Понимание совместной механики: практическое руководство по контролю движения рук робота

Понимание того, как двигаются роботизированные руки, включает в себя изучение механики их суставов и сложных систем управления, которые ими управляют. Правильный контроль этих суставов необходим для точной и эффективной работы в различных приложениях, от производственных сборочных линий до медицинских устройств, хирургической робототехники и передовых систем автоматизации. Способность манипулировать объектами с точностью, повторяемостью и скоростью сделала роботизированные руки незаменимыми в разных отраслях промышленности по всему миру.

Что такое роботизированные суставы и почему они важны?

Стыки роботов — это подвижные соединения между различными частями тела робота, очень похожие на стыки у человека. Эти связи позволяют роботам изгибаться, скручиваться и двигаться в разных направлениях, позволяя им выполнять задачи и взаимодействовать с окружающей средой. Стыки роботов — это компоненты, которые позволяют движение и вращение в роботизированных системах, аналогично человеческим стыкам. Они облегчают различные типы движений роботов, такие как вращение, скольжение и поворот, которые позволяют роботам выполнять задачи с ловкостью и точностью.

Все промышленные роботы — это в основном цепь или коллекции «соединений». Стыки роботов — это механизмы, которые создают движение в одной или нескольких осях робота. Вместе стыки робота создают желаемые движения конечностей робота. Конструкция, конфигурация и управление этими стыками напрямую определяют возможности робота, рабочее пространство и эксплуатационные характеристики.

Эти соединения обычно оснащены приводами, датчиками и механическими компонентами для облегчения контролируемого движения и точного позиционирования.Понимание различных типов соединений, их механических свойств и требований к управлению имеет основополагающее значение для всех, кто работает с роботизированными системами, будь то в проектировании, программировании, обслуживании или прикладной инженерии.

Основные типы роботов-соединений

Стыки роботов можно классифицировать по нескольким направлениям, но наиболее фундаментальная классификация основана на их кинематическом дизайне — как они двигаются и какой тип движения они допускают.

Революционные суставы: ротационное движение

Револьтный сустав (также называемый булавочной или шарнирной парой) представляет собой кинематическую пару с одной степенью свободы, часто используемую в механизмах и машинах. Совместный ограничивает движение двух тел до чистого вращения по общей оси. Револьтные суставы, также известные как вращающиеся суставы, облегчают вращение вокруг одной оси. Они обеспечивают универсальность в движении и имеют решающее значение для обеспечения изгиба и скручивания движений.

Револьтный сустав (или вращательный сустав) позволяет вращаться вокруг одной оси, подобно дверному шарниру или человеческому локтю. Этот тип обеспечивает одну степень свободы (DOF) и широко используется в роботизированных руках, таких как те, что находятся на промышленных сборочных линиях. Простота и надежность револьверных суставов делают их наиболее распространенным типом суставов в промышленной робототехнике.

Револьтные соединения находят широкое применение в роботизированных руках и ногах, где они обеспечивают артикуляцию и маневренность, необходимые для таких задач, как сборка, сварка и обработка материалов в производственных процессах. Револьтовые соединения превосходят в задачах, требующих углового движения, таких как роботизированные руки, покраска автомобильных деталей или сборка электроники. Круговое рабочее пространство, созданное револьтными соединениями, особенно хорошо подходит для вращательных задач и обеспечивает отличную досягаемость в их операционной оболочке.

Револьтный сустав — одноосный вращающийся сустав. Он позволяет роботу связать вращаться относительно другого вокруг одной фиксированной оси, во многом подобно шарниру. Это наиболее широко используемый сустав в руках роботов, особенно в шарнирных и 6-осевых роботах. Каждый револьтный сустав добавляет одну степень свободы, и при укладке в последовательность они могут производить очень гибкое и человекоподобное движение.

Призматические суставы: линейное движение

Призматический сустав (или линейный сустав) обеспечивает линейное движение по одной оси, как раздвижной ящик или поршень. Он также обеспечивает один DOF и распространен в приложениях, требующих точного линейного перемещения, таких как 3D-принтеры (движение по оси Z) или машины с ЧПУ. Призматические соединения, также известные как скользящие или линейные соединения, позволяют линейное движение по одной оси. Этот тип соединения позволяет роботам расширять или убирать свои части, так же, как телескоп.

Призматические соединения обычно используются в роботизированных ползунках, расширяемых руках и телескопических механизмах, где точное линейное движение имеет решающее значение для таких задач, как операции выбора и размещения.Призматические соединения обеспечивают точный контроль над линейным движением, что делает их идеальными для приложений, требующих точного позиционирования и выравнивания.

Призматические соединения идеально подходят для линейных задач, таких как системы выбора и размещения в упаковке.Линейный путь, обеспечиваемый призматическими соединениями, обеспечивает отличную повторяемость и особенно ценен в картезианских системах координат, где требуется прямолинейное движение.

Линейный или призматический сустав может перемещаться в трансляционном или скользящем движении по одной оси. Это, вероятно, самый простой тип соединения, который можно себе представить, и его легче всего контролировать. Эта простота делает призматические соединения привлекательными для приложений, где прямое линейное позиционирование является основным требованием.

Сферические соединения: мультинаправленное движение

Сферические соединения, также известные как шаро-розеточные соединения, позволяют двигаться в нескольких направлениях вокруг центральной точки. Они обеспечивают высокую степень гибкости в движении. Сферические соединения (шарико-розеточные соединения) позволяют три вращательных DOF, имитируя человеческое плечо или бедро. Они используются в роботизированных запястьях или дронах, требующих всенаправленного движения.

Сферические соединения обычно используются в роботизированных запястьях и бедрах, где всенаправленное движение имеет важное значение для таких задач, как манипулирование объектами, захват и навигация в сложных средах. Гибкость, обеспечиваемая сферическими соединениями, позволяет роботам более эффективно ориентироваться и взаимодействовать с окружающей средой, что делает их пригодными для приложений, требующих гибкости и адаптивности.

Сферический сустав может двигаться в нескольких степенях свободы вокруг одной точки. Вы можете думать о сферическом суставе как о верхнем плечевом суставе вашей руки - он может двигаться в нескольких направлениях, но вокруг одной точки. Сферический сустав может быть довольно сложным. Иногда легче описать сферический сустав как 3 револьвируемых сустава с осью, которая пересекается в общей точке.

Цилиндрические суставы: комбинированное движение

Цилиндрические соединения объединяют движения вращающихся и призматических соединений, позволяя как вращаться, так и скольжение по одной оси. Эта комбинация обеспечивает большую гибкость и часто используется в роботизированных приложениях, требующих как линейного, так и вращательного движения. Цилиндрические соединения объединяют вращательное и линейное движение по одной оси, включающей револьвированный сустав, соединенный с призматическим суставом.

Цилиндрический сустав объединяет вращательное и линейное движение в одной оси. Он позволяет соединенному звену как вращаться, так и скользить по одной оси, предлагая большую дальность и гибкость, чем простой револьверный или призматический сустав. Эта двойная способность делает цилиндрические соединения ценными в специализированных приложениях, где оба типа движения необходимы одновременно.

Цилиндрические соединения обычно встречаются в цилиндрических руках и захватах роботов, где задачи требуют как вращательного, так и линейного движения, например, обработка материалов, обработка и сборка операций.Интеграция вращательного и линейного движения в цилиндрических соединениях обеспечивает универсальность при выполнении задач, требующих сочетания обоих типов движения, повышая эффективность и функциональность роботизированных систем.

Степени свободы и конфигурация роботов

Концепция степеней свободы (DOF) является центральной для понимания возможностей роботизированной руки. Каждый сустав обычно обеспечивает одну степень свободы, а общее количество DOF определяет, как робот может позиционировать и ориентировать свой конечный эффектор в пространстве. Большинство промышленных роботов имеют от 4 до 7 степеней свободы, причем 6-осевые роботы являются наиболее распространенной конфигурацией.

Шестиосевой промышленный робот обычно использует шесть револьвируемых соединений для достижения сложных ориентаций.Эта конфигурация позволяет роботу позиционировать свой конечный эффектор в любой точке рабочего пространства и ориентировать его в любом направлении, обеспечивая максимальную гибкость для сложных задач.

Большее число указывает на повышенную гибкость в выравнивании инструмента, что делает его важным параметром для проектирования роботизированной руки. Возьмем случай серийного робота, где число часто относится к числу одноосных вращающихся суставов в руке. Выбор того, сколько степеней свободы включить в дизайн робота, включает в себя возможность балансировки против сложности, стоимости и проблем с управлением.

Конечный эффектор позиционируется с пятью степенями свободы в системах серийного и параллельного манипулятора, состоящих из трёх трансляционных DoF и двух для ориентации.Таким образом, может быть найдена прямая связь между положением привода и установкой манипулятора. Понимание этой взаимосвязи имеет решающее значение как для проектирования роботов, так и для программирования.

Рабочее пространство и доступность роботов

Сбор всех мест, которые может достичь конечный эффектор, — это рабочее пространство робота, иногда называемое доступным пространством. Длина связи, вращательные и поступательные ограничения, общая конструкция механизма и другие факторы — все это влияет на рабочее пространство. Изменяя длину соединения и разрешенные степени свободы для механизма, объем работы, произведенный таким образом, определяет пригодное для использования пространство для робота.

Плечевой сустав сидит у основания роботизированного манипулятора. Часто это самый большой сустав и определяет, насколько робот может развернуться. Он оказывает наиболее существенное влияние на размер рабочего пространства робота. Диапазон движения плечевого сустава в корне определяет общий охват и зону покрытия роботизированной руки.

Наручный сустав сидит в конце роботизированного манипулятора. Он оказывает наибольшее влияние на положение конечного эффектора робота. Часто запястные суставы могут вращаться на целых 360 градусов. Он также подвергается большему количеству вибраций, вызванных окружающей средой, чем другие суставы. Гибкость запястья имеет решающее значение для ориентации инструмента и тонких задач манипуляции.

Актуаторы: Власть, стоящая за совместным движением

Приводы — это компоненты, преобразующие энергию в механическое движение, служащие мышцами роботизированных систем.Привод относится к любому механическому или электромеханическому устройству, создающему движение. Привод генерирует силу с использованием определенного вида энергии. Выбор типа привода существенно влияет на производительность робота, точность, скорость и грузоподъемность.

Электродвигатели

Электродвигатели являются двигателем, стоящим за роботизированными соединениями, преобразующими электрическую энергию в механическое движение. Эти двигатели бывают разных типов, включая двигатели постоянного тока, шаговые двигатели и серводвигатели. Каждый тип двигателя предлагает различные преимущества для различных применений и требований к производительности.

Двигатели постоянного тока обеспечивают непрерывное вращение и обычно используются в приложениях, где контроль скорости имеет важное значение. Степпер-двигатели обеспечивают точный контроль положения и часто используются в роботизированных системах, требующих точного позиционирования. Серво-двигатели сочетают в себе функции как постоянного тока, так и шаговых двигателей, предлагая точный контроль как скорости, так и положения.

Двигатели постоянного тока часто выбираются из-за их простоты и простоты управления.Однако в сценариях, требующих высокой точности и управления, предпочтение часто наклоняется в сторону Servo Motors или Stepper Motors.Двигатели Servo особенно примечательны своей способностью обеспечивать точный контроль над скоростью, положением и ускорением, что делает их идеальным выбором для сложных применений, таких как маневрирование роботизированными руками или ногами.

Угловое или линейное положение, скорость и ускорение могут точно управляться с помощью серводвигателя, поворотного или линейного привода. Он содержит соответствующий двигатель, подключенный к датчику обратной связи положения. Ему также нужен довольно сложный контроллер, часто специальный модуль, созданный только для использования с серводвигателями. Этот интегрированный подход обеспечивает точное управление, необходимое для требовательных роботизированных приложений.

Выбор двигателя сустава руки робота зависит от таких факторов, как требуемый крутящий момент, скорость и точность движения, необходимые для конкретного применения сустава робота. Инженеры должны тщательно оценивать эти факторы на этапе проектирования, чтобы обеспечить оптимальную производительность.

Гидравлические и пневматические приводы

В то время как электродвигатели доминируют в современной робототехнике, гидравлические и пневматические приводы по-прежнему играют важную роль в конкретных приложениях. Гидравлические приводы используют герметичную жидкость для генерации движения и способны производить очень высокие силы, что делает их пригодными для тяжелых промышленных применений и крупномасштабных роботов, которым необходимо поднимать значительные нагрузки.

Пневматические приводы используют сжатый воздух и ценятся за их простоту, чистоту и безопасность в определенных средах. Они обычно встречаются в операциях по выбору и размещению, системах упаковки и приложениях, где взрывоопасная атмосфера делает электрические приводы непригодными. Однако пневматические системы обычно предлагают менее точное управление положением по сравнению с электрическими или гидравлическими системами.

Выбор между электрическим, гидравлическим и пневматическим приводом зависит от множества факторов, включая требуемую силу, точность, требования к скорости, условия окружающей среды, соображения обслуживания и ограничения стоимости.Современные тенденции благоприятствуют электрическому приводу для большинства применений из-за достижений в области моторных технологий, лучшей энергоэффективности и превосходных возможностей управления.

Системы передачи

Моторы генерируют силу, но системы передачи, такие как шестерни, ремни или гармонические приводы, передают эту мощность в соединения.Эти системы передачи выполняют несколько критических функций: они изменяют характеристики скорости и крутящего момента выхода двигателя, обеспечивают механическое преимущество для подъема тяжелых нагрузок и помогают достичь точного позиционирования, необходимого для роботизированных задач.

Гиры управляют скоростью и крутящим моментом движения сустава, передавая мощность от привода к движущимся частям. Они также регулируют приложенную силу, чтобы обеспечить работу сустава с желаемой скоростью и силой. Снижение гирлянд особенно важно в робототехнике, поскольку оно позволяет меньшим, более быстрым двигателям вырабатывать высокие крутящие моменты, необходимые для манипулирования нагрузками при сохранении точного управления.

Гармоничные приводы особенно популярны в прецизионной робототехнике из-за их высоких коэффициентов сокращения в компактных упаковках, нулевых характеристик обратной реакции и отличной точности позиционирования. Поясные приводы предлагают преимущества в приложениях, требующих передачи энергии на большие расстояния или где некоторое соответствие в системе выгодно. Выбор системы передачи значительно влияет на эксплуатационные характеристики робота, включая его точность, скорость, грузоподъемность и общую эффективность.

Датчики и механизмы обратной связи

Датчики играют решающую роль в обеспечении обратной связи с системой управления робота, позволяя ему точно контролировать и регулировать положение, скорость и силу соединения.Без датчиков роботизированные системы будут работать в режиме открытого цикла, не в состоянии проверить, что командные движения были фактически выполнены или компенсировать нарушения и ошибки.

Датчики играют ключевую роль в обеспечении роботизированного соединения возможностью интеллектуального взаимодействия с окружающей средой, обеспечивая бесценную обратную связь с системой управления. Эта обратная связь позволяет осуществлять управление замкнутым контуром, где система непрерывно контролирует свое фактическое состояние и вносит поправки для достижения желаемой производительности.

Положение и датчики скорости

Датчики положения и скорости контролируют движение руки робота. Они дают информацию в реальном времени о положении и скорости руки. Это позволяет руке двигаться точно так, как планировалось. Кодеры используются для положения, а тахометры для скорости. Эта информация помогает руке следовать правильному пути.

Это очень важно для задач, требующих точности, таких как сложение деталей или обработка деликатных предметов.

Кодеры бывают нескольких разновидностей, включая инкрементные кодеры, которые измеряют относительные изменения положения, и абсолютные кодеры, которые предоставляют информацию о положении даже после потери мощности. Оптические кодеры используют световые паттерны для обнаружения положения, в то время как магнитные кодеры используют магнитные поля. Разрешение кодера - насколько тонко он может разделить вращение или линейное движение - непосредственно влияет на точность позиционирования сустава.

Датчики скорости, или тахометры, измеряют скорость движения суставов. Эта информация имеет решающее значение для плавного управления движением, следования траектории и динамической производительности. Многие современные системы получают информацию о скорости математически из данных кодера положения, а не с помощью отдельных датчиков скорости, уменьшая количество компонентов и стоимость при сохранении адекватной производительности.

Датчики силы и крутящего момента

Датчики силы и крутящего момента отслеживают силы, которые использует рука. Это ключ к задачам, требующим определенной силы, например, шлифовка или полировка. Эти датчики позволяют управлять силой, когда робот должен применять определенное количество силы, а не просто перемещаться в определенные положения.

Датчики силы/крутящего момента особенно важны в операциях сборки, где детали должны быть нажаты вместе с контролируемой силой, в задачах отделки поверхности, таких как шлифовка или полировка, где требуется постоянная контактная сила, и в коллаборативных роботах (коботах), где датчик силы обеспечивает безопасное взаимодействие с людьми.

Многоосевые датчики силы/крутящего момента могут измерять силы и крутящие моменты в нескольких направлениях одновременно, предоставляя исчерпывающую информацию о силах взаимодействия. Эта способность необходима для сложных задач манипуляции и для реализации передовых стратегий управления, таких как управление импедансом, где механическое поведение робота может быть запрограммировано на действие как пружина или демпфер.

Зрение и датчики близости

Хотя системы зрения и датчики приближения не являются непосредственно частью совместного механизма, они обеспечивают критическую обратную связь с окружающей средой, которая направляет совместные движения. Системы зрения могут идентифицировать объекты, определять их положения и ориентации, проверять качество сборки и направлять робота через сложные задачи. Камеры могут быть установлены на концевом эффекторе робота для осмотра крупным планом или расположены снаружи, чтобы обеспечить обзор рабочего пространства.

Датчики близости обнаруживают присутствие объектов без физического контакта, используя такие технологии, как инфракрасное, ультразвуковое или лазерное ранжирование. Эти датчики помогают роботам избегать столкновений, обнаруживать присутствие деталей и безопасно перемещаться по своему рабочему пространству. Интеграция нескольких типов датчиков создает комплексную систему восприятия, которая позволяет сложное автономное поведение.

Системы управления для роботов

Датчики непрерывно обеспечивают обратную связь с системой управления, позволяя корректировать в реальном времени, обеспечивая точные и плавные движения сустава для выполнения задачи.Этот замкнутый процесс передачи сигнала, движения и обратной связи позволяет роботизированным суставам выполнять точные и повторяемые действия в различных приложениях.

Система управления роботизированными суставами — это мозг, стоящий за их движением, отвечающий за интерпретацию обратной связи датчика и отправку команд исполнительным механизмам для регулирования положения, скорости и крутящего момента. Она включает в себя датчики, контроллер и исполнительные механизмы, работающие вместе для обеспечения точного и эффективного управления движением.

Open-Loop против Closed-Loop Control

Системы управления с открытым контуром отправляют команды исполнительным механизмам без проверки того, что достигнуто желаемое движение. Эти системы проще и дешевле, но не могут компенсировать помехи, вариации нагрузки или механический износ. Управление с открытым контуром подходит только для простых, некритических приложений, где высокая точность не требуется.

Системы управления замкнутым контуром используют обратную связь датчика для непрерывного контроля фактического состояния соединения и сравнения его с желаемым состоянием. Любая разница (ошибка) запускает корректирующее действие для приведения соединения в целевое положение, скорость или силу. Этот механизм обратной связи обеспечивает высокую точность, повторяемость и способность компенсировать нарушения и изменения условий работы.

Благодаря точным механизмам координации и обратной связи система управления обеспечивает бесперебойную, эффективную и безопасную работу роботизированного соединения, отвечающего требованиям различных приложений.Современные промышленные роботы повсеместно используют управление замкнутым контуром для своих критических соединений для достижения производительности, необходимой для производства и других требовательных приложений.

PID контроль

Пропорционально-интегрально-производное (PID) управление является наиболее широко используемым алгоритмом управления в робототехнике.Контроллер PID вычисляет значение ошибки как разницу между желаемой заданной точкой и измеренной переменной процесса, затем применяет коррекцию на основе пропорциональных, интегральных и производных терминов.

Пропорциональный термин производит выход, пропорциональный текущей ошибке — чем больше ошибка, тем сильнее корректирующее действие. Интегральный термин учитывает прошлые ошибки, устраняя устойчивое смещение и гарантируя, что система в конечном итоге достигнет цели. Производный термин предсказывает будущую ошибку на основе ее скорости изменения, обеспечивая демпфирование для предотвращения колебаний и перерасхода.

Настройка PID-контроллеров — выбор соответствующих значений для пропорционального, интегрального и производного прироста — имеет решающее значение для достижения оптимальной производительности. Плохо настроенные контроллеры могут проявлять медленную реакцию, чрезмерный перерасход, колебания или нестабильность. Существуют различные методы настройки, от ручных пробных и ошибочных подходов к систематическим методам, таким как настройка Циглера-Николса и современные алгоритмы автоматической настройки.

Расширенные алгоритмы управления

В то время как PID-контроль эффективно обрабатывает многие роботизированные приложения, для решения сложных задач используются более сложные стратегии управления. В моделированном управлении используются математические модели динамики робота для прогнозирования поведения и вычисления оптимальных управляющих действий. Такой подход может обеспечить превосходную производительность, но требует точных системных моделей и большего количества вычислительных ресурсов.

Алгоритмы адаптивного управления корректируют свои параметры в режиме реального времени на основе изменяющихся условий, сохраняя производительность даже при изменении характеристик робота из-за износа, колебаний температуры или различных полезных нагрузок.Надежные методы управления обеспечивают приемлемую производительность, несмотря на неопределенности в модели системы или нарушения в окружающей среде.

Стратегии управления импедансом и силового контроля регулируют механическое взаимодействие между роботом и его средой, а не только положением.Эти подходы необходимы для таких задач, как сборка, полировка и взаимодействие человека и робота, где управление контактными силами так же важно, как достижение точности положения.

Машинное обучение и искусственный интеллект все чаще применяются к управлению роботами, позволяя системам изучать оптимальные стратегии управления на основе опыта, адаптироваться к новым ситуациям и решать сложные задачи, которые трудно программировать явно. Эти передовые методы представляют собой передовые достижения исследований в области роботизированного управления и постепенно проникают в коммерческие системы.

Кинематика: математика движения роботов

Кинематика — это изучение движения без учета сил, его вызывающих. В робототехнике кинематика обеспечивает математическую основу для соотнесения совместных положений с положением и ориентацией конечного эффектора робота. Понимание кинематики необходимо для программирования движений робота и проектирования систем управления.

Вперед Кинематика

Форвардная кинематика вычисляет положение и ориентацию конечного эффектора робота с учетом углов или положений соединения. Это простой расчет, который предполагает применение серии преобразований координат, соответствующих каждому соединению и звену в кинематической цепи робота.Конвенция Денавита-Хартенберга (D-H) является стандартизированным методом назначения координатных кадров звеньям робота и систематического вычисления этих преобразований.

Передняя кинематика проста в вычислительном отношении и всегда имеет уникальное решение — учитывая определенный набор значений суставов, существует ровно одна соответствующая конечная эффекторная поза. Это делает переднюю кинематику полезной для моделирования, визуализации и проверки конфигураций роботов. Однако для практического программирования роботов нам часто нужно решать обратную задачу.

Обратная кинематика

Обратная кинематика определяет совместные углы или положения, необходимые для размещения конечного эффектора робота в нужном положении и ориентации. Это проблема, которую необходимо решить при программировании робота для достижения конкретной точки в пространстве или следования по определенному пути. В отличие от прямой кинематики обратная кинематика может быть математически сложной и может иметь множество решений, без решения или бесконечных решений в зависимости от конфигурации робота и позы цели.

Для некоторых конфигураций роботов существуют замкнутые аналитические решения обратной кинематической задачи, дающие точные ответы через алгебраические уравнения. Эти решения являются вычислительно эффективными и предпочтительными, когда они доступны. Однако многие конструкции роботов не допускают решений замкнутой формы, требующих численных итеративных методов, которые аппроксимируют решение посредством последовательной уточнения.

При наличии множества решений обратной кинематики система управления должна выбрать, какое из них использовать, исходя из таких критериев, как минимизация совместного движения, избегание препятствий, пребывание в пределах совместного или поддержание непрерывности с предыдущей конфигурацией.Сложные алгоритмы планирования пути рассматривают эти факторы для генерации плавных, эффективных движений робота.

Якобиан и кинематика скорости

Якобианская матрица связывает скорости суставов с конечными эффекторными скоростями, обеспечивая линейное приближение кинематики робота по соседству с конкретной конфигурацией. Якобиан необходим для контроля скорости, управления силой и анализа сингулярности. Он позволяет роботу плавно следовать траекториям, координируя скорости всех суставов для получения желаемого конечного эффекторного движения.

Сингулярности возникают в конфигурациях, где якобианская матрица теряет ранг, то есть робот теряет одну или несколько степеней свободы. При сингулярных конфигурациях робот не может двигаться в определенных направлениях независимо от того, как командуются суставы, а малые конечные эффекторные движения могут требовать очень больших скоростей суставов. Идентификация и избегание сингулярностей важны для надежной работы робота.

Механические компоненты и соображения дизайна

Помимо приводов и датчиков, роботизированные соединения включают в себя различные механические компоненты, которые обеспечивают плавную, точную и надежную работу.Конструкция и выбор этих компонентов значительно влияют на эксплуатационные характеристики соединения.

подшипники

Подшипники выступают в качестве еще одного незаменимого механического компонента в роботизированном суставе, задача которого заключается в минимизации трения между движущимися частями и оказании поддержки вращательных или линейных движений. Порода выбранного подшипника зависит от конкретных эксплуатационных требований роботизированного сустава. Например, шарикоподшипники являются популярным выбором из-за их владения возможностями с низким трением и высокой скоростью вращения, тогда как роликовые подшипники являются основными для приложений, требующих более высокой грузоподъемности.

Точные подшипники с жесткими допусками необходимы для достижения точности позиционирования, необходимой в роботизированных приложениях. Преднагруженные подшипники устраняют воспроизведение и обратную реакцию, гарантируя, что командные движения транслируются непосредственно в фактические движения без потери движения. Выбор типа подшипника, размера и предварительной нагрузки включает в себя балансирующие факторы, включая грузоподъемность, жесткость, трение, скорость и стоимость.

Для линейных соединений линейные подшипники или направляющие рельсы обеспечивают плавное движение скольжения с минимальным трением. Они могут использовать шаровые или роликовые элементы, работающие в прецизионно-наземных дорожках, или в некоторых случаях воздушные подшипники, которые используют тонкую пленку воздуха под давлением для полного устранения контактного трения, хотя и за счет необходимости непрерывного подачи воздуха.

Связи

Связи — это жёсткие сущности, соединенные между собой соединениями, организующие систему, дающую контролируемое движение.В пределах роботизированного соединения связи являются проводниками для перемещения из одного сегмента робота в другой. Архитектурное оформление этих связей, включающее их длину и конфигурацию, оказывает значительное влияние на амбит движения робота и сложность его движений.

Механическая конструкция роботизированной руки, вдохновлённая рукой человека, состоит из нескольких соединений, которые вместе составляют кинематическую цепь. Стыки, соединяющие звенья, обеспечивают системе возможности вращательного и поступательного движения. Связки должны быть достаточно жесткими, чтобы поддерживать точность под нагрузкой при максимальном облегчении, чтобы минимизировать инерцию и энергопотребление.

Современные роботизированные линии связи часто построены из алюминиевых сплавов, композитов из углеродного волокна или других передовых материалов, которые обеспечивают отличные соотношения прочности к весу. Конструктивная конструкция должна учитывать статические нагрузки, динамические силы во время движения, тепловое расширение и вибрацию. Анализ конечных элементов и другие вычислительные инструменты помогают инженерам оптимизировать конструкции ссылок для производительности и надежности.

Уплотнение и защита

Роботизированные соединения, работающие в промышленных условиях, должны быть защищены от таких загрязнителей, как пыль, охлаждающая жидкость, металлические щепы и влага. Тюлени не позволяют этим загрязнителям проникать в механизм соединения, где они могут вызвать износ, коррозию или отказ. Различные конструкции уплотнений обеспечивают различные уровни защиты, с компромиссами в трении, стоимости и требованиях к техническому обслуживанию.

Оценки защиты окружающей среды (рейтинги IP) определяют степень защиты от твердых частиц и жидкостей. Роботы для суровых условий могут требовать оценки IP65 или выше, с полностью герметичными соединениями и специальными материалами, устойчивыми к химическим веществам, экстремальным температурам или другим сложным условиям. Роботы для обработки пищевых продуктов нуждаются в специальных материалах и конструкциях пищевого качества, которые облегчают очистку и дезинфицирование.

Факторы, влияющие на совместную работу и надежность

Множество факторов влияют на то, насколько хорошо работают роботизированные соединения и как долго они остаются в рабочем состоянии. Понимание этих факторов имеет важное значение для правильного выбора роботов, разработки приложений и планирования технического обслуживания.

Вместимость груза и полезная нагрузка

Каждый роботоподобный сустав имеет максимальную грузоподъемность, которую не следует превышать. Эта мощность зависит от прочности механических компонентов, крутящего момента приводов и жесткости конструкции. Работа вблизи или за пределами номинальной мощности ускоряет износ, снижает точность и может привести к преждевременному выходу из строя.

Полезная нагрузка — вес, который робот несет на своем конечном эффекторе, — влияет на все соединения в кинематической цепи, причем соединения ближе к основанию обычно испытывают более высокие нагрузки. При выборе робота инженеры должны учитывать не только вес заготовки, но и вес конечных эффекторов, инструментов и любого дополнительного оборудования. Динамические нагрузки при ускорении и замедлении могут быть в несколько раз выше статических нагрузок.

Дальность движения: Хорошо спроектированное плечо позволяет руке достигать как высоких, так и низких позиций без натяжения других суставов. Скорость против точности Компромисс: Высококрутящие плечевые двигатели позволяют поднимать тяжести, но могут жертвовать скоростью. Передовые системы достигают баланса с использованием алгоритмов динамического торможения и адаптивного управления. Эти компромиссы проектирования иллюстрируют сложность оптимизации производительности робота для конкретных приложений.

Трение и одежда

Трение в суставах роботов потребляет энергию, генерирует тепло и вызывает износ, который ухудшает производительность с течением времени. Минимизация трения за счет правильного выбора подшипника, смазки и дизайна имеет решающее значение для эффективности и долговечности. Однако некоторое трение необходимо для определенных функций, таких как удержание положения без питания или обеспечение демпфирования.

Ношение происходит всякий раз, когда поверхности движутся в контакте, постепенно меняя размеры и клиренсы. Это может привести к увеличению обратной реакции (потеря движения), снижению точности и, в конечном итоге, отказу. Скорость ношения зависит от материалов, отделки поверхности, смазки, нагрузок, скоростей и условий окружающей среды. Правильное техническое обслуживание, включая регулярную смазку и периодическую замену износоустойчивых компонентов, имеет важное значение для поддержания производительности.

Некоторые современные конструкции роботов используют двигатели с прямым приводом, которые устраняют коробки передач и связанные с ними трение и обратную реакцию, достигая превосходной производительности за счет необходимости более крупных, более дорогих двигателей. Выбор между шестеренки и системы с прямым приводом зависит от конкретных требований к производительности и ограничений стоимости приложения.

Температурные эффекты

Температура влияет на производительность робота в суставах несколькими способами. Моторы и электроника имеют рабочие температурные пределы, за которыми они могут быть повреждены или выполняться ненадежно. Тепловое расширение изменяет размеры механических компонентов, потенциально влияя на точность. Вязкость смазочного материала изменяется с температурой, изменяя характеристики трения и износа.

Выработка тепла от двигателей, трения и электроники должна управляться с помощью адекватной вентиляции, радиаторов или активных систем охлаждения. В экстремальных условиях могут потребоваться специальные термостойкие компоненты и материалы. Алгоритмы тепловой компенсации могут регулировать параметры управления на основе температуры для поддержания согласованной производительности в различных условиях.

Вибрация и резонанс

Вибрация может ухудшить точность позиционирования, ускорить износ и в крайних случаях привести к структурному отказу. Источники вибрации включают моторную коммутацию, частоты сетки передач, структурные резонансы и внешние возмущения. Роботизированные структуры имеют естественные частоты, при которых они имеют тенденцию вибрировать, и возбуждающие эти резонансы могут вызывать большие колебания даже от небольших возмущений.

Минимизация вибрации предполагает повышение структурной жесткости, добавление демпфирования, избегание работы на резонансных частотах и использование вибростойкого монтажа. Расширенные алгоритмы управления могут активно подавлять вибрацию, обнаруживая колебания и применяя корректирующие команды. Для высокоточных применений могут потребоваться системы виброизоляции для защиты робота от вибраций пола и других нарушений окружающей среды.

Калибровка и точность

Даже хорошо спроектированные роботы требуют калибровки для достижения заданной точности. Калибровка предполагает измерение фактических положений, достигнутых роботом, и корректировку параметров для минимизации ошибок. Источники ошибок включают в себя производственные допуски, вариации сборки, тепловые эффекты, отклонение под нагрузкой и неточности датчиков.

Кинематическая калибровка регулирует геометрические параметры в кинематической модели робота в соответствии с фактическим физическим роботом. Это может значительно улучшить абсолютную точность позиционирования. Некоторые передовые системы выполняют автоматическую калибровку с использованием внешних измерительных приборов или процедур самокалибровки. Регулярная калибровка может быть необходима по мере ношения робота или при его перемещении в новое место.

Соображения в отношении обслуживания и надежности

Правильное техническое обслуживание имеет важное значение для обеспечения надежной работы соединений роботов и поддержания их производительности с течением времени. Хорошо спланированная программа технического обслуживания предотвращает неожиданные сбои, продлевает срок службы оборудования и обеспечивает стабильное качество производственных операций.

смазка

Смазка уменьшает трение и износ в движущихся компонентах, рассеивает тепло и защищает от коррозии. Различные компоненты требуют разных смазочных материалов - в штангах обычно используется масло или смазка, в то время как подшипники могут использовать смазку или масло в зависимости от их конструкции. Производители указывают типы смазки, количества и интервалы, которые следует тщательно соблюдать.

Чрезмерная смазка может быть такой же проблематичной, как и недостаточная смазка, вызывая избыточное трение, выработку тепла и загрязнение. Автоматические системы смазки могут обеспечить последовательную, соответствующую смазку без ручного вмешательства. В пищевой промышленности и других чувствительных приложениях могут потребоваться пищевые или специальные смазочные материалы.

Инспекция и мониторинг

Регулярный осмотр помогает выявить развивающиеся проблемы, прежде чем они вызовут сбои. Визуальные осмотры могут обнаружить утечки, повреждения, рыхлые крепежи и другие очевидные проблемы. Более сложные методы мониторинга включают в себя анализ вибрации, мониторинг температуры, текущий мониторинг и отслеживание ошибок позиционирования с течением времени.

Предиктивное техническое обслуживание использует данные датчиков и аналитику для прогнозирования, когда компоненты могут выйти из строя, что позволяет планировать техническое обслуживание заранее, а не ждать сбоя или выполнять техническое обслуживание по фиксированному графику независимо от фактического состояния. Этот подход может сократить как незапланированные простои, так и ненужные затраты на техническое обслуживание.

Замена компонентов

Некоторые компоненты имеют конечный срок службы и требуют периодической замены. Подшипники, уплотнения, ремни и другие предметы износа должны быть заменены в соответствии с рекомендациями производителя или при проверке выявляет ухудшение. Поддержание запасных частей под рукой минимизирует время простоя, когда требуется замена.

При замене компонентов важно использовать детали, которые соответствуют или превышают первоначальные спецификации. Неполноценные запасные части могут преждевременно выйти из строя или привести к повреждению других компонентов. Должны соблюдаться надлежащие процедуры установки, чтобы обеспечить правильную работу и избежать появления новых проблем.

Приложения в разных отраслях

Роботизированные соединения обеспечивают автоматизацию практически во всех отраслях промышленности, с конкретными типами соединений и конфигурациями, оптимизированными для различных приложений. Понимание этих приложений помогает проиллюстрировать практическую важность совместной механики и управления.

Производство и сборка

Производство является крупнейшей областью применения промышленных роботов. Сочлененные роботы с несколькими револьвутными соединениями выполняют сварку, покраску, обработку материалов, обработку машин и сборку. Гибкость револьверных соединений позволяет этим роботам получать доступ к сложным заготовкам с нескольких углов и работать в ограниченных пространствах.

Роботы SCARA, сочетающие в себе револьверные и призматические соединения, превосходят по скоростным операциям по сборке и сборке в производстве электроники.Картезианские роботы с тремя призматическими соединениями обеспечивают точное линейное позиционирование для таких приложений, как раздачи, 3D-печати и загрузки машин с ЧПУ.

Медицинская и хирургическая робототехника

Медицинская робототехника требует исключительной точности, плавного движения и надежности. Хирургические роботы используют миниатюрные суставы с несколькими степенями свободы для манипулирования инструментами внутри тела пациента с большей ловкостью, чем человеческие руки. Силовая обратная связь и тактильные интерфейсы позволяют хирургам чувствовать устойчивость тканей, несмотря на работу через роботизированных посредников.

Реабилитационные роботы помогают пациентам восстановить подвижность после травмы или болезни, с суставами, предназначенными для обеспечения соответствующего сопротивления и поддержки.Протезные конечности включают сложные суставные механизмы, имитирующие естественное движение человека, контролируемое сигналами от мышц или нервной системы пользователя.

Логистика и складирование

Взрывной рост электронной коммерции обусловил спрос на автоматизацию складов. Мобильные роботы ориентируются на складах, перевозящих товары, в то время как роботизированные руки собирают предметы с полок и размещают их в контейнерах для доставки. Эти системы должны обрабатывать объекты разных размеров, форм и весов, требующие универсальных конфигураций суставов и передовых систем управления.

Совместные роботы работают вместе с людьми в центрах выполнения, с форс-сенсорными соединениями, которые обеспечивают безопасное взаимодействие. Скорость и точность роботизированных соединений позволяют пропускную способность намного превышать ручные операции, сохраняя точность и уменьшая ошибки.

Сельское хозяйство

Сельскохозяйственные роботы все чаще используются для посадки, сбора урожая, прополки и мониторинга урожая. Эти роботы должны работать в неструктурированных наружных средах с различной местностью, погодой и условиями освещения. Крайне важны прочные совместные конструкции, устойчивые к воздействию пыли, влаги и температурных экстремальных явлений.

Роботы-сборщики требуют щадящих манипуляций, чтобы избежать повреждения деликатных продуктов, реализуемых через силовые соединения и совместимые захваты.Способность работать непрерывно без усталости делает роботов привлекательными для трудоемких сельскохозяйственных задач, хотя сложность и изменчивость сельскохозяйственных сред представляют собой постоянные проблемы.

Космические и подводные исследования

Экстремальные условия требуют специализированных конструкций роботов. Космические роботы должны функционировать в вакууме, при экстремальных температурах и радиации, будучи легкими и высоконадежными, поскольку ремонт часто невозможен. Суставы могут использовать специальные смазочные материалы или сухую смазку для работы в вакууме, где обычные смазочные материалы испаряются.

Подводные роботы сталкиваются с высоким давлением, коррозионной соленой водой и ограниченной видимостью.Компенсированные давлением соединения поддерживают внутреннее давление, равное давлению окружающей воды, предотвращая сдавливание сил, удерживая воду из чувствительных компонентов.Эти роботы выполняют такие задачи, как подводный осмотр, техническое обслуживание и научные исследования.

Новые тенденции и будущие события

Технология совместного использования роботов продолжает развиваться, чему способствуют достижения в области материалов, датчиков, приводов и алгоритмов управления. Несколько тенденций формируют будущее роботизированных систем.

Мягкая робототехника и совместимые суставы

Традиционные жесткие роботы дополняются мягкими роботами, которые используют гибкие материалы и совместимые с ними соединения. Эти системы могут безопасно взаимодействовать с людьми, адаптироваться к нерегулярным объектам и перемещаться по замкнутым пространствам. Мягкие приводы с использованием пневматики, сплавов с памятью формы или электроактивных полимеров создают движение без традиционных двигателей и передач.

Стыки с изменяемой жесткостью могут регулировать их соответствие, действуя жестко, когда требуется точность, и совместимость, когда требуется безопасность или адаптивность. Эта способность особенно ценна для совместных роботов и приложений, связанных с контактом с деликатными или нерегулярными объектами.

Искусственный интеллект и машинное обучение

ИИ и машинное обучение трансформируют управление роботами и программирование. Вместо того, чтобы явно программировать каждое движение, роботы могут изучать задачи с помощью демонстрации, проб и ошибок или моделирования. Нейронные сети могут изучать сложные политики управления, которые было бы трудно программировать вручную, что позволяет роботам справляться с большей изменчивостью и неопределенностью.

Компьютерное зрение, основанное на глубоком обучении, позволяет роботам воспринимать и понимать свою среду с беспрецедентными возможностями. Это восприятие направляет совместные движения для захвата новых объектов, навигации по динамическим средам и адаптации к изменяющимся условиям. Сочетание расширенного восприятия и управления на основе обучения позволяет создавать новые приложения, ранее выходящие за рамки роботизированных возможностей.

Миниатюризация и микро-роботы

Достижения в области микрофабрикации позволяют роботам все более и более в небольших масштабах. Микророботы с суставами, измеряемыми в миллиметрах или меньше, могут выполнять минимально инвазивную хирургию, проверять ограниченные пространства или манипулировать микроскопическими объектами. Создание эффективных исполнительных механизмов, датчиков и источников питания на этих масштабах представляет уникальные проблемы.

На самых малых масштабах обычные механизмы суставов становятся непрактичными, и изучаются альтернативные подходы с использованием магнитных полей, химических реакций или биологических компонентов.Эти микророботы могут в конечном итоге обеспечить применение таких приложений, как целевая доставка лекарств, хирургия на клеточном уровне или мониторинг окружающей среды в микроскопических масштабах.

Энергоэффективность и устойчивость

По мере того, как роботы становятся все более распространенными, их потребление энергии становится все более важным. Более эффективные двигатели, оптимизированное планирование движения и системы рекуперации энергии могут значительно снизить потребление энергии. Легкие материалы и конструкции минимизируют энергию, необходимую для перемещения самого робота, оставляя больше возможностей для полезной работы.

Для производства роботов применяются устойчивые методы производства, использование перерабатываемых материалов и проектирование для разборки и повторного использования компонентов. Долгий срок службы хорошо обслуживаемых роботов способствует устойчивости, амортизируя производственные воздействия в течение многих лет продуктивного использования.

Сотрудничество человека и робота

Совместные роботы (коботы), предназначенные для безопасной работы вместе с людьми, быстро растут. Эти системы включают в себя силовые соединения, соответствующие механизмы и системы управления с рейтингом безопасности, которые останавливают или ограничивают силы при обнаружении контакта. Способность сочетать человеческую гибкость и суждение с роботизированной точностью и неустанностью создает мощные гибридные рабочие системы.

Расширенные интерфейсы, включая распознавание жестов, голосовое управление и дополненную реальность, облегчают программирование и работу роботов без специализированного обучения. Эта демократизация робототехники позволяет небольшим компаниям и новым приложениям извлекать выгоду из автоматизации.

Ключевые соображения для совместного выбора и проектирования роботов

Выбор или проектирование соответствующих соединений роботов требует тщательного рассмотрения нескольких факторов. В следующем контрольном списке кратко излагаются ключевые соображения:

Тщательный анализ этих факторов, часто с участием производителей роботов и системных интеграторов, помогает гарантировать, что выбранная конфигурация робота будет успешно соответствовать требованиям приложений.

Программирование и обучение движениям роботов

После того, как робот с соответствующими суставами выбран, он должен быть запрограммирован для выполнения полезных задач.Обычно используется несколько подходов к программированию, каждый из которых имеет преимущества для различных ситуаций.

Ручное обучение

Обучение руки робота является ключевым. Это включает в себя руководство рукой через движения, которые затем сохраняются и воспроизводятся. Сквозное программирование является обычным способом. Здесь оператор перемещает руку, чтобы научить ее пути. Этот интуитивный подход не требует знаний программирования и быстр для простых задач.

Оператор физически перемещает робота в каждую желаемую позицию, а система фиксирует совместные углы или конечные эффекторные положения. Затем робот может воспроизводить эти положения, чтобы повторить задачу. Этот метод хорошо работает для таких задач, как покраска или сварка, где путь важнее точных координат.

Оффлайн-программирование

Оффлайн-программирование использует компьютерное программное обеспечение для создания программ-роботов без привязки реального робота. Инженеры могут имитировать движения робота, проверять на наличие столкновений, оптимизировать время цикла и отлаживать программы перед загрузкой их в реальный робот. Такой подход минимизирует производственные перерывы и позволяет эффективно разрабатывать сложные программы.

Современные автономные системы программирования включают интеграцию CAD, позволяющую создавать программы роботов непосредственно из конструкций деталей. Моделирование подтверждает, что робот может достичь всех требуемых позиций и что цели по времени цикла могут быть выполнены. Однако различия между смоделированными и реальными средами могут потребовать корректировок при развертывании программы.

Языки программирования высокого уровня

Языки программирования роботов позволяют точно определять движения, логику и сенсорные взаимодействия. Языки варьируются от систем, специфичных для производителя, до стандартизированных языков, таких как RAPID (ABB), KRL (KUKA) или языков общего назначения, таких как Python, с библиотеками робототехники. Эти языки обеспечивают полный контроль над поведением роботов и позволяют принимать сложные решения и адаптироваться.

Программирование требует понимания систем координат, типов движения (совместные движения против линейных движений), ограничений скорости и ускорения и того, как интегрировать обратную связь с датчиком.

Безопасность в совместном проектировании и эксплуатации роботов

Безопасность роботов имеет первостепенное значение, особенно когда роботы все чаще работают рядом с людьми или с ними.

Физические барьеры, такие как заборы и световые занавески, не позволяют людям входить в рабочее пространство робота во время работы. Датчики с рейтингом безопасности обнаруживают вторжения и вызывают немедленные остановки. Кнопки аварийной остановки обеспечивают возможность ручного отключения. Эти традиционные подходы эффективны, но ограничивают сотрудничество человека и робота.

Совместные роботы используют силовые соединения и ограничение силы / силы, чтобы гарантировать, что контакт с людьми не может вызвать травму. Когда робот обнаруживает неожиданное сопротивление, он немедленно останавливается или убирается. Системы управления с рейтингом безопасности контролируют совместные положения, скорости и силы, чтобы гарантировать, что они остаются в безопасных пределах.

Методологии оценки рисков позволяют выявлять потенциальные опасности и внедрять соответствующие меры предосторожности. Стандарты безопасности, такие как ISO 10218 (промышленные роботы) и ISO/TS 15066 (совместные роботы), обеспечивают основу для разработки и развертывания безопасных роботов. Надлежащее обучение гарантирует, что операторы, программисты и обслуживающий персонал понимают процедуры безопасности и потенциальные опасности.

Вывод: основа робототехнических способностей

Роботизированные соединения являются основными строительными блоками, которые позволяют роботизированным системам перемещаться, манипулировать и взаимодействовать с окружающей средой. Понимание механики суставов - от основных типов суставов и их характеристик движения до приводов, датчиков и систем управления, которые ими управляют - необходимо для любого, кто работает с робототехникой.

Область продолжает быстро развиваться, с инновациями в материалах, исполнительных механизмах, датчиках и алгоритмах управления, расширяющих возможности робота.От традиционных промышленных приложений до новых областей, таких как мягкая робототехника, медицинские устройства и сотрудничество человека и робота, совместная технология остается в основе роботизированной функциональности.

Успех в роботизированных приложениях требует тщательного внимания к совместному выбору, правильному проектированию системы, соответствующим стратегиям управления и тщательному обслуживанию.Понимая принципы, описанные в этом руководстве - совместные типы, степени свободы, приводы, датчики, кинематика и системы управления - инженеры и техники могут проектировать, выбирать, программировать и поддерживать роботизированные системы, которые обеспечивают надежную, точную и эффективную производительность.

По мере того, как роботы становятся все более распространенными в различных отраслях и приложениях, важность надежных, точных и надежных совместных механизмов будет только расти. Независимо от того, разрабатываете ли вы новую роботизированную систему, выбираете робота для конкретного применения или поддерживаете существующее оборудование, прочное понимание совместной механики обеспечивает основу для успеха.

Для тех, кто заинтересован в получении дополнительной информации о робототехнике и автоматизации, ресурсы доступны от таких организаций, как Ассоциация Робототехники, академические учреждения, предлагающие программы робототехники, и производители, которые предоставляют подробную техническую документацию и обучение.

Дополнительную информацию о промышленной автоматизации и роботизированных системах можно найти в Международной организации по стандартизации, которая разрабатывает стандарты безопасности и производительности для роботизированного оборудования. Профессиональные возможности развития, включая сертификацию в области программирования и технического обслуживания роботов, помогают практикующим специалистам оставаться в курсе развивающихся технологий и лучших практик в этой динамичной области.