Проектирование механической системы промышленного робота манипулятора Unimate Puma 560

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Промышленный робот - автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением, предназначенное для замены человека при выполнении основных и вспомогательных операций в производственных процессах.

Манипулятор - совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляет под управлением программного автоматического устройства или человеко-оператора манипуляции которого аналогичны действиям руки человека.

Назначение и область применения:

Промышленный робот (ПР) предназначен для замены человека в процессе промышленного производства. При этом решается важная социальная задача - освобождение человека от работ связанных с опасностями для здоровья или с тяжелым физическим трудом, а также от простых монотонных операций, натребует высокой квалификации.

Гибкие автоматизированные производства созданные на базе ПР позволяют решать задачи автоматизации на предприятиях с широкой номенклатурой продукции при мелкосерийном и штучном производстве.

Манипулятор ПР по своему функциональному назначению должен обеспечивать движение выходного звена, закрепленного в нем объекта, манипулирования в пространстве, по заданной траектории и с заданной ориентацией.

На конце манипулятора (на его «запястье») располагается рабочий орган -- устройство, предназначенное для выполнения специального задания. В качестве рабочего органа может выступать захватное устройство или технологический инструмент.

Наиболее универсальной разновидностью захватного устройства является схват -- устройство, в котором захватывание и удержание объекта производятся посредством относительного перемещения частей данного устройства. Как правило, схват по своей конструкции напоминает кисть человеческой руки: захват объекта осуществляется с помощью механических «пальцев». Для захвата плоских предметов используются захватные устройства с пневматической присоской.

Применяют также крюки (для поднятия деталей с конвейеров), черпаки или совки (для жидких, сыпучих или гранулированных веществ). Для захвата же множества однотипных деталей применяют специализированные конструкции (например, магнитные захватные устройства).

Число применений промышленных роботов, в которых схват используется для удержания рабочего инструмента, относительно невелико. В большинстве случаев инструмент, нужный для выполнения технологической операции, крепится непосредственно к запястью робота, становясь его рабочим органом.



Раздел 1. Теоретическая часть

1.1 Начало разработки промышленных роботов

В начале 1960-х гг. в США были созданы первые в мире промышленные роботы «Юнимейт» (фирма «Юнимейшн», 1961 г.) и «Версатран» (фирма «Америкэн Мэшин энд Фаундри», 1962 г.). Их сходство с человеком ограничивалось наличием манипулятора, отдалённо напоминающего человеческую руку. Некоторые из них работают до сих пор, превысив 100 тысяч часов рабочего ресурса.

Экспериментальный прототип робота «Юнимейт» был создан уже в 1959г., а весной 1961 года этот промышленный робот (ныне выставленный в Смитсоновском институте) был введён в эксплуатацию на литейном участке одного из заводов автомобильной корпорации «General Motors», находившегося в городке Юинг -- пригороде Трентона. Робот захватывал раскалённые отливки дверных ручек и других деталей автомобиля, опускал их в бассейн с охлаждающей жидкостью и устанавливал на конвейер, после чего они поступали к рабочим для обрезки и полировки. Работая 24 часа в сутки, робот заменил три смены рабочих на тяжёлой, грязной и опасной работе. Данный робот имел пять степеней подвижности с гидроприводом и двухпальцевое захватное устройство с пневмоприводом. Перемещение объектов массой до 12 кг осуществлялось с точностью 1,25 мм. В качестве системы управления использовался программоноситель в виде кулачкового барабана с шаговым двигателем, рассчитанный на 200 команд управления, и кодовые датчики положения. В режиме обучения оператор задавал последовательность точек, через которые должны пройти звенья манипулятора в течение рабочего цикла. Робот запоминал координаты точек и мог автоматически перемещаться от одной точки к другой в заданной последовательности, многократно повторяя рабочий цикл. На операции разгрузки машины для литья под давлением «Юнимейт» работал с производительностью 135 деталей в час при браке двух процентов, тогда как производительность ручной разгрузки составляла 108 деталей в час при браке до двадцати процентов.

Промышленный робот «Версатран», имевший три степени подвижности и управление от магнитной ленты, мог у обжиговой печи загружать и разгружать до 1200 раскалённых кирпичей в час. В то время соотношение затрат на электронику и механику в стоимости робота составляло семьдесят пять и двадцать пять процентов, поэтому многие задачи управления решались за счёт механики; сейчас же это соотношение изменилось на противоположное, причём стоимость электроники продолжает снижаться.

1.2 История робота манипулятора Unimate Puma 560

PUMA (расшифровывается как Programmable Universal Machine for Assembly или Programmable Universal Manipulation Arm) -- промышленный робот-манипулятор, разработанный Виктором Шейнманом из фирмы Unimation -- предприятия-пионера в области промышленной робото-техники. Первоначально разработанный для General Motors, робот PUMA был основан на ранних проектах Шейнмана, сделанных в Стэнфордском университете.

В конструктивном плане данный промышленный робот характеризуется тем, что его манипулятор обладает шестью степенями свободы, обеспечивающихся исключительно на вращательных соединениях.

Unimation производила эти роботы долгое время, пока не была приобретена компанией Westinghouse примерно в 1980 году, а затем фирмой Stдubli в 1988. Nokia Robotics произвела около 1500 роботов PUMA в течение 1980-х -- Puma-650 является наиболее популярной моделью у их клиентов. Также, Nokia Robotics разработала своих роботов, таких как Nokia NS-16 и NRS-15. В 1990 Nokia продала своё подразделение Nokia Robotics.

Первый хирургический робот Unimate Puma 560 был создан в конце 1980-х и использовался в нейрохирургии для удерживания инструментов при проведении стереотаксической биопсии.

В 1986 году Калифорнийский университет в Дэвисе и исследовательский центр Томаса Дж. Уотсона корпорации IBM начали совместную работу по созданию робота-хирурга. В 1992 году компания Integrated Surgical Systems на основе результатов этих исследований создала систему помощника хирурга, которая так и называлась - Robodoc Surgical Assistant System.

Способности Robodoc в то время были скромными: он умел всего лишь шлифовать костные поверхности для лучшего контакта с имплантатом. В те же девяностые годы в Имперском Колледже в Лондоне был создан робот для трансуретральной резекции гиперплазированной предстательной железы - Probot, допущенный к клиническим испытаниям в 1996 году. Система Probot, оснащенная ультразвуковым щупом, позволяла создать трехмерную модель простаты, быстро определить участок патологически измененной железы и произвести его резекцию. В 1994 году компания Computer Motion изготовила первого робота-хирурга, получившего сертификат US FDA - Automated Endoscopic System for Optimal Positioning (AESOP). Это была механическая рука, наделенная семью степенями свободы движений и предназначенная для автоматического изменения положения эндоскопа. Двумя годами позже AESOP "приобрел" слух и смог выполнять голосовые команды хирурга. А в 1998 году появился его "дальний родственник" - активный робот ZEUS, предназначенный для дистанционной эндоскопической хирургии.

Параллельно с ZEUS создавалась другая аналогичная система, получившая название DA VINCI. В начале 90-х известная корпорация SRI International стала одним из нескольких акцепторов гранта, выставленного на конкурс правительственным агентством DARPA, на разработку методов телехирургии. Был создан прототип робота-хирурга, вдохновивший Фредерика Молла в 1995 году учредить компанию Intuitive Surgical. Здесь идеи, заложенные SRI, эволюционировали и воплотились в то, что сегодня известно как DA VINCI.

В принципе, системы DA VINCI и ZEUS имеют много общего: это активные роботы, управляемые дистанционно со специальной рабочей станции. Эти системы позволяют оператору находиться на значительном расстоянии от больного, управляя тремя "руками" робота (две для удержания инструментов и осуществления манипуляций, а третья для продвижения эндоскопической камеры). Современная компьютерная и видеотехника создает перед глазами хирурга высококачественное изображение операционного поля. Первоначально подобная технология разрабатывалась для применения в военных условиях, при повышенной радиации или даже в космосе, позволяя квалифицированному медперсоналу находиться вне опасности. Однако роботы "прижились" в ведущих современных клиниках, и в настоящее время в мире уже выполнены тысячи операций с использованием DA VINCI и ZEUS. Именно между этими системами сегодня развернулась основная конкурентная борьба.

Рисунок 1 - Робот манипулятор Unimate Puma 560



Раздел 2. Расчетная часть

2.1 Кинематическая схема манипулятора

Два сочлененных звена образуют элементарную составляющую механизма - кинематическую пару. Последовательность попарно связанных звеньев замкнута. Звенья и сочленения манипулятора нумеруются по возрастанию от основания к рабочему органу. Нулевое звено соединено с неподвижным основанием, а к последнему звену прикреплен рабочий орган. Каждое сочленение перемещает соответствующее звено, поэтому у нумерации i-тому звену предшествует i-тое сочленение. Звенья манипулятора участвуют в относительном движении, в результате которого достигается определенное положение и ориентация рабочего органа. Перемещение звеньев в пространстве осуществляется при помощи приводов, расположенных, как правило, в сочленениях. Каждая пара, состоящая из звена и сочленения, имеет одну степень свободы, следовательно, манипулятор с n парами «звено-сочленение» имеет n степеней свободы. Таким образом, манипуляторы могут различаться последовательностями и комбинациями вращательных и поступательных сочленений, то есть кинематическими схемами, которые определяют характер основных движений и рабочие зоны манипулятора.

Кинематическая схема манипулятора представляет собой последовательность и комбинации вращательных и поступательных сочленений.

В техническом задании на курсовой проект предложен следующий индекс подвижности манипулятора

ПX - ВY - ПZ.(1)

Эта запись на механическом уровне интерпретируется следующим образом:

ПX - поступательное движение по оси X (1-е звено)

ВY - вращательное движение вокруг оси Y (2-е звено)

ПZ - поступательное движение по оси Z (3-е звено)

Кинематическая схема, соответствующая индексу подвижности ПX - Вy - ПZ представлена на рисунке 2:

Рисунок 2 - Кинематическая схема манипулятора

2.1.1 Описание последовательности движений звеньев манипулятора в соответствии с технологической операцией

В задании на курсовой проект задана технологическая операция - захват.

Захват выполняется с помощью схватывающих рабочих органов, которая прикрепляется к последнему звену манипулятора. Для выполнения операции захвата, необходимо схватить предполагаемый предмет и удерживать ее до определенной времени. При необходимом случае, бывают команды такие как переместить объект в назначенное место, поднять объект до определенной высоты, либо удерживать в данной позе определенное время. Сейчас уже мы продвинулись намного дальше, и теперь мы можем с помощью разных датчиков, микроконтроллеров и конечно же с помощью программируемых плат, расширить возможность манипулятора. Таким образом, команды, которые они могут выполнять увеличиваются в несколько раз.

Используя приведённое описание операции захвата, кинематическую схему на рисунке 2 и рабочую зону на рисунке 4 можем описать последовательность движений звеньев манипулятора:

Изначально манипулятор находится в точке 1.

1) Вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 1?.

2) Обратное вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 1.

3) Поступательное перемещение третьего звена вдоль оси Z приводит к перемещению рабочего органа в точку 2.

4) Вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 2?.

5) Обратное вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 2.

6) Поступательное перемещение первого звена вдоль оси X приводит к перемещению рабочего органа в точку 3.

7) Вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 3?.

8) Обратное вращательное движение звена вокруг оси Y на 90° приводит к перемещению рабочего органа в точку 3.

9) Обратное перемещение первого звена вдоль оси X приводит к перемещению рабочего органа в точку 2.

10) Обратное перемещение рабочего органа вдоль оси Z приводит к перемещению рабочего органа в начальную точку 1.

2.1.2 Форма, размеры и расположение рабочей зоны

Рабочая зона представляет собой точки пространства, которые достигаются рабочим органом. Форма рабочей зоны определяется кинематической схемой манипулятора, а её размеры - размерами звеньев манипулятора и размерами приводов.

Определяем размеры приводов манипулятора. В качестве привода в манипуляторе используется цилиндр двустороннего действия, который обеспечивает поступательное перемещение поршня в одном из двух противоположных направлений. Цилиндр и поршень естественным образом составляют кинематическую пару, элементы которой соединены поступательным сочленением. В пневматическом приводе движущее усилие создается воздухом нагнетаемым под давлением. Воздух заставляет поршень двигаться прямолинейно относительно цилиндра.

Для реализации поступательного движения применяется конструкция, изображенная на рисунке 3.

Рисунок 3 - Привод поступательного перемещения

Обычно конструктивные элементы принимают значения . Диаметр цилиндра выбирается из диапазона . В данном случае l - заданное перемещение, поэтому размеры k, h, L, D рассчитываются индивидуально для каждого привода.

Рассчитаем размеры привода 1-го звена (ПX):

Длина звена:

(2)

Диаметр цилиндра:

Выбираем

Рассчитаем размеры привода 3-го звена (ПZ):

(3)

Длина звена:

(4)

Диаметр цилиндра

Для реализации вращательного движения применяется конструкция, изображенная на рисунке 4.

Рисунка 4 - Поворотный привод



Рассчитаем размеры поворотного привода 2-го звена (Вy):

Величина хода поршня:

где d выбирается из диапазона 0,2 D < d < 0,5 D.

Выбираем d = 0,05 м.

Величина хода поршня:

Длина звена:

.(7)

где k=0,05 м, как у первого привода.

Длина звена:

(8)

Диаметр цилиндра для выбранного d= 0,05 м:

Длина нулевого звена манипулятора, связывающего основание с первым приводом, берется в данном случае произвольно, и равна 0,225 м.

Размер рабочего органа также выбраны произвольно, высота равна 0,25м а длина 0,5 м в соответствий с рисунком 5.



Рисунок 5 - Рабочий орган манипулятора

Рабочая зона, соответствующая параметрам разрабатываемого манипулятора, представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Рабочая зона манипулятора

2.1.3 Упрощенная конструкция манипулятора со связанными системами координат

Для манипулятора робота, состоящего из совокупности звеньев, требуется определить его пространственную конфигурацию с учетом положения всех звеньев. Конфигурация может быть определена путем последовательного описания взаимного расположения соседних звеньев манипулятора. Для этого строятся системы координат связанные с каждым звеном манипулятора. Правила Денавита-Хартенберга предписывают следующую последовательность построения связанных систем координат:

- ось zi направлена вдоль оси i+1 сочленения;

- ось xi перпендикулярна осям zi и zi-1 и направлена от оси zi-1;

- ось yi дополняет оси xi и zi до правосторонней прямоугольной системы координат.

Упрощенная конструкция манипулятора со связанными системами координат, построенными по правилам Денавита-Хартенберга, на рисунке 7.

Рисунок 7 - Системы координат, связанные со звеньями манипулятора

Система (xб,yб,zб) - базовая система координат;

(x0,y0,z0) система координат связанная с 0-ым звеном;

(x1,y1,z1) система координат связанная с 1-ым звеном;

(x2,y2,z2) система координат связанная со 2-вым звеном;

(xро,yро,zро) система координат связанная с рабочим органом.

2.1.4 Уравнения кинематики манипулятора

Используя полученные геометрические параметры приводов манипулятора, измеряются линейные величины между смежными связанными системами координат и определяются требуемые повороты систем координат. На основании этих данных устанавливаются значения элементарных матриц поворота и сдвига, для нахождения однородной результирующей матрицы.

Уравнение кинематики манипулятора:

. (10)

Определим однородные матрицы преобразования для каждой точки позиционирования рабочего органа:

Первая точка позиционирования

Рисунок 8 - Системы координат, связанные со звеньями манипулятора для 1-ой точки позиционирования

,(11)

, (12)

(13)

(14)

=

, (15)

=

, (16)

,(17)

,(18)

=

.(19)

Вторая точка позиционирования



Рисунок 9 - Системы координат, связанные со звеньями манипулятора для 2-й точки позиционирования

,(20)

,(21)

(22)

(23)

=

,(24)

=

,(25)

,(26)

,(27)

=

.(28)

Третья точка позиционирования



Рисунок 10 - Системы координат, связанные со звеньями манипулятора для 3-й точки позиционирования

,(29)

,(30)

(31)

.(32)

=

,(32)

=

,(33)

,(34)

,(35)

=.(36)

2.2 Расчет манипулятора робота UNIMATE Puma 560, работающего в угловой системе координат

манипулятор робот промышленный автоматический

Таблица 1 - Технические характеристики робота

Основное	Осей	6
	Привод	Постоянного тока
Рабочая зона	Длины звеньев	878 мм
	Пределы звеньев 1	320 deg
	Пределы звеньев 2	250 deg
	Пределы звеньев 3	270 deg
Приемлемая нагрузка	Номинальная грузоподьемность	4 кг
	Разрешенная нагрузка на звено	4 кг на 127 mm
Исполнение	Повторяемость	762+/-0,1 мм 761+/-0,1мм
	Максимальная скорость	1,0 м/с
	Максимальная угловая скорость	1,139 рад/с
Масса	Рука	163 кг
	Контроллер	200 кг

Прямая задача

,(37)

,(38)

y. (39)

Обратная задача

=

=

,(40)

,(42)

.(43)

Введем такое б, что



Тогда,

,(46)

sin(,(47)

Радиус-вектор точки полюса ПР:

. (50)

Модуль скорости точки полюса ПР:

Ускорение точки полюса ПР:

, (52)

где ;

;

.



Таблица 2 - Расчет максимальное ускорение звеньев ПР

	Управляемые параметры
	, рад	-2,793	-2,182	-2,356
	, рад	2,793	2,182	2,356
, рад/с	1,139	1,139	1,139	1,139
	0,2	0,7	0,7	0,35
, рад/с	1,161	1,161	0,425	0,787

Согласно имеющемуся изображению данного промышленного робота, будем считать, что звенья представляют собой цилиндры.

Число степеней свободы n=6. Имеются 3 ориентирующие степени подвижности.

m = 4 кг;

?q = ±0,1 мм;

= 363 кг;

Таблица 3 - Расчет масс звеньев ПР-УСК

№ звена	Li	Rб, м	Кз	RЭ, м	m, кг
2	0,87	0,15	0,16	0,066	93,454
3	0,87	0,15	0,16	0,06	77,454
Масса основание	200
	370,908

Погрешность в пределах 5%.

Рассчитаем моменты инерции звеньев.

Вращение вокруг неподвижной оси, совпадающей с осью Оz.

2-е звено.

3-е звено.



Заключение

При выполнении данного курсового проекта мы приобрели навыки в проектировании и конструировании механизмов и деталей робота манипулятора, а также навыки в использовании справочной литературой. Данный манипулятор предназначен для промышленного или медицинского производства и имеет 3 кинематические пары и не является сложным как в эксплуатации, так и в изготовлении. Оборудование вокруг такого манипулятора должно располагаться с требуемой ориентацией.

Была разработана кинематическая схема манипулятора, и были рассчитаны уравнения кинематики манипулятора и задачи робота манипулятора UNIMATE Puma 560, работающего в угловой системе координат.

Все параметры были рассчитаны и подобраны в соответствии с ГОСТами, что, несомненно, облегчит сборку данного модуля на производстве и обеспечит качественную его работу.

Такая схема модуля поворота руки робота и захвата, какого либо предмета применяется часто. Кинематическая передача в совокупности с волновой передачей позволяет обеспечить высокую точность позиционирования, тихоходность и сравнительно небольшие потери мощности. Незамкнутая кинематическая цепь манипулятора позволяет схвату занимать различные положения в некотором объеме. Исходя из максимальной скорости перемещения центра схвата, его можно отнести к высокоскоростным манипуляторам. Область движения схвата по вертикали составляет 0,6м, а по горизонтали 0,8м и что является приемлемым для промышленного или медицинского производства.

При более глубоком подходе к проектированию механизма нужно пересмотреть корпусные детали, направляющие и соединительные элементы и детали.



Перечень принятых сокращений и терминов

ПР - Промышленный робот.

AESOP - расшифровывается как Automated Endoscopic System for Optimal Positioning, Автоматизированная система Эндоскопическая для оптимального позиционирования.

PUMA - расшифровывается как Programmable Universal Machine for Assembly или Programmable Universal Manipulation Arm, Программируемый универсальный станок для сборки или программируемый Универсальный рука манипулятор.

ZEUS - хирургическая система, медицинский робот предназначены для оказания помощи в хирургий.

DA VINCI - Робот-ассистированная хирургическая система, аппарат для проведения хирургических операций.

DARPA - агентства перспективных оборонных разработок Пентагона.

Звенья манипулятора - представляют собой абсолютно твердые тела, последовательно соединенные друг с другом с помощью шарниров. Звенья манипулятора совершают пространственные движения, зависящие от п независимых обобщенных координат.

Кинематическая пара - это соединение двух звеньев, обеспечивающее определённое относительное движение. Для всех кинематических пар необходим постоянный контакт между их элементами, это достигается либо с помощью определённых усилий, либо приданием элементам определённой геометрической формы.

Контроллер - устройство или группа устройств, служащих для управления электрическими машинами, обычно такими, как электро-двигатели или электрогенераторы. В состав контроллера обычно входят цепи управления пуском/остановкой двигателя, переключением направления движения, а также схемы аварийной остановки, защиты от перегрузок по току, коротких замыканий.

Манипулятор - совокупность пространственного рычажного механизма и системы приводов, осуществляет под управлением программного автоматического устройства или человеко-оператора манипуляции которого аналогичны действиям руки человека.

Привод - это управляемая электромеханическая система, пред-назначенная для преобразования электрической энергии в механическую и обратно и управления этим процессом.



Список литературы

1. Попов С.А., Тимофеев Г.А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. М.,1998.

2. Баранов Г.Г. Курс теории механизмов и машин. М., 1975.

3. Зиновьев В.А. Курс теории механизмов и машин. М., 1972.

4. Решетов Л.Н. Конструирование рациональных механизмов. М., 1974г.

5. Юденич В.В. Лабораторные работы по ТММ. М., 1962г.

6. Кореняко А.С. Курсовое проектирование по теории механизмов и машин. М., 1970г.

7. Дракунов Ю.М., Косболов С.Б. Структурный и кинематический анализ механизмов: Методические указания к лабораторным работам по ТММ. Часть 1. Алматы, 1994г.

8. Дракунов Ю.М., Косболов С.Б. Экспериментельное определение моментов инерций звеньев механизма: Методические указания к лабораторным работам по ТММ. Часть 2. Алматы, 1994г.

9. Джумагулова Н.Б. Структурный и кинематический анализ механизмов: Методические указания к практическим занятиям по ТММ. Алматы, 2005г.

10. Джумагулова Н.Б. Динамический анализ и синтез механизмов: Методические указания к практическим занятиям по ТММ. Алматы, 2005г.

11. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. М., 1975.

12. Левитский Н.И. Теория механизмов и машин. М., 1979.

13. Теория механизмов и машин. Под ред. Фролова К.В. М., 1987.

14. Теория механизмов и механика машин. Под ред. Фролова К.В. М., 1998.

15. Артоболевский И.И., Эдельштейн Б.В. Сборник задач по теории механизмов и машин. М., 1973.

16. Баубеков С.Д. Механика роботов и манипуляторов. М., 2014.

Размещено на Allbest.ru