МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ 

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Гончаревич И.Ф. 
Никулин К.С. 
 
ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ 
МЕХАНИЗМЫ ВЫДВИЖЕНИЯ И ПОВОРОТА РОБОТА-ПОГРУЗЧИКА 
С ПНЕВМОПРИВОДОМ 
 
Методические рекомендации 
 
 
 

 
Альтаир–МГАВТ 

Москва 

2014

МГАВТ

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ 

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Гончаревич И.Ф. 
Никулин К.С. 
 
ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ 
МЕХАНИЗМЫ ВЫДВИЖЕНИЯ И ПОВОРОТА РОБОТА-ПОГРУЗЧИКА 
С ПНЕВМОПРИВОДОМ 
 
Методические рекомендации 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Альтаир–МГАВТ 

Москва 

2014 

Гончаревич И.Ф. Никулин К.С.  Основы робототехники. Механизмы 
выдвижения и поворота робота-погрузчика с пневмоприводом. 
Методические рекомендации.— М.: Альтаир–МГАВТ, 2014.—  64 с. 
 
 
Описана общая теория расчета механизмов выдвижения и поворота 
робота-погрузчика с пневмоприводом с учетом новейших  разработок, 
выполненных на кафедре ППТМиР, и дана методика выполнения практических 
работ в рамках дисциплины «Основы робототехники». 
Для студентов специальности 190109.65 «Наземные  транспортно-
технологические 
средства», 
специализация 
"Подъемно-транспортные, 
строительные, дорожные средства и оборудование". 
 
 
 
Рецензент — доцент кафедры ППТМиР   Замолотчиков А.М. 
 
 
 
Рекомендованы к изданию Учебно–методическим советом МГАВТ.  
 
 
Рассмотрен и рекомендован к изданию кафедрой ППТМиР МГАВТ 
(протокол № 9 от 19.05.2014 г) 
 
 
 
 
 
 
Ответственность за оформление и содержание представленных к 

изданию материалов несут автор и кафедра. 

 
 
 
 
 
 
© МГАВТ, 2014 
© Гончаревич И.Ф., 2014 
 © Никулин К.С., 2014 

СОДЕРЖАНИЕ 
 

Введение 
 4 

1. Анализ механизмов выдвижения и поворота пневматического 
манипулятора 
 6 

2. Конструктивная модель модернизированного механизма 
манипулятора 
11 

3. Динамическая  модель модернизированного механизма 
манипулятора 
28 

4. Задания к практическим работам 
37 

5. Список использованных источников 
40 

Приложение 1 
42 

Приложение 2 
51 

Приложение 3 
62 

 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

 

В настоящих методических рекомендациях рассматриваются устройство 

и механизмы работы роботизированных манипуляционных погрузчиков, а 

именно механизмов выдвижения и поворота манипуляционных погрузчиков с 

пневмоприводом, предназначающихся для механизации погрузо-разгрузочных 

работ в портовом хозяйстве. Методические рекомендации излагают материал в 

рамках дисциплины «Основы робототехники» с учетом новейших  разработок, 

в том числе и выполненным на кафедре ППТМиР по повышению 

эксплуатационных 
характеристик 
перегрузочных 
комплексов 
путём 

совершенствования режимов работы их исполнительных органов. 

Действительно, как показывают исследования с целью возможности 

использования робототехники на перегрузочных работах в портах, здесь 

появляется ряд вопросов, требующих решения для снижения трудозатрат при 

выполнении перегрузочных работ на ручных операциях, которые в среднем 

составляют 25–30% (а иногда достигают и 50%). С одной стороны, это 

вызывает необходимость совершенствовать технологию перегрузочных работ, 

модернизировать эксплуатируемую технику, механизировать неблагоприятные 

с точки зрения использования ручного труда отдельные стадии разгрузки 

различных транспортных средств. Но, вместе с тем, остается большое число 

непосредственных, а так же даже механизированных ручных операций со 

значительными физическими и психологическими усилиями, ликвидация 

которых может быть решена средствами автоматизации и механизации. 

Однако создание новых систем с учетом требований современных 

транспортно-погрузо-разгрузочных технологий требует использования более 

производительного, надежного и менее ресурсоемкого оборудования, позволяя 

повысить экономическую эффективность и снизить сроки окупаемости 

робототехнического оборудования от внедрения. А это, в свою очередь, зависит 

от того, насколько эффективно, производительно и адаптировано к конкретным 

условиям эксплуатации используемое оборудование. 

Наметить пути снижения потерь энергии при работе манипуляционной 

системы робота-погрузчика и уменьшить динамическую нагруженность 

элементов конструкции возможно только при анализе динамики движения 

механизмов манипулятора и выборе эффективных режимов его работы. 

 
 

1. АНАЛИЗ МЕХАНИЗМОВ ВЫДВИЖЕНИЯ И ПОВОРОТА 

ПНЕВМАТИЧЕСКОГО МАНИПУЛЯТОРА 

Рассмотрим устройство механизмов на примере промышленного робота 

с пневмоприводом и цикловой системой управления ПР10И. 

Манипулятор робота ПР10И (рис. 1) включает в себя руку, механизмы 

приводов, обеспечивающие перемещение руки по разным координатам, и 

пневмосистему, обеспечивающую движение механизмов. 

Механизм выдвижения/задвижения схвата руки манипулятора состоит 

из пневмоцилиндра 11, в передней части которого крепится пневмодемпфер 32, 

а в задней части — пневмодемпфер 37. Внутри пневмоцилиндра 11 размещен 

полый шток 10, жестко закрепленный с кольцевым поршнем 12. Внутри штока 

10 помещен шток 9, на левом торце которого закреплена втулка шлицевого 

соединения 8 с внутренними шлицами, входящая в соединение со штоком 7. На 

наружной поверхности этого штока 7 изготовлены ответные зубья шлицевого 

соединения для возможности передачи вращающего момента со штока 9. Сам 

шток 7 может свободно перемещаться по направляющему штоку 13. При 

подаче сжатого воздуха в левую (поршневую) полость пневмоцилиндра 11 

поршень 12 смещается вправо, вызывая смещение штока 10 и через упорный 

подшипник смещает шток 7 с закрепленным на нем схватом. При подаче 

сжатого 
воздуха 
в 
правую 
(штоковую) 
полость 
пневмоцилиндра 
11 

аналогичным образом схват перемещается обратно влево. Величина хода схвата 

регулируется перемещением переднего 33 и заднего 35 упоров. 

Механизм поворота колонны состоит из пневмоцилиндров 21 и 22, на 

штоках 53 и 54 которых и на гидроцилиндре 23 подъема колонны закреплены 

блоки звездочек, охватываемые цепями 41, 44, 51 и 52.  

Рис. 1. Кинематическая схема робота ПР10И. 

При подаче сжатого воздуха в левую полость пневмоцилиндра 22 и в 

правую полость пневмоцилиндра 21 шток 54 смещает блок звездочек вправо, а 

шток 53 смещает блок звездочек влево. При этом цепи 41, 44, 51, 52 

перемещаются и вызывают поворот колонны 34 против хода часовой стрелки. 

Поворот колонны  по  ходу  часовой  стрелки  осуществляется  при подаче 

сжатого воздуха в правую полость пневмоцилиндра 22 и в левую полость 

пневмоцилиндра 21. Угол поворота колонны регулируется поворотом маховичков 

31, вызывающих смещение переднего и заднего (на нижнем рисунке верхнего и 

нижнего) пневмодемпферов 30, служащих для смягчения удара штоков 53 и 54 в 

конце своего хода при максимальном выдвижении. Остановка колонны в среднем 

положении осуществляется при наезде диска 55 на упор 56 при максимальном 

выдвижении поршня среднего пневмоцилиндра 30. 

Анализ   режимов работы механизмов проведем на примере механизма 

выдвижения, т.к. поршневой механизм поворота робота ПР10И имеет схожий 

характер работы и распределения воздуха. 

 Выдвижение достигается подачей воздуха из магистрали высокого 

давления в поршневую полость пневмоцилиндра. Изучение полученных в 

процессе натурных экспериментов осциллограмм давления воздуха (см. рис. 2) 

на этапе выдвижения руки показывает, что процесс заполнения поршневой 

полости пневмоцилиндра воздухом носит типично динамический характер. В 

начале цикла поршневая полость соединена с атмосферой, поэтому избыточное 

давление в ней равно нулю. При срабатывании электропневматической 

быстродействующей распределительной системы манипулятора сжатый воздух 

из магистрали высокого давления устремляется в поршневую полость 

находящуюся под атмосферным давлением. В этот момент, перепад давления 

на воздухоподводящем клапане и секундный расход воздуха имеют 

максимальные значения (перед клапаном давление высоконапорной магистрали 

и за клапаном в поршневой полости нулевое избыточное давление). Поэтому 

скорость воздушной струи истекающей из проходного отверстия клапана 

достигает наиболее высоких значений.  

 

Рис. 2. Графики зависимости перемещения (XT), скорости (ХТ`), усилия в поршневой 

полости (Fп) и усилия в штоковой полости (Fш) от времени за один цикл работы механизма 

выдвижения. 

Как следует из осциллограммы начальный импульс давления носит 

кратковременный характер и имеет ярко выраженный динамический вид, его 

максимальное 
значение 
временами 
превышает 
даже 
давление 
в 

высоконапорной магистрали, не говоря уже о статическом давлении в 

поршневой полости. Можно полагать, что он формируется вследствие удара 

воздушной струи движущейся с большой скоростью о неподвижный поршень 

(в этом случае относительная скорость воздушной струи также имеет 

максимальное значение, так как в этот момент поршень неподвижен). Этот 

импульс имеет малую продолжительность и не обеспечивает страгивания 

поршня с места (это убедительно показывает осциллограмма перемещений 

поршня). В то же время вследствие удара о неподвижный поршень происходит 

затормаживание  воздушной струи, при котором её кинетическая энергия 

преобразуется в потенциальную, что и выражается в повышении давления 

1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
2.75
3
3.25
3.5
3.75
4
4.25
4.5
150

120

90

60

30

0

30

60

90

120

150

Время, сек

Параметр

150

150


XT

4

100XT'

Fп

10

Fш

10

4.5
1
t

воздуха в струе выше давления в высоконапорной магистрали. На этом этапе 

статическое давление во всей поршневой полости пневмоцилиндра остаётся 

невысоким. Только постепенно, по мере поступления дополнительных порций 

воздуха статическое давление в поршневой полости начинает  повышаться и 

достигает давления в высоконапорной магистрали только после остановки 

поршня и стабилизации объёма поршневой полости. 

Комплексный 
экспериментально 
— 
аналитический 
анализ 

закономерностей работы поршневого привода цикловых манипуляторов 

позволяет дать оценку изложенному и  прийти к выводу, что динамическая 

составляющая воздушной струи не обеспечивает поставленной цели — 

выдвижения руки манипулятора, но в то же время, вследствие ударного 

приложения нагрузки, возбуждает в системе манипулятора высокочастотные 

колебания и приводит к росту динамической нагруженности элементов 

конструкции. 

 Отсюда возникает задача модернизации системы подачи воздуха в 

пневмопривод манипулятора. Необходимо её регулирование при заполнении 

поршневой полости. Распределительная система серийного манипулятора 

оснащена пневмодросселями служащими для регулирования расхода воздуха 

подаваемого в пневмоцилиндр. Однако проходное отверстие пневмодросселя 

не обеспечивает плавного нарастания расхода воздуха в пневмоцилиндр, 

поэтому  подача воздуха носит ярко выраженный импульсный характер. Анализ 

осциллограммы давления воздуха в поршневой полости показывает, что оно 

складывается из двух частей: начального кратковременного импульса, 

предшествующего перемещению поршня, и значительно меньшего практически 

стационарного слегка пульсирующего давления на этапе перемещения поршня.  

Анализ   экспериментальных   данных   показывает  также, что в моменты 

торможения, 
особенно 
в 
конце 
этапа 
выдвижения 
руки, 
действуют 

значительные ускорения (замедления) следствием чего является высокая 

динамическая нагруженность манипулятора.