И робототехнические системы

5.1. Классификация роботов
В целом роботы по использованию в различных сферах деятельности делят на три группы:

1. 
   человекоподобные (бытовые);
   
2. 
   информационные (исследовательские), предназначенные для сбора информации в средах, опасных или не доступных для человека;
   
3. 
   промышленные, предназначенные для автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности.
   

Промышленные роботы (ПР) имеют большое число классификационных признаков. Рассмотрим основные из них:

1. 
   По характеру выполняемых операций:
   
   • 
     технологические (производственные);
     
   • 
     вспомогательные (подъемо-транспортные);
     
   • 
     универсальные.
     
2. 
   По степени специализации:
   

• 
  универсальные (многоцелевые);
  
• 
  специализированные;
  
• 
  специальные (целевые).
  

3. 
   По способу управления:
   

• 
  с «жесткой» программой (I поколение);
  
• 
  адаптивные (II поколение);
  
• 
  интегральные (III поколение).
  

4. 
   По области применения (по виду производства):
   

• 
  механообработка;
  
• 
  кузнечно-прессовое производство;
  
• 
  литейное производство;
  
• 
  сборка;
  
• 
  сварка;
  
• 
  транспортно-складские и т. д.
  

5. 
   По грузоподъемности (главный параметр ПР).
   

Под номинальной производительностью ПР понимается наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, при котором гарантируется их захватывание, удержание и обеспечиваются установленные значения эксплуатационных характеристик ПР.
Если ПР имеет несколько рук, то оценивается грузоподъемность каждой руки.
По грузоподъемности (ГОСТ 25204-82) промышленные роботы подразделяются на:

1. 
   сверхлегкие – до 1 кг (0,08; 0,16; 0,32; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8; 1,0);
   
2. 
   легкие от 1 кг до 10 кг (1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0);
   
3. 
   средние от 10 до 200 кг (12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200);
   
4. 
   тяжелые от 200 до 1000 кг (250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000);
   
5. 
   сверхтяжелые – свыше 1000 кг (ряд R10 по ГОСТ 8032-56, начиная с 1250).
   

6. 
   По числу степеней подвижности:
   

• 
  с одной степенью подвижности;
  
• 
  двумя степенями подвижности;
  
• 
  с n степенями подвижности.
  

Число степеней подвижности манипулятора робота определяется как совокупность числа степеней свободы кинематической цепи манипулятора ПР в системе координат, относительно которой задаются геометрические характеристики рабочей зоны ПР.
Степени подвижности манипулятора делят на:

• 
  переносные, используемые для перемещения рабочего органа в пространстве;
  
• 
  ориентирующие, используемые для изменения положения РО в пространстве.
  

Как правило, достаточно 3–4 переносных степени подвижности (что дает больше сотни структурно-кинематических схем манипулятора). Для полной ориентации объекта достаточно 3-х вращательных ориентирующих степеней подвижности.

7. 
   По мобильности (по возможности перемещения):
   

• 
  стационарные;
  
• 
  подвижные (установленные на транспортное средство).
  

7. 
   По конструктивному исполнению (по способу установки):
   

• 
  напольные;
  
• 
  подвесные (портальные, тельферные);
  
• 
  встроенные (пристаночные).
  

7. 
   По виду основных координатных перемещений ПР разделяются на группы роботов, манипуляторы которых работают:
   

1. 
   в прямоугольной системе координат;
   
2. 
   в цилиндрической системе координат;
   
3. 
   в сферической системе координат;
   
4. 
   в угловой системе координат;
   
5. 
   в комбинированной системе координат.
   

Каждой из систем координат соответствует вполне определенная кинематико-компоновочная схема манипулятора, вид которой определяется конструктивным исполнением поступательных и вращательных звеньев.

7. 
   По типу силового привода:
   

• 
  пневматические;
  
• 
  гидравлические;
  
• 
  электромеханические;
  
• 
  комбинированные.
  

7. 
   По характеру программирования скоростей и перемещений (по виду управления):
   

• 
  жестко программируемые;
  
• 
  гибко программируемые.
  

При жестком программировании исполнительное устройство управляется по неизменной заранее введенной программе.
При гибком программировании – программа может изменяться на основе поставленной цели и информации об объектах управления и производственной среде.
При жестком программировании выделяют:

1. 
   цикловое управление, при котором движение рабочего органа происходит в упорядоченной последовательности с помощью путевых выключателей или времязадающих элементов (число точек обычно – две, три);
   
2. 
   позиционное управление, при котором движение РО происходит по заданным точкам позиционирования без контроля траектории движения между ними (цикловое управление является частным случаем позиционного).
   
3. 
   контурное управление, при котором движение РО происходит по заданной траектории с установленным распределением по времени значений скорости.
   
4. 
   комбинированное управление.
   

12. 
    По способу программирования:
    
    • 
      программируемые обучением (наиболее распространенный способ);
      
    • 
      программируемые аналитически;
      
    • 
      самообучение.
      

В первом случае управляющая программа формируется в режиме диалога СПУ с оператором. Оператор с помощью пульта управляет роботом, последовательно отрабатывая требуемые операции. При этом информация о движениях ПР заносится в запоминающее устройство СПУ робота.
При втором методе программа составляется на основе предварительных расчетов.
В третьем способе: программа формируется на основе информации о состоянии внешней среды.
Управляющая программа – это последовательность инструкций на некотором формальном языке. В общем виде для функционирования ПР необходима следующая информация:

1. 
   о последовательности выполнения шагов программы;
   
2. 
   о пространственном положении отдельных степеней подвижности;
   
3. 
   о времени выполнения отдельных шагов программы и отдельных управляющих команд.
   

Материальным носителем программы могут быть:

1. 
   механические устройства (упоры, кулачки, копиры и т.д.);
   
2. 
   коммутаторы (штекерные панели, барабаны, коммутаторные поля и т. д.);
   
3. 
   быстросменные программоносители (перфоленты, магнитные ленты, диски и т. д.).
   

13. 
    По быстродействию и точности движений.
    

Эти два параметра взаимосвязаны и характеризуют динамические свойства роботов. Между быстродействием и точностью позиционирования имеется определенное противоречие.
Быстродействие определяется скоростью передвижения по отдельным степеням подвижности:

• 
  малое быстродействие – до 0,5 м/с (до 90 град/с);
  
• 
  среднее (60–65 % ПР) – от 0,5 до 1 м/с (от 90 до 270 град/с);
  
• 
  высокое (20 % ПР) – более 1м/с (более 270 град/с).
  

Быстродействие современных ПР нельзя считать достаточным, оно должно быть повышено не менее чем в 2 раза.
Точность манипулятора характеризируется результирующей погрешностью позиционирования (при дискретном движении) или отработкой заданной траектории (при непрерывном движении).
Чаще всего точность характеризуется абсолютной погрешностью.

1. 
   Малая – при линейной погрешности > 1 мм;
   
2. 
   Средняя – от 0,1 до 1 мм. (60...65 %);
   
3. 
   Высокая – менее 0,1 мм (около 15 %).
   

Погрешность манипулирования ПР, предназначенных для выполнения наиболее грубых, например, транспортных движений, превышает 1 мм.
По сравнению с рукой человека недостатком современных ПР является снижение точности с увеличением скорости хода манипулятора. У человека эти параметры в значительной мере развязаны благодаря разделению движений на грубое (быстрое) и точное (медленное).
Наряду с классификационными параметрами ПР характеризуются параметрами, обусловливающими их технический уровень.