Основы робототехники

Основы робототехники

Основы робототехники. Учебник для втузов

Авторы: Юревич Е. И.

Ленинград, Машиностроение, 1985, 271 с.


Роботостроение — новое научно-техническое направление развития народного хозяйства, которое наряду с микропроцессорной техникой составляет основу комплексной автоматизации производства и создания гибких производственных систем. В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981—1985 годы и на период до 1990 года», принятых XXVI съездом КПСС, роботостроение отмечено в числе первоочередных задач развития отечественной науки и техники на этот период.

Быстрое развитие робототехники и применение ее практически во всех отраслях народного хозяйства и сферах человеческой деятельности диктуют необходимость расширить подготовку и переподготовку инженерно-технических кадров по робототехнике.

Учебник для втузов по общему курсу «Основы робототехники предназначен для студентов специальности «Робототехнические системы» (0654), а также для студентов, специализирующихся в области робототехники. Книга может быть рекомендована для инженеров, проходящих переподготовку по специальности «Механика и управление машинами — роботы и манипуляторы», и, кроме того, для инженеров и научных работников, занимающихся созданием и применением средств робототехники.

Учебник написан по материалам лекций, которые автор читает в Ленинградском политехническом институте им. М. И. Калинина для студентов-электромехаников.

 

Оглавление

Предисловие

Введение

Глава 1. История развития робототехники

1.1. Предыстория робототехники

1.2. Возникновение и развитие современной робототехники

1.3. Развитие робототехники в СССР

 

Глава 2. Управление движением человека

2.1. Постановка задачи

2.2. Динамические уровни управления движением

    Рефлекторное управление отдельным звеном (суставом) (25)

    Рефлекторное связанное управление несколькими звеньями тела (26)

    Управление с использованием внешней информации (27)

2.3. Тактический уровень управления движением

2.4. Стратегический уровень управления движением

Глава 3. Устройство роботов

3.1. Состав, параметры и классификация роботов

    Состав роботов (32)

    Классификация роботов по назначению (32)

    Классификация роботов по показателям, определяющим их конструкцию (33)

    Классификация роботов по способу управления (34)

    Классификация роботов по быстродействию и точности движений (35)

    Параметры, определяющие технический уровень роботов (36)

3.2. Маиипуляционные устройства роботов

3.3. Сбалансированные манипуляторы с ручным управлением

3.4. Рабочие органы манипуляторов

    Захватные устройства (42)

    Рабочий инструмент {44)

3.5. Устройства передвижения роботов

3.6. Устройства управления роботов

3.7. Сенсорные устройства роботов

Глава 4. Приводы роботов

4.1. Классификация приводов

4.2. Пневматические приводы

4.3. Гидравлические приводы

4.4. Электрические приводы

4.5. Комбинированные приводы

Глава 5. Системы управления роботами

5.1. Системы программного управления

    Системы циклового управления (90)

    Системы позиционного управления (93)

    Системы контурного управления (97)

5.2. Системы группового управления роботами

5.3. Системы адаптивного управления

    Обобщённая структурная схема системы управления очувствлен иыы роботом (101)

    Алгоритмы адаптивного управления (105)

    Программное обеспечение очувствленных роботов (108)

5.4. Системы интеллектуального управления

Глава 6. Динамика роботов

6.1. Основные принципы организации движения роботов

6.2. Основные кинедгатические соотношения для манипуляторов

6.3. Синтез траекторий движения манипуляторов во времени

6.4. Математическое описание динамики манипуляторов

6.5. Моделирование движений манипуляторов на ЭВМ

6.6. Синтез систем управления манипуляторами

Глава 7. Унификация и стандартизация в робототехнике

7.1. Общие понятия

7.2. Унификация

    Принципы модульного построения механической части роботов (149)

    Модульный подход к построению устройств управления роботов (152)

    Модульное построение систем программного обеспечения (157)

    Типажи и ряды роботов и роботизированных технологических комплексов (160)

7.3. Стандартизация

Глава 8. Роботизированные технологические комплексы

8.1. Классификация роботизированных технологических комплексов

8.2. Компоновки роботизированных технологических комплексов

8.3. Управление роботизированными технологическими комплексами

8.4. Этапы создания роботизированных технологических комплексов

8.5. Особенности создания роботизированных технологических комплексов в действующих производствах

    Применение ПР грузоподъёмностью до 1 кг (181)

    Использование ПР грузоподъемностью в единицы килограмм (до 25 кг) (183)

    Применение ПР и манипуляторов грузоподъемностью десятки килограмм н выше (186)

    Последовательность и общий порядок организации работ по внедрению ПР и манипуляторов на действующих производствах (186)

8.6. Гибкие производственные системы

Глава 9. Особенности применения промышленных роботов на основных технологических операциях

9.1. Классификация роботизированных технологических комплексов, в которых ПР выполняют основные технологические операции

9.2. Сборочные роботизированные комплексы

9.3. Сварочные роботизированные комплексы

9.4. Робототехнические комплексы для нанесения покрытий

Глава 10. Особенности применения промышленных роботов на вспомогательных операциях

10.1. Классификация роботизированных технологических комплексов, в которых промышленные роботы выполняют вспомогательные операции

10.2. Роботизированные технологические комплексы механообработки

10.3. Роботизированные технологические комплексы холодной штамповки

10.4. Роботизированные технологические комплексы в кузнечно-штамповочном производстве

10.5. Роботизированные технологические комплексы литья под давлением

Глава 11. Роботы немвшмюстроительиого применения

11.1. Классификация роботов

11.2. Роботы в немашиностроительных отраслях народного хозяйства

11.3. Космические роботы

11.4. Подводные роботы

11.5. Шагающие машины

Глаза 12. Социально-экономические аспекты робототехники

12.1. Особенности определения социально-экономической эффективности средств робототехники

12.2. Техника безопасности в робототехнике

Приложение 1. Основные этапы развития движений в живой природе

Приложение 2. Общая схема системы управления движением человека

    Нейроны (260)

    Мышцы (262)

    Рецепторы (263)

    Центральная нервная система (263)

Список литературы

 

 

Предисловие, краткое описание

Задача робототехники — это создание и применение роботов и основанных на их использовании робототехнических систем различного назначения. Возникнув на основе механики и кибернетики, робототехника породила новые направления их развития. Для механики это прежде всего связано с многозвенными механизмами типа манипуляторов, а для кибернетики — с интеллектуальным управлением, которое требуется для роботов с искусственным интеллектом.

Робот можно определить как универсальный автомат для осуществления механических действий, подобных тем, которые производит человек, выполняющий Физическую работу. При создании первых роботов и вплоть до сегодняшнего дня образцом для них служат физические возможности человека. Именно стремление заменить человека на тяжелых работах и породило сначала идею робота, затем первые попытки ее реализации (в средние века) и, наконец, обусловило возникновение и развитие робототехники и роботостроения (в последние десятилетия).

Как показано на рис. В.1, в состав робота прежде всего входят один или несколько манипуляционных устройств, которыми обычно являются механические манипуляторы. Такой манипулятор состоит из нескольких кинематических пар с поступательным или угловым перемещением, снабженных приводами (электрическими, гидравлическими или пневматическими). На конце манипулятора имеется рабочий орган в виде захватного устройства или какого-либо специального инструмента. Следующими частями робота являются устройство передвижения, если побот подвижный, и устройство автоматического управления. Последнее в свою очередь включает чувствительные (сенсорные) устройства — «органы чувств» робота, устройства обработки и хранения информации (вычислительное устройство) — «мозг» робота и устройства управления приводами манипуляционных устройств и устройств передвижения.

Из данного определения следует, что робот — это машина автоматического действия, которая объединяет свойства машин рабочих и информационных, являясь, таким образом, принципиально новым видом машин. В достаточно развитом виде роботы аналогично человеку осуществляют активное силовое и информационное взаимодействие с окружающей средой и могут обладать искусственным интеллектом. Правда, пока еще роботы очень далеки по своим возможностям от человека я прежде всего по интеллектуальным способностям.

При решении проблемы создания роботов одним из естественных путей является копирование человека и живой природы вообще. Однако не менее важен сейчас и тем более в перспективе поиск принципиально новых путей, определяемых возможностями современной техники. Пример первого подхода — создание механических рук шарнирного типа и захватных устройств со сгибающимися пальцами. Примеры второго подхода — использование электромагнитного поля для ориентации и взятия предметов и, наконец, колесный ход вместо шагания. Аналогичные примеры можно найти и применительно к проблеме очувствления (создание «сверхчувственных» органов наряду с копированием органов чувств животных и т. п.).

В качестве средств автоматизации роботы принципиально отличаются от других таких средств своей универсальностью (многофункциональностью) и быстротой перехода на новые операции (гибкостью). Под универсальностью мы понимаем универсальность самих рабочих органов робота и их движений, хотя сегодня до универсальности руки человека роботам еще далеко. (Правда, это компенсируется возможностью быстрой смены рабочих органов робота в процессе выполнения одной операции.) Универсальность управления движениями позволяет, в частности, выполнять и такие операции, которые невозможно заранее запрограммировать. Именно к ним относятся многие вспомогательные производственные операции, не поддающиеся традиционной механизации и автоматизации, поскольку последние основаны на сугубо специальных, т. е. «одноцелевых», средствах.

Универсальность роботов дает возможность автоматизировать принципияльяо любые операции, выполняемые человеком, а быстрота перестройки на выполнение новых операций при освоении новой продукции или иных изменениях в производстве позволяет сохранить за автоматизируемым с помощью роботов производством по крайней мере ту же гибкость, которую на сегодня имеют только производства, обслуживаемые человеком. Роботы потому и появились всего лишь примерно 20 лет назад, что именно сейчас назрела необходимость в таких универсальных и гибких средствах автоматизации, без которых невозможно осуществить комплексную автоматизацию современного производства с его большой номенклатурой и частой сменяемостью выпуска продукции, включая создание гибких автоматизированных производств.

В дополнение к изложенному заметим, что роль роботов в создании автоматизированных производств не сводится к использованию их только в качестве универсального средства автоматизации, т. е. для обслуживания основного технологического оборудования. Когда роботы выполняют основные технологические операции (сварку, окраску, сборку и т. д.), они являются уже не средством автоматизации, а сами выступают как основное оборудование.

Термин «робот», как известно, славянского происхождения. Его ввел известный писатель К. Чапек в 1920 г. в своей фантастической пьесе «R. U. R.» («Россумовские универсальные роботы»)» где так названы механические рабочие, предназначенные для замены людей на тяжелых физических работах. Название «робот» образовано от чешского слова robota, что означает тяжелый подневольный труд.

По способу управления роботов различают:

— роботы с программным управлением, которые работают по заранее заданной жёсткой программе, это так незываемые роботы первого поколения;

— роботы с адаптивным управлением, которые имеют средства очувствления и поэтому могут работать в заранеё не регламентированных и меняющихся условиях (брать произвольно расположенные предметы, обходить препятствия и т. д.); это роботы второго поколения;

— роботы с интеллектуальным управлением (с искусственным интеллектом), которые наряду с очувствлением имеют развитую систему обработки внешней информации, обеспечивающую им возможность интеллектуального поведений, подобного поведению человека в аналогичных ситуациях.

Помимо роботов для тех же целей широкое применение получили манипуляторы с ручным управлением (копирующие манипуляторы, телеоператоры и т. п.) и с различными вариантами полуавтоматического и автоматизированного управления, а также однопрограммные (не перепрограммируемые) автоматические манипуляторы (автооператоры и механические руки). Все эти устройства являются предшественниками роботов. Появились они главным образом для манипулирования объектами, непосредственный контакт с которыми для человека вреден или опасен (радиоактивные вещества, раскаленные болванки и т. п.). Однако хотя появление роботов, существенно сузило сферу их применения, эти простые средства механизации и автоматизации не потеряли своего значения, а отдельные их типы, такие, например, как сбалансированные манипуляторы с ручным управлением, переживают сейчас второе рождение, особенно в связи с проблемой механизация подъемно-транспортных работ.

Таким образом, весь класс перечисленных выше манипуляционных машин и механизмов, которыми занимается робототехника, имеет общее наименование «роботы и манипуляторы».

Определения приведенных выше терминов даны в соответствующих отечественных ГОСТах по этому новому научно-техническому направлению.

За рубежом в целом используют ту же терминологию. (Исключение составляет, пожалуй, только Япония, где в понятие «робот» включены все виды манипуляторов вплоть до ручных. Поэтому официальные японские данные о парке роботов, если при этом не делается соответствующих оговорок, оказываются завышенными в шесть-семь раз по сравнению с данными других стран, что иногда создает недоразумения при оценке парка роботов в мире).

Как уже было отмечено, именно историческая потребность современного производства в гибкой автоматизации с устранением человека из непосредственного участия в машинном производстве, а также недостаточность для этой цели традиционных средств автоматизации явились объективной причиной возникновения и развития робототехники. Поэтому задачей робототехники наряду с созданием собт ственно роботов является разработка основанных на их использовании систем и комплексов различного назначения. Роль роботов в таких системах и комплексах может быть различной — от основной, когда роботы осуществляют главные функции, до вспомогательной, когда роботы обслуживают основное оборудование, выполняющее эти функции.

Системы и комплексы, автоматизированные с помощью роботов» принято называть роботизированными. Роботизированные системы и комплексы, в которых роботы выполняют основные функции, могут быть названы робототехническими.

Наряду с внедрением в действующие производства роботы открывают широкие перспективы для создания принципиально новых технологических процессов, не связанных с весьма обременительными ограничениями, налагаемыми непосредственным участием в них человека. При этом мы имеем в виду как действительно очень ограниченные физические возможности человека (по грузоподъемности» быстродействию, точности, повторяемости и т. п.), так и требуемую для него комфортность условий труда (соответствующее качество атмосферы, отсутствие вредных внешних воздействий и т. п.). Сегодня необходимость непосредственного участия человека в технологическом процессе зачастую является серьезным препятствием при интенсификации производства и создании новых технологий.

Роботы получили наибольшее распространение в промышленности и прежде всего в машиностроении. Предназначенные для этой цели роботы называют промышленными роботами (ПР), а автоматизированные на их базе технологические комплексы — роботизированными технологическими комплексами (РТК). Не менее широкие перспективы имеют роботы в горнодобывающей промышленности, металлургии и нефтяной промышленности (обслуживание бурильных установок, модтажные и ремонтные работы), в строительстве (монтажные, отделочные, транспортные работы), в легкой, пищевой, рыбной промышленности.

Наряду, с использованием в промышленности роботы начинают внедрять и в другие области народного хозяйства: в транспорт (включая создание шагающих транспортных машин), в сельское хозяйство, здравоохранение (протезирование, хирургия — стерильная, дистанционная, микрохирургия, обслуживание больных и инвалидов, транспортировка), в сферу обслуживания (хозяйственно-бытовые и спасательные работы), для исследования и освоения океана и космоса, научных исследований (активное изучение объектов и сбор информации, моделирование объектов живой природы и человеческой деятельности).

Применение роботов наряду с конкретным технико-экономическим эффектом, связанным с повышением производительности труда, сменности работ оборудования и качества продукции, является одним из важных путей решения все более острой проблемы трудовых ресурсов, а также имеет большое социальное значение, так как позволяет освободить людей от тяжелого, опасного и монотонного труда. Можно сказать, что роботизация производства — это необходимая и обязательная материальная предпосылка превращения труда в первейшую жизненную потребность человека и преодоления различий между умственным и физическим трудом в сфере материального производства. При этом применение роботов способствует решению одного из серьезных противоречий современного производства между растущей специализацией трудовых операций как условием повышения производительности труда, с одной стороны, н необходимостью усиления содержательности и творческого характера труда, с другой.


Скачать книгу:
Основы робототехники — Юревич Е. И.