Konstrukce robotického ramene: 7 důležitých vysvětlení

by

Zdroj obrázku: Dreamstime

Předmět diskuse: Robotic Arm Design and How it works

Co je to robotické rameno?

Robotic Arm je mechanismus složený z vazeb, propojených vhodnými spoji, aby se dosáhlo požadovaných stupňů volnosti a prostorového pohybu pro zamýšlenou práci. Robotický manipulátor lze často naprogramovat na konkrétní úkoly. Vzhledem ke své funkční podobnosti s lidskou rukou je také označován jako antropomorfní.

Vezměme si výrobní průmysl, kde lidé používají nástroje, ale provádějí konečné úkoly výroby produktu sami. Nyní může robotické rameno provádět mnoho operací od řezání kovů, spojování kovů, pick & place a montáž komponent až po označování produktů, lakování stříkáním atd., a to samo bez lidského zásahu. Použití elektrických motorů a elektronických zařízení, jako jsou mikrokontroléry k pohonu mechanických spojů a spojů, činí manipulátor soběstačným a důležitou součástí návrhu robotického ramene.

def 1 upraveno
Robotické rameno Design: Typická robotická ruka

Schopnost robotického ramene reprodukovat výsledky s minimální chybou zvyšuje jeho efektivitu a rychlost provozu, a proto ideální design robotického ramene snižuje dobu a náklady cyklu produktu. Bez lidského zásahu se také výrazně sníží riziko zranění, což usnadní manipulaci s nebezpečnými materiály.

Druhy robotického ramene

Kartézský robot / portálový robot: Prostorový pohyb a umístění jsou definovány v kartézském souřadnicovém systému a jeho rameno se skládá ze tří hranolových spojů. Použití tohoto robota sahá od práce typu pick and place, manipulace s obráběcími stroji, provádění svařování elektrickým obloukem, aplikace tmelů a provádění montážních operací.

Válcový robot: Osy tohoto robota jsou nastaveny ve válcovém souřadnicovém systému. Používá se pro manipulaci se stroji na tlakové lití, manipulaci s obráběcími stroji, provádění montážních operací a bodové svařování.

Kulový robot / Polární robot: Jeho osy tvoří polární souřadnicový systém a používá se při operacích svařování plynem, obloukem a bodovým svařováním, tlakovým litím mechanismu fettling a manipulaci s obráběcími stroji.

Robot SCARA: To znamená Selective Compliance Assembly Robot Arm, což je zvláště užitečné pro malé robotické montážní operace. Jak název napovídá, poskytuje poddajnost v jedné rovině se dvěma rovnoběžnými rotačními spoji a je tuhý ve třetím směru. Používá se k manipulaci s obráběcími stroji, nanášení tmelů, montážních operacích a při vychystávání a umisťování.

Kloubový robot: Rameno tohoto robota má minimálně tři otočné klouby. Robotic Arm Design se používá v rozsahu od svařování plynem a obloukem, sprejového lakování, nanášecích strojů, tlakového lití a montážních operací.

Paralelní robot: Robot se současnými hranolovými nebo rotačními spoji. Slavnými příklady jsou Stewart Platform a robot Delta. Tento typ robota se používá v letových simulátorech v kokpitu a seřízení optických vláken.

Antropomorfní robot: Design robota, který se podobá lidské ruce s nezávislými prsty.

Co znamená Robotic Arm Design ?

mechanické provedení robotické paže

Mechanický aspekt konstrukce robotického ramene, inspirovaný lidskou rukou, tvoří několik vazeb, o nichž lze předpokládat, že tvoří kinematický řetězec. Spoje jsou spojeny spoji, které mechanismu poskytují potřebné rotační a translační schopnosti. Část konstrukce robotického ramene, která interaguje s prostředím, je obvykle poslední odkaz a nazývá se to koncový efektor neboli nástroj konce ramene (EOAT). To je místo, kde by ruka byla v lidské paži.

Stupně svobody

V Robotic Arm Design se stupeň volnosti (DoF) robota určuje pomocí celkového počtu volnosti tuhého těla minus počet omezení jeho pohybu. Tato omezení pohybu často pocházejí z kloubů. Například revolučný a hranolový spoj nabízejí každý jeden stupeň volnosti mezi dvěma těly, která spojují. Univerzální kloub nabízí dvě relativní DoF a kulový kloub nabízí tři relativní DoF.

Robotické rameno
Design robotického ramene: Stupeň svobody kreditní obrázek: https://www.convict.lu/Jeunes/5%20DOF%20Robot-arm-Dateien/5_DOF.gif

V Robotic Arm Design sériových a paralelních manipulátorových systémů je koncový efektor umístěn s pěti stupni volnosti, skládající se ze tří translačních DoF a dvou pro orientaci. Lze tak získat přímý vztah mezi polohou ovladače a konfigurací manipulátoru.

Grublerův vzorec se opakovaně používá k určení DoF robotického ramene, které se domnívá, že omezení za podmínky, že klouby jsou samosprávné.

Stupeň volnosti popisuje robotické rameno. Například v případě sériového robota číslo charakteristicky označuje počet jednoosých rotačních kloubů v rameni, kde větší počet určuje lepší flexibilitu při zarovnávání nástroje, takže je to důležitý parametr pro návrh robotického ramene.

Pracovní prostor robota

Pracovní prostor robota (také známý jako dosažitelný prostor) je definován sběrem všech bodů, které lze dosáhnout koncovým efektorem. Existuje mnoho proměnných, na kterých pracovní prostor závisí: délky spojení, rotační a translační limity, celková konfigurace mechanismu atd. Pracovní prostor návrhu sériového robotického ramene je popsán na obrázku níže. Je to typický pracovní prostor 4 ramene robota DoF. Stupeň volnosti (DoF) nabízený rotací zápěstí není zahrnut, protože pracovní prostor robota nezávisí na jeho orientaci.

Pracovní objem vytvořený tímto způsobem definuje funkční prostor pro robota, který lze změnit změnou délky spojení a povolených stupňů volnosti mechanismu.

Mechanická konstrukce může být omezena na 6 DoF, protože umožňuje všechny potřebné pohyby. To vám pomůže udržet kontrolu nad cenou a složitostí robota.

Typické znázornění pracovního prostoru pro různé typy robotických ramen je uvedeno níže:

Design elektroniky robotické paže

Řízení servomotoru

V závislosti na zdroji vstupního napájení jsou serva buď motory AD nebo DC (napájené z baterie). Obecně platí, že servomotory poskytují vysoký poměr točivého momentu k setrvačnosti, kterého je dosaženo zabudovaným převodovým systémem. Zpětnovazební regulační smyčka umožňuje velmi vysokou přesnost. Malé a kompaktní stejnosměrné servomotory jsou velmi oblíbené u hraček, vzdělávacích robotických aplikací a RC letadel. Většina servomotorů má limit otáčení asi 90 až 180 stupňů.

Některé motory však mohou poskytovat vyšší úhlové pohyby. Díky schopnosti nabídnout extrémně vysokou přesnost prostorové orientace jsou servomotory ideální volbou pro použití v robotických pažích a nohách, hřebenovém řízení a snímači snímačů. Je snadné implementovat smyčky ovládání rychlosti a úhlu, protože tato serva jsou zcela samostatná.

Servo zapojení: Servomotory mají obvykle tři vodiče: Uzemnění je identifikováno pomocí černé nebo hnědé. Napájení je identifikováno červeně. Signální vodič je identifikován prostřednictvím žluté, oranžové nebo bílé (3–5 V).

Napětí serva (červené a černé / hnědé vodiče): Provozní napětí servomotoru se obvykle pohybuje od 4.8 V do 6 V. Některé servomotory malé velikosti pracují s menším napětím a k dispozici jsou také některé servomotory Hitec, které pracují s vyšším jmenovitým napětím.

Signální vodič (žlutý / oranžový / bílý vodič): Zatímco je servomotor napájen černým a červeným vodičem, příkazy pro ovládání servomotoru jsou poskytovány prostřednictvím signálního vodiče. Obecně se logická obdélníková vlna specifické vlnové délky (~ 50 Hz) odesílá do serva, které ji orientuje do určitého úhlu, protože vlnová délka se mapuje přímo do úhlu serva. Například v případě Arduino Mega přijímá i / ps z PC a generuje pravoúhlou vlnu, která pak řídí úhlovou orientaci servomotoru.

Mikrokontrolér (základní koncept Arduina)

Servomotory využívají mikrokontroléry k řízení jejich přesnosti a úhlové polohy. Arduinos (jednodeskový mikrokontrolér) jsou jedním z takových příkladů, které lze naprogramovat podle aplikace. Je určen pro procesor Atmel AVR s napájením integrovaných I / O struktur s připojením USB.

Robotické ovládání paží

Robotická ramena mohou mít manuální ovládání nebo autonomní funkci. V manuálním režimu je robot naučen plnit své úkoly vyškoleným operátorem (programátorem), který k provádění cíle používá přenosné ovládací zařízení (přívěsek pro učení). Jedná se o relativně pomalý postup.

Typické robotické rameno má víceúrovňové nastavení ovládání, včetně mikrokontroléru, ovladače a počítačového uživatelského rozhraní. Koncepty inverzní kinematiky se používají k zajištění flexibility v programovacích a řídicích metodách. Tato implementace je možná také prostřednictvím ručního režimu. Typický mikrokontrolér má přidruženou vývojovou / programovací desku.

Inverzní kinematika

Základní koncepcí Forward Kinematics je určit orientaci a polohu koncového efektoru, jsou-li známy úhly kloubu a délky spojení ramene robota. Zpět je v inverzní kinematice, když je známa požadovaná poloha koncového efektoru, a cílem je zjistit úhly kloubu k dosažení cíle.

Zvažte například znázornění planárního robotického ramene DoF 2, jak je uvedeno výše. Chcete-li lokalizovat koncový efektor ve známé poloze v kartézském prostoru, souřadnice koncového efektoru se stanou vstupními proměnnými x a y vzhledem k základně, která je brána jako počátek.

Výběr koncového efektoru

Roboti se používají pro různé aplikace. Pro splnění uvedeného cíle je třeba zvolit koncový efektor. Může to být buď rukojeť jako chapadlo určené pro operace pick and place na určené místo, jak je znázorněno níže, nebo svařovací rozhraní pro držení elektrod. Manipulátor může mít rozhraní stříkací pistole pro účely malování nebo platformu pro simulátory, což z něj činí složitý mechanismus a nejdůležitější část robotického ramene. Koncový efektor může být pneumatický, elektrický nebo hydraulický. Koncové efektory obvykle řídí servomotor.

Výhody a nevýhody robotického ramene

Výhody robotického ramene

  • Zvýšená produktivita.
  • Jsou schopny efektivně využívat zdroje a suroviny.
  • To poskytuje flexibilitu při práci.
  • Snižuje dobu cyklu výroby produktu.
  • Z důvodu vad se počítá menší odmítnutí produktu.
  • Extrémně vysoká opakovatelnost a přesnost, čímž se minimalizují chyby a zvyšuje výkon.
  • Bezpečnější manipulace s nebezpečným materiálem, protože je sníženo riziko života.

Nevýhody robotické paže

  • Odpovědný za nezaměstnanost.
  • Vysoké náklady na vybavení a vybavení.
  • Flexibilita a funkčnost omezená designem ve srovnání s lidskou rukou, která může plnit více úkolů.
  • Programování úkolů s vysokou přesností je výzvou.
  • Rozsáhlý požadavek na instalaci senzoru pro zpětnou vazbu k provádění přesné práce.
  • Nadcházející výzvy související s umělou inteligencí a strojovým viděním.
  • Zpoždění údržby po poruše a zpoždění výrobní linky.

Pozoruhodné aplikace robotické paže

Robotická ramena ovlivňují náš život ve velkém měřítku, protože hrají zásadní roli v průmyslových odvětvích od balení potravin přes výrobu automobilů až po vesmírné aplikace. Některé pozoruhodné příklady jsou uvedeny níže:

Ve vesmíru je Mezinárodní vesmírná stanice (ISS) instalována spolu s Canadarm a jeho nástupce Canadarm 2, což jsou obě robotická ramena s více DoF. Canadarm1, oficiálně uznaný jako Shuttle Remote Manipulator System (SRMS), byl zaměstnán k nasazení, manévrování a přepravování užitečného zatížení na raketoplány raketoplánů. Rovněž byl vybaven systémem senzorů výložníku Orbiter (OBSS) k posouzení poškození systému tepelné ochrany.

Canadarm-2 hraje zásadní roli při sestavování a údržbě ISS a podporuje dokování kosmických lodí a výstupů do vesmíru astronauty.

Projekt Zvědavost rover, který přistál na planetě Mars, pomocí robotického ramene vybral a umístil nástroje a sbíral vzorky z terénu. Další přistávací modul Mars nazvaný InSight se může pochlubit robotickým ramenem s názvem Instrument Deployment Arm (IDA), které je dlouhé přibližně 1.8 m s ramenními lokty a zápěstními klouby k provádění funkcí, jako je nasazení sondy tepelného toku hluboko do terénu. Má také drapák pro pět prstů a opatření pro montáž kamer.

Mise NASA ke studiu asteroidů a odebírání vzorků pomocí kosmické lodi OSIRIS-Rex využívá ke sběru vzorků robotické rameno TAGSAM.

Pro bezpečnost lidí a pomoc ozbrojeným silám jsou vyráběny jedinečné robotické paže. Konstrukce robotického ramene může synchronizovat jeho pohyb s operátorem, který je na dálku.

Chirurgický systém da Vinci schválený FDA se skládá ze tří až čtyř interaktivních robotických ramen, která poskytují chirurgickou pomoc s minimálně invazivním přístupem.

Chcete-li vědět o robotické ruce Pick and Place, klikněte zde.

Také čtení:

     

Zanechat komentář