Основы робототехники


А. В. Титенок










                ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ




Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 681.5
ББК 32.816
     Т45




Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, проректор по перспективному развитию Брянского государственного технического университета Киричек А. В.;
доктор технических наук, профессор кафедры колесных машин Калужского филиала Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана СидоровВ. Н.




     Титенок, А. В.
Т45 Основы робототехники : учебное пособие / А. В. Титенок. - Москва ;
     Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 236 с. : ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0872-1

     Рассмотрены этапы эволюции промышленных роботов, даны основные конструктивные схемы, приведены характеристики и схемы систем управления, изложены сведения о механизмах и устройствах новой техники. Представлены сведения по применению промышленных роботов в машиностроении на конкретных примерах. Рассмотрена система безопасности труда операторов промышленных роботов.
     Для студентов среднего профессионального образования.

                                                          УДК 681.5
                                                          ББК 32.816












ISBN 978-5-9729-0872-1

     © Титенок А.В., 2022
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

        ОГЛАВЛЕНИЕ


        Предисловие......................................... 6
        Введение............................................ 7
        Основные понятия.................................... 8
        Принятые термины и определения...................... 9
Глава 1. Общие сведения о робототехнике...................... 10
        1.1. Ретроспектива промышленных роботов.............. 10
        1.2. Этапы роботизации и поколения роботов........... 13
        1.3. Классификация промышленных роботов.............. 22
        1.4. Перспективаробототехники........................ 25
        1.5. Аналоги промышленных роботов.................... 26
            1.5.1. Автооператоры............................. 26
            1.5.2. Манипуляционные роботы с ручным управлением.... 29
            1.5.3. Сбалансированные манипуляторы............. 30
            1.5.4. Краны с жестким подвесом груза............ 31
            1.5.5. Специальные манипуляторы.................. 31
        1.6. Номенклатура основных показателей ПР............ 32
        1.7. Системы координат ориентации роботов............ 41
        Контрольные вопросы к главе 1........................ 44
Глава2. Структурныеикинематическиесхемыманипуляторов........  45
        2.1. Степени подвижности и кинематические пары....... 45
        2.2. Критерии сравнения кинематических схем......... 46
        2.3. Манипуляторы с двумя степенями подвижности..... 50
        2.4. Манипуляторы с тремя степенями подвижности..... 54
        2.5. Схемы ориентирующих устройств................... 61
        2.6. Дополнительные степени подвижности.............. 64
        2.7. Модульные промышленные роботы................... 68
            2.7.1. Принципы модульного построения оборудования .... 68
            2.7.2. Модули промышленных роботов и их построение .... 71
            2.7.3. Примеры модульных роботов................. 77
        Контрольныевопросыкглаве2............................ 81
Глава 3. Управление движениями: от человека - к роботу....... 82
        3.1. Руки человека и робота.......................... 82
        3.2. ОбщаясхемаУДчеловека........................... 85
            3.2.1. Динамические уровниУД.................... 85
            3.2.2. Тактический уровень УД.................... 87
            3.2.3. Стратегический уровень УД................. 87
        3.3. Общая схема УД робота........................... 89
            3.3.1. Исполнительная система робота............. 89
            3.3.2. Управление и программирование роботов....  89
            3.3.3. Обучение промышленных роботов............. 89

3

            3.3.4. Цикловое управление....................... 92
            3.3.5. Управление от ЭВМ и интеллекгные роботы........ 93
                 3.3.5.I. УДрукиробота на основе сенсорной информации.................................. 93
                 3.3.5.2. Техническоезрение.................. 93
                 3.3.5.3. Методы программирования.............. 94
            3.3.6. Направление развития робототехники.......... 94
            3.3.7. Многозвенные управляемые манипуляторы....... 95
            3.3.8. Использование тактильной информации....... 98
                 3.3.8.I. Управление с тактильной обратной связью. 98
                 3.3.8.2. Управление с силовой обратной связью. 99
                 3.3.8.3. Анализ силовой информации......... 100
         3.4. Зрение промышленных роботов................... 101
            3.4.1. Применение систем технического зрения.... 101
                 3.4.1.1. Обеспечениевидимостиобъектов...... 102
                 3.4.I.2. Обработкаизображений в реальном времени......................... 102
                 3.4.I.3. Обеспечениедостоверностираспознования. 103
                 3.4.I.4. Адаптация к изменению класса распозноваемых объектов.................... 103
            3.4.2. Структура системы технического зрения.... 103
         3.5. Языки программирования промышленных роботов...... 105
         Контрольныевопросыкглаве3.......................... 107
Глава 4. Механизмы и элементы конструкций роботов........... 108
         4.1. Механизмы промышленных роботов................ 108
         4.2. Приводные механизмы промышленных роботов......... 109
            4.2.1. Пневматический привод промышленных роботов. 109
            4.2.2. Гидравлический привод промышленных роботов.. 117
            4.2.3. Электрический привод промышленных роботов... 122
            4.2.4. Комбинированные приводы промышленных роботов... 130
            4.2.5. Микроприводы промышленных роботов........ 132
            4.2.6. Техническая мышца - разновидность привода роботов............................................ 134
                 4.2.6.1. Мышцы человека....................... 134
                 4.2.6.2. Мышцы робота...................... 135
            4.2.7. Рекуперация энергии в приводах роботов...... 138
         4.3. Механизмы передач промышленных роботов........ 139
         Контрольные вопросы к главе 4......................... 145
Глава5.  Несущиеконструкциипромышленныхроботов................. 146
         Контрольные вопросы к главе 5......................... 149
Глава 6. Рабочие органы промышленных роботов................... 150
         6.1. Технологические рабочие органы................... 150
         6.2. Рабочие органы для сборки и разборки изделий.....   151
         6.3. Сварочные рабочие органы......................... 152

4

         6.4. Пневматическая очистка деталей машин.............. 154
         6.5. Рабочие органы для обработки изделий.............. 154
         6.6. Рабочие органы для нанесения покрытий на изделия.. 154
         6.7. Рабочие органы-дозаторы........................... 155
         6.8. Контрольно-измерительные рабочие органы........... 156
         Контрольные вопросы к главе 6.......................... 157
Глава 7. Процесс манипулирования объектами...................... 158
         7.1. Классификация объектов манипулирования............ 158
         7.2. Требования к робототехническому комплексу...... 160
         7.3. Концепция схвата - от человека к роботу........ 162
            7.3.1. Предметберетчеловек....................... 162
            7.3.2. Предмет берет робот....................... 168
         Контрольные вопросы к главе 7....................... 172
Глава8.  Захватывающие устройствапромышленныхроботов............ 173
         Контрольные вопросы к главе 8....................... 182
Глава 9. Роботизация производства............................ 183
         9.1. Механическая обработка металлов................ 183
         9.2. Кузнечно-прессовое производство................... 184
         9.3. Литейноепроизводство.............................. 185
         9.4. Особенности роботизации сварочного производства... 194
        9.5. Роботизация сборочных, окрасочных и складских операций................................. 200
         Контрольныевопросыкглаве9........................... 201
Глава 10. Безопасность труда операторов промышленных роботов.... 202
         10.1. Промышленные роботы с позиции охраны труда....... 202
         10.2. Требования безопасности к конструкциям роботов... 203
         10.3. Организация безопасного роботизированного труда.. 207
         10.4. Эксплуатационные требования к безопасности труда. 215
        10.5. Рекомендации операторам промышленных роботов по безопасности труда................................ 218
        10.6. Рекомендации операторам промышленных роботов поэлектрическойбезопасности.......................... 219
         10.7. Охрана труда в роботизированном производстве..... 230
         Контрольные вопросы к главе 10......................... 234

         Библиографический список............................... 235

5

        ПРЕДИСЛОВИЕ

     Учебное пособие создано на основе материалов дисциплины «Основы робототехники», по которой автор вел занятия для студентов специальности «Наземные транспортно-технологические средства».
     Учебное пособие состоит из десяти глав.
     В первой главе представлена общая концепция создания промышленных роботов. Во второй главе рассмотрены структурные и кинематические схемы манипуляторов - механических рук производства. Третья глава посвящена управлением движения в концепции - «от человека к роботу».
     В четвертой главе рассмотрены основные механизмы и элементы конструкций промышленных роботов. Пятая глава посвящена несущим конструкциям промышленных роботов. В шестой главе рассмотрены рабочие органы промышленных роботов. Седьмая глава посвящена процессу манипулирования технологическими объектами. В восьмой главе рассмотрены варианты захватывающих конструкций промышленных роботов.
     Девятая глава посвящена применению промышленных роботов в машиностроении на конкретных примерах.
     В десятой главе рассказывается о безопасности труда операторов промышленных роботов. Эта, последняя глава создана на основе материалов, применяемых автором в период работы в должности профессора кафедры «Безопасность жизнедеятельности и инженерная экология».
     В конце учебного пособия приведен список используемой и рекомендуемой литературы.
     Учебное пособие предназначено для студентов среднего профессионального образования и ориентировано на предметы, где промышленный робот рассматривается с позиции изделия, автоматизирующего производство.
     Задачи, решаемые в учебном пособии: систематизировать сведения о промышленных роботах; дать представления о манипуляторах, обосновать выбор кинематических схем; показать принцип модульности в роботизированном производстве; показать типовой пример применения промышленных роботов; ознакомить с системой управления охраной труда на роботизированном промышленном предприятии.

6

    ВВЕДЕНИЕ

     Робототехника - это наука и практика проектирования, производства и применения роботов.
     Первое научное определение роботов, как результат мнения 120 человек из 156 ученых-экспертов: «Подвижные системы, способные «обучаться» и прокладывать кратчайший путь на площадке с произвольно расположенными препятствиями к назначенной цели без столкновений» [1,с. 10].
     Современный робот - это «исполнительный механизм, программируемый по двум или более степеням подвижности, обладающий определенной степенью автономности и способный перемещаться во внешней среде с целью выполнения задач по назначению» [2, с. 5].
     Для автоматизации производственных процессов применяют промышленные роботы (ПР). Это эффективно в условиях многономенклатурного производства. Для него характерна частая смена выпускаемых изделий. При механической обработке деталей с использованием ПР автоматизируют технологические операции: установку заготовок в рабочую зону станка и контроль правильности их базирования; снятие обработанных заготовок со станка и размещение их в накопителе; передачу заготовок от станка к станку; перемещение заготовок в процессе обработки; смену инструментов.
     Область применения ПР определяется их компоновкой. Она определяется способом установки ПР на рабочем месте, системой рабочих координат, числом степеней подвижности его элементов. Характеристики, материал и масса заготовок влияют на выбор и технологическую структуру ПР, конструкцию вспомогательных устройств и схватов.
     Промышленный робот воспринимает окружающую среду с помощью сенсоров ; понимает и распознаёт окружающий его мир; строит модели собственного поведения для выполнения определённых ему технологических операций; воздействует на окружающий его материальный мир.

7

        ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

     Производственным (промышленным) роботом (ПР) назовём стационарную или мобильную автоматическую машину, управляемую компьютером и способную выполнять различные рабочие операции посредством манипулятора (М).
     Манипулятор - это механическая рука, выполняющая функции, аналогичные функциям человеческой руки, управляемая оператором или действующая автоматически.
     Робототехника - область науки и техники, ориентированная на улучшение условий труда человека и связанная с созданием, исследованием и применением роботов.
     Цель робототехники - создание и применение роботов для их использования в робототехнических системах разного назначения.
     Современная робототехника возникла на основе синтеза механики и кибернетики. Для механики это связано с развитием многозвенных механизмов типа манипуляторов, а для кибернетики - с развитием интеллектуального управления этими механизмами. В этом развитии заключаются задачи робототехники .
     Главными отличительными чертами роботов от традиционных средств автоматизации являются гибкость, адаптивность, интеллектность и универсальность.
     Гибкость роботов - это способность их управляющей системы быстро перестраиваться на выполнение новых операций путем перепрограммирования движений роботов в режиме обучения их управляющей системы.
     Адаптивность роботов характеризуется способностью быстро реагировать на внешние и внутренние возмущения и автоматически приспосабливаться к изменяющимся условиям функционирования.
     Эту способность определяют, прежде всего, средствами их «очувствления», т. е. количеством и характеристиками датчиков внутренней и внешней информации, а также алгоритмическим и программным обеспечением самонастройки (адаптации) управляющей системы.
     Интеллектность роботов заключается в их способностях решать задачи интеллектуального характера: анализ сложных изображений и сцен, распознавание образов, планирование движений и операций, диагностика состояний и т. п.
     Универсальность (многофункциональность) роботов позволяет решать не одну, а целый класс производственных задач.

8

        ПРИНЯТЫЕ ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

     Технологический промышленный робот - промышленный робот для выполнения технологических переходов, операций, процессов, оснащенный рабочим или измерительным инструментом.
     Вспомогательный промышленный робот - промышленный робот для обслуживания технологического оборудования, перемещения объектов, оснащенный захватным устройством.
     Специальный робот - это робот для выполнения одной операции одного вида.
     Специализированный робот - это робот для выполнения различных операций одного вида.
     Универсальный робот - робот для выполнения различных операций различных видов.
     Жесткопрограммируемый робот - робот, управляющая программа которого, введенная на этапе программирования, не может быть изменена в процессе работы в зависимости от функционирования робота и контролируемых параметров рабочей среды.
     Адаптивный робот - это робот, управляющая программа которого может автоматически меняться в процессе работы в зависимости от функционирования робота и (или) контролируемых параметров рабочей среды. Не следует смешивать понятия «адаптивный робот» и «очувствленный робот», который, обладая датчиками внешней информации, может не иметь средств автоматического изменения управляющей программы в процессе функционирования.
     Интеллектный робот - робот, управляющая программа которого может полностью или частично формироваться автоматически в соответствии с поставленным заданием и в зависимости от состояния рабочей среды.
     Манипуляционныйробот - робот для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека.
     Стационарный манипуляционный робот - манипуляционный робот, закрепленный на неподвижном основании.
     Мобильный робот - робот, способный перемещаться в рабочей среде в соответствии с управляющей программой. Мобильный робот может быть снабжен манипулятором. К мобильным роботам не относятся передвижные манипуляционные роботы, которые могут быть оперативно перемещены в рабочей среде вручную или при помощи транспортных средств с ручным управлением.

9

        ГЛАВА 1

    ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О РОБОТОТЕХНИКЕ




     1.1. Ретроспектива промышленных роботов
     Применительно к промышленности слово «робот» впервые использовал чешский драматург Карел Чапек (рис. 1.1) в своей фантастической пьесе «Россу-мовские универсальные роботы» - 1920 год.


Рис. 1.1. Карел Чапек

      Пьеса Карела Чапека пробудила всеобщий интерес к роботам. Начался настоящий бум роботизации, но «первыми роботами» были литературные герои. Так, в начале XX века наметился прогресс в создании роботов того вида, который характерен для них сейчас. Об этом свидетельствует и появление самого понятия «робот». Оно происходит от чешского слова robota, что означает принудительный труд. В английский язык это слово пришло из пьесы Карела Чапека, впервые показанной на сцене в 1921 г. Пьеса рассказывала о некоем Россуме,

10

основателе фабрики, на которой изготавливались андроиды, отличавшиеся чрезвычайно высокой работоспособностью. В пьесе Чапека роботы вначале пользуются большим спросом у промышленников, которые приобретают их для работы на своих предприятиях. Но благоденствие длится недолго. Роботы все более совершенствуются, даже приобретают способность самостоятельно мыслить, оставаясь в то же время абсолютно «бездушными». Впоследствии они восстанут против своих хозяев, и победят их.
      Сложилось представление о том, что роботы отличаются одной общей чертой: они горят желанием причинять зло людям. Один из персонажей пьесы Чапека высказывается о преимуществах роботов перед людьми: «Один робот заменяет двух с половиной рабочих. Человеческий механизм чрезвычайно несовершенен. Рано или поздно его нужно было заменить». Предводитель роботов Радий в заключение заявляет: «Власть человека пала. Захватив комбинат, мы стали владыками всего ... Наступила новая эра! Власть роботов!». Многие другие роботы, встречавшиеся на страницах научно-фантастических произведений в середине XX века, вели себя столь же недружелюбно по отношению к людям. Такими были первые роботы - литературные.
      Робот - друг или враг? Роботы, которые в свое время было принято изображать в виде механических созданий, враждебных человеку, появились сейчас в цехах производственных предприятий, освобождая рабочих от многих утомительных операций.
      Проблемой создания человекоподобных механизмов ученые и инженеры всерьез заинтересовались в 50-х годах 20-го столетия. С самого начала в центре внимания исследователей находились вопросы построения машин, способных, подобно рабочему выполнять разнообразные технологические операции на производстве.
      Здесь проявляется закономерность копирования действий человека при создании технических средств. Это, известное в истории науки и техники явление, позволяет делать выводы о начальной стадии процесса эволюции робототехники.
      Роботы, более 50 лет существовавшие лишь в воображении писателей-фантастов, настойчиво вторгаются в повседневную жизнь. На производственных предприятиях развитых стран прижились поколения промышленных роботов. Они позволяют эффективно выполнять самые разнообразные технологические операции, связанные с перемещениями обрабатываемых объектов и решением широкого спектра задач.
      В 1958 г. американская фирма «Пленит корпорейшен оф лансинд» изготовила одну из первых моделей механической руки, названной планоботом. Назначение этой руки - загрузка и разгрузка станков. Рука имела 45 программируемых положений кисти и запястья. В 1961 г. фирма «Дженерал электрик» изготовила хардимена (стойкого человека), который мог поднимать и переносить груз до 453,6 кг. Первые роботы марки «Версантран» были выпущены фирмой «Аме-рикэн мэшин энд фаундри» в 1962 г. в США.

11

     Одновременно возник термин «промышленный робот» (ПР), предложенный же этой фирмой. В то же время в США появились роботы «Юнимейт-1900», которые получили применение в автомобильной промышленности. Впоследствии появились роботы в других странах: СССР (ЭНИКМАШ) - 1966 г.; Великобритания (1967 г.); Швеция и Япония (1968 г.); ФРГ (1971 г.); Франция (1972 г.); Италия (1973 г.). Вместе с этим появились первые дистанционно управляемые руки - телехирики.
     В 1970-75 годы появились мобильные автооператоры с элементами искусственного интеллекта, управляемые от ЭВМ. Все эти данные - пример проявления закономерности одновременного появления схожих технических средств в разных странах.
     Александр Иванович Половинкин (рис. 1.2) - один из ярких представителей советских ученых и специалистов, занимавшихся прикладными проблемами искусственного интеллекта, исследователь закономерностей развития техники.


Рис. 1.2. Половинкин А. И.

      «История техники изобилует примерами, когда средства реализации новой потребности изобретают независимо и, можно сказать, одновременно в нескольких местах или странах. В связи с этим зачастую имеет мало смысла доказывать приоритет какого-то ученого в пионерном изобретении какого-либо ТО (технического объекта- А.Т.), поскольку более широкое (мировое) и детальное изучение истории вопроса позволяет найти других и более ранних авторов. При этом следует помнить, что мы никогда не сможем так глобально изучить вопрос,


12

чтобы можно было бы сказать, что на Земле выявлены все сопричастные к данному изобретению авторы, поскольку нередки факты отсутствия или уничтожения документации по тому или иному изобретению» - это «закономерность одновременного возникновения в разных местах новых одинаковых технически реализуемых потребностей» [3,с. 17].

     1.2. Этапы роботизации и поколения роботов

     Первый этап роботизации начался в 1968 г. с применением микропроцессоров для управления роботами и быстро закончился из-за ненадежности и несовершенства роботов первого поколения.
     Второй этап связан с появлением адаптивных роботов в 1972 году, когда возможности робототехники начали расширяться.
     Появление в 1980 г. роботов с элементами искусственного интеллекта (ИИ) стало началом третьего этапа развития промышленной робототехники.
     По типу системыуправления (уровню вводимой информации и способу обучения) роботы классифицируют как программные, адаптивные и интел-лектные. В соответствии с этим классификационным признаком, в зависимости от степени совершенства, все известные конструкции упомянутых выше устройств можно сгруппировать следующим образом.
     Ручные манипуляторы. Это разнообразные промышленные манипуляторы, приводимые в действие вручную.
     ПР с жестким циклом операций. Состав и последовательность действий робота задаются априорно для каждой технологической операции в соответствии с предварительной информацией об организации рабочего места. Внесение необходимых корректив в первоначальную последовательность действий, обусловленных происшедшими изменениями в организации рабочего места, требует очень больших затрат труда и времени.
     ПР с перепрограммируемым циклом операций. Здесь предусмотрены специальные средства, позволяющие легко изменять последовательность действий робота при изменении внешних условий, а также при переходе от одной технологической операции к другой.
     ПР, программируемые методом обучения. Перед началом работы человек-оператор в режиме обучения вручную проводит схват робота по рабочей траектории I-го рабочего цикла. При этом в запоминающее устройство системы управления роботом автоматически записываются координаты узловых точек рабочей траектории, а также некоторая информация о состоянии робототехнической системы в процессе выполнения технологической операции.
     Такой робот состоит из двух основных частей: механической руки и системы управления - рис. 1.3. После этого система управления роботом переводится в рабочий режим, записанная в памяти информация подается на приводы исполнительной системы и манипулятор выполняет заданную последовательность действий требуемое количество раз.


13