Классификация приводов роботов

Привод включает двигатель и устройство управления им. Кроме того, в состав привода могут входить различные механизмы для передачи и преобразования движения (редукторы, преоб­разователи вращательного движения в поступательное и наоборот), тормоз и муфта.

К приводам, применяемым в роботах, предъявляют весьма жесткие специфические требования:

· должны встраиваться в исполнительные системы робота — в манипуляторы и системы передвижения,

· габариты и масса приводов должны быть минимальными

· так как приводы в роботах работают в основном в неустановившихся режимах и с переменной нагрузкой, то приводы в переходных процессах должны быть практически неколебательными

Важными параметрами приводов роботов являются также надежность, стоимость, удобство эксплуатации. Скорость поступательного движения на выходе приводов роботов должна составлять от долей до нескольких м/с при погрешности отработки перемещения, равной долям миллиметра.

В роботах нашли применение все известные типы приводов: электрические, гидравлические и пневматические; с поступательным и вращательным движением; регулируемые (по положению и скорости) и нерегулируемые; замкнутые (с обратной связью) и разомкнутые; непрерывного и дискретного действия (в том числе шаговые).

Устройство управления может быть непрерывного действия, релейным, импульсным или цифровым.

Применение пневматических приводовв робототехнике объясняется их дешевизной, простотой и соответственно надежностью. Правда, эти приводы плохо управляемы и поэтому используются в основном как нерегулируемые с цикловым управлением.Пневматические приводы характеризуются высоки скоростями перемещений элементов робота, поэтому для снижения скорости в роботах с цикловым управление применяются демпферы. Пневматические приводы применяют только в роботах небольшой грузоподъемности — до 10кг, реже 20кг.

Гидравлические приводынаиболее сложны и дороги по сравнению с пневматическими и электрическими. Однако при мощности 500—1000 Вт и выше они обладают наилучшими массогабаритными характеристиками и поэтому являются основным типом привода для тяжелых и сверхтяжелых роботов. Гидравлические приводы хорошо управляются, поэтому они нашли также применение в роботах средней грузоподъемности, для которых требуются высококачественные динамические характеристики.

Электрический привод, несмотря на его хорошую управляемость, простоту подвода энергии, больший к.п.д. и удобство эксплуатации имеет худшие массогабаритные характеристики, чем пневматический и гидравлический приводы. Основная область применения электрических приводов в робототехнике — это роботы средней грузоподъемности (десятки килограмм), легкие роботы с высококачественным управлением и мобильные роботы.

В промышленных роботах нашли применение электроприводы следующих типов:

§на двигателях постоянного тока традиционных коллекторных и бесколлекторных (вентильных);

§на асинхронных двигателях как нерегулируемых (с цикловым управлением), так и с частотным управлением;

·на шаговых двигателях;

§на различного типа регулируемых муфтах в сочетании с нерегулируемым асинхронным двигателем или двигателем постоянного тока;

· на электромагнитах (соленоидных и других типов).

В основном применяются традиционные электроприводы с угловым перемещением, т. е. вращающиеся. Однако в роботах с поступательными перемещениями наряду с вращающимися двигателями в комбинации с механизмами, преобразующими вращательное движение в поступательное (типа передачи шестерня-рейка и т. п.), нашли применение и специальные линейные приводы постоянного и переменного тока.

Электроприводы для роботов в общем случае включают электродвигатель, снабженный датчиками обратной связи по положению и скорости, механическую передачу, часто тормоз, иногда муфту (например, для защиты двигателя от перегрузки) и устройство управления.

К перспективным разработкам электрических приводов относятся

· высокомоментные безредукторные двигатели,

· приводы с непосредственным цифровым управлением,

· бездатчиковые приводы с расчетом значений перемещения и скорости по измеряемым электрическим переменным двигателя.

Сенсорные системы

Сенсорные системы предназначены для получения информации о внешней среде и положении робота в ней. В отдельных системах роботов имеются также различные чувствительные устройства — датчики, необ­ходимые для функционирования этих систем (например, датчики обратной связи в приводах, во вторичных источниках питания и т. п.). Эти устройства, ориентированные на внутренние параметры робота, не специфичны для него в целом и не относятся к сенсорным системам робота.

По выявляемым свойствам и параметрам сенсорные системы можно разделить на следующие 3 группы.

1. Системы, дающие общую картину окружающей среды с последующим выделением отдельных объектов, значимых для выполнения роботом его функций.

2. Системы, определяющие различные физико-химические свойства внешней среды и ее объектов.

3. Системы, определяющие координаты местоположения робота и параметры его движения, включая его координаты относительно объектов внешней среды и усилия взаимодействия с ними.

К первой группе сенсорных системам относятся системы технического зрения и различного типа локаторы.

Вторая группа сенсорных систем наиболее многообразна. Это измерители геометрических параметров, плотности, температуры, оптических свойств, химического состава и т. д.

Третья группа сенсорных систем определяет параметры, относящиеся к самому роботу. Это измерители его географических координат в пространстве от спутниковых систем до использующих магнитное поле Земли, измерители угловых координат (гироскопы), измерители перемещения и скорости, в том числе и относительно отдельных объектов внешней среды вплоть до фиксации соприкосновения с ними. В составе робота все эти сенсорные системы ориентированы на обслуживание 2 исполнительных систем - передвижения и манипуляционной. Это определяет и основные требования к сенсорным системам — дальность действия, точность, быстродействие и т. д.

Сенсорные системы, используемые в системах передвижения робота, подразделяются на системы, обеспечивающие:

· навигацию в пространстве,

· безопасность движения (предотвращение столкновений с препятствиями и опрокидываний на уклонах, попадания в недопустимые для робота внешние условия и т. п.).

Сенсорные системы, обслуживающие манипуляторы, образуют две подгруппы:

· системы, входящие в контур управления движением манипулятора,

· системы, очувствления его рабочего органа.

В число современных систем часто входят размещенные у рабочего органа манипулятора системы технического зрения и измерители усилий.

Важным параметром сенсорных систем является дальность действия. По этому показателю сенсорные системы роботов можно разделить на контактные, бесконтактные, ближнего, дальнего и сверхдальнего действия.

Контактные сенсорные системыприменяются для очувствления рабочих органов манипуляторов и корпуса (бампера) мобильных роботов. Они позволяют фиксировать контакт с объектами внешней среды (тактильные сенсоры), измерять усилия, возникающие в месте взаимодействия (силомоментные сенсоры), определять проскальзывание объектов при их удержании захватным устройством, определять размеры объектов (путем их ощупывания). Они реализуются с помощью концевых выключателей, герметизированных магнитоуправляемых контактов, на основе токопроводящей резины ("искусственная кожа") и т. д.

Сенсорные системы ближнего действия обеспечивают получение информации об объектах, расположенных в непосредственной близости от рабочего органа манипулятора или корпуса робота, т. е. на расстояниях, соизмеримых с их размерами. Такие бесконтактные устройства технически сложнее контактных, но позволяют роботу выполнять задание с большей скоростью, заранее выдавая информацию о различных объектах до соприкосновения с ними.

Сенсорные системы дальнего действия служат для получения информации о внешней среде в объеме всей рабочей зоны манипуляторов роботов и окружающей среды мобильного робота.

Сенсорные системы сверхдальнего действия применяются главным образом в мобильных роботах. К ним относятся различные навигационные системы, локаторы и другие сенсорные системы соответствующей дальности действия. Эти устройства находят применение и в стационарных роботах при работе с подвижными объектами, чтобы заранее предвидеть их появление в рабочей зоне.

В бесконтактных сенсорных системах для получения требуемой информации используются излучаемые ими специальные сигналы (оптические, радиотехнические, ультразвуковые и т. д.) и естественные излучения среды и ее объектов. В зависимости от этого различают активные и пассивныесенсорные системы.

Активные сенсорные системы имеют передатчик, излучающий первичный сигнал, и приемник, регистрирующий прошедший через среду прямой сигнал или вторичный сигнал, отраженный от объектов среды.

Пассивные системы имеют только приемное устройство, а роль излучателя играют сами объекты внешней среды. Поэтому пассивные сенсорные системы технически обычно проще и дешевле активных, но менее универсальны.

Сенсорные системы роботов можно разделить на системы с фиксированным направлением восприятия и с переменным (сканирующие).

В настоящее время для очувствления роботов наиболее широкое применение получили системы технического зрения, локационные, силомоментные и тактильные. Наиболее универсальными из них являются системы технического зрения. Видеосистемы в составе роботов, должны работать в реальном масштабе времени и иметь высокую надежность при невысокой стоимости.

Системы технического зрения могут быть монокулярными, бинокулярными (стереозрение) и многоракурсными (с большим числом "точек зрения"). Специфическим для роботов вариантом является применение подвижных видеосенсорных устройств, в том числе размещаемых непосредственно на манипуляторах.

Конструктивно сенсорные устройства размещают на рабочих органах манипуляторов (устройства ближнего действия), на корпусе робота или вне робота (устройства дальнего и сверхдальнего действия).