усложнение кинематических схем, введение нескольких регулируемых приводов, необходимость коррекции движений, значительное увеличение динамических нагрузок при сохранении высоких требований к точности и надежности выполнения технологических и вспомогательных операций требует проведения целого комплекса системных и целенаправленных научных исследований механики движений многозвенных механизмов с разомкнутыми кинематическими цепями. Поэтому тема диссертации, посвященная проблеме создания научных основ методов расчета и проектирования таких высокопроизводительных, быстродействующих, надежных и относительно недоро