Manipulatory

Pojêciem „manipulator” bêdziemy okreœlaæ uk³ad mechaniczny przeznaczony do realizacji niektórych funkcji koñczyny górnej cz³owieka. Urz¹dzenia te pojawi³y siê w I po³owie XX wieku i s¹ stosowane dziœ coraz powszechniej, zw³aszcza tam, gdzie bezpoœrednia obecnoœæ cz³owieka jest niemo¿liwa lub niewskazana, np. ze wzglêdu na:

РradioaktywnoϾ,

– ciœnienie (wysokie i niskie), – temperaturê (wysok¹ i nisk¹), – toksycznoœæ,

– inne (kosmos, g³êbie oceanu ...).

Pocz¹tkowo tworzono je na wzór rêki ludzkiej, w podobne wyposa¿ano je czêœci (rys. 93) i od ³aciñskiego s³owa „manus” nadano mu nazwê. Dziœ przyjmuj¹ formy ju¿

Rys. 92. Schemat podwójnego sprzêg³a Cardana

9 3 zwykle nie antropomorficzne i znajduj¹ ró¿norakie zastosowania. Cykl rozwojowy ich zastosowañ zademonstrowano pog³¹dowo na rys. 94.

W pierwszych okresach rozwoju manipulatorów (pocz¹tek 1947 r.), s³u¿y³y one do powielania ruchów rêki ludzkiej w odizolowanej od cz³owieka przestrzeni (rys. 94a). Te pierwsze rozwi¹zania by³y jeszcze ma³o doskona³e – mechaniczne zwykle sprzê¿e-nie obu manipulatorów sprzê¿e-nie zapewnia³o potrzebnej dok³adnoœci i sprzê¿e-nie pozwala³o na wieksze obci¹¿enia. Z tego powodu nastêpne manipulatory wyposa¿ano w napêdy zasilane z oddzielnych Ÿróde³ (rys. 94b) – te znów nie dawa³y obs³uguj¹cemu poczu-cia obci¹¿enia.

Wady tej nie mia³y ju¿ rozwi¹zania manipulatorów obs³ugiwanych za pomoc¹ ser-womechanizmów (rys. 94c) zapewniaj¹cych odpowiednie proporcjonalne wspomaga-nie wysi³ku ludzkiego.

Ca³kowita eliminacja udzia³u cz³owieka w tym procesie by³a mo¿liwa dopiero przez ROBOTA (rys. 94d).

Urz¹dzenia te, przystosowane dziœ do realizacji ró¿nych czynnoœci manipulacyj-nych i lokomocyjmanipulacyj-nych, charakteryzuj¹ siê okreœlonym poziomem energetycznym i informacyjnym. Przechodz¹ obecnie gwa³towny rozwój poprzez ich kolejne genera-cje. Jeden z przyk³adów podzia³u na generacje podano w tab. 4.

Pozostawiaj¹c z³o¿ony problem robotów i ich rozwoju, zajmiemy siê dalej tylko zagadnieniem budowy ich mechanicznych ramion, tzn. manipulatorów.

Struktura manipulatorów

Zadaniem manipulatora jest sterowanie ruchem czêœci chwytnej, zwanej kiœci¹ lub chwytakiem [9]. Najogólniej punkt P tego chwytaka (rys. 95) powinien osi¹gaæ do-wolny punkt okreœlonej przestrzeni przy dodo-wolnym zorientowaniu osi a. Oznacza to, Tabela 4

Rys. 94. Ilustracja rozwoju manipulatorów: a) sterowany rêcznie, b) z napêdem mechanicznym, c) z napêdem serwomechaniczym, d) sterowany wg programu komputerowego

9 5

¿e na ogó³ chwytak powinien dysponowaæ mo¿liwoœci¹ przemieszczeñ wzd³u¿ trzech osi wspó³rzêdnych oraz obrotu wokó³ trzech osi. Dodatkowo niezbêdny jest te¿ jeden ruch chwytny palca [8].

W sumie liczba stopni swobody F chwytaka, zapewniaj¹ca ogóln¹ mo¿liwoœæ czynnoœci manipulacyjnych, wynosi siedem (F = 7). W rzeczywistoœci liczba F mo¿e byæ mniejsza w przypadkach specjalistycznych lub wiêksza, je¿eli usprawiedliwiaj¹ to szczególne okolicznoœci. Ogólnie wiêc spotkaæ mo¿na

3 £ F £ 9.

Najczêœciej manipulator stanowi ³añcuch kinematyczny otwarty o szeregowym po-³¹czeniu ze sob¹ kolejnych jego cz³onów, z parami kinematycznymi I klasy, zwykle obrotowymi lub postêpowymi. Nawet przy takich ograniczeniach liczba teoretycznie mo¿liwych odmian budowy omawianych urz¹dzeñ jest bardzo du¿a. Rozwa¿my dla przyk³adu niektóre odmiany uk³adów tego typu, opartych na ³añcuchach otwartych z³o¿onych z trzech cz³onów i dwóch par kinematycznych. Je¿eli dopuœciæ tylko dwie odmiany par – postêpow¹ i obrotow¹ – otrzymamy prostymi metodami kombinatoryki zestawienie mo¿liwych odmian (rys. 96a). Je¿eli tylko uwzglêdniæ dwie pozycje usta-wienia osi pary drugiej wzglêdem pierwszej, otrzymamy przypadki zestawione na rys. 96b. Oczywiœcie liczba mo¿liwych rozwi¹zañ ³añcuchów szybko roœnie wraz z liczb¹ cz³onów i par. Przy ³añcuchach z³o¿onych z czterech cz³onów i trzech par kine-mattycznych, uwzglêdniaj¹c tylko kolejnoœæ przyjêtych par postêpowych i obroto-wych, otrzymamy przypadki zestawione w tabeli 5. Ka¿dy z wymienionych w tej

Rys. 96. Przyk³ady struktur manipulatorów dwucz³onowych: a) rozwi¹zania ogólne, b) rozwi¹zania szczególne

tabeli przypadków reprezentuje ca³¹ rodzinê rozwi¹zañ ró¿ni¹cych siê wzajemnym ustawieniem osi par. Na rysunku 97 zestawiono dla przyk³adu kilka ró¿nych praktycz-nie stosowanych rozwi¹zañ.

Poza rozwi¹zaniami typowymi mo¿na równie¿ spotkaæ próby budowy manipulato-rów do zadañ specjalnych. Niektóre z nich nawi¹zuj¹ do bardzo oryginalnych i œmia-³ych rozwi¹zañ (rys. 98).

Struktura chwytaków

Spotykane wykonania chwytaków (rys. 99) ró¿ni¹ siê pomiêdzy sob¹ wieloma ce-chami, g³ównie jednak liczb¹ elementów chwytnych (palców) oraz rodzajem ruchów tych elementów. Najczêœciej s¹ to proste ruchy postêpowe (rys. 99a) lub obrotowe (rys. 99b), ale mo¿na te¿ spotkaæ ruchy ogólne p³askie czy np. ruchy translacyjne

9 7 Tabela 5

Rys. 98. Przyk³ady poszukiwañ rozwi¹zañ do zadañ specjalnych: a) manipulator segmentowy dŸwi-gniowy, b) z segmentami obrotowymi, c) w formie tr¹by s³onia

9 9

Rys. 99. Przyk³ady struktur chwytaków: a) z palcami o ruchu postêpowym, b) o ruchu obrotowym, c) o ruchu z³o¿onym, d) wieloprzegubowymi

(rys. 99c) zapewniaj¹ce równoleg³e prowadzenie palców przy zamykaniu. Do chwyta-nia elementów o nieokreœlonych bli¿ej kszta³tach s¹ stosowane czasem uchwyty juz bardzo wyszukane, np. przedstawione na rys. 99d. Dalsze ró¿nice w budowie chwyta-ków wynikaj¹ ze sposobu wymuszania ruchu palców. Zwykle ruchem wymuszaj¹cym (czynnym) w tym uk³adzie jest ruch postêpowy T_ij (ruch t³oka wzglêdem cylindra w si³owniku hydraulicznym czy pneumatycznym, ruch rdzenia wzglêdem cewki elektro-magnesu). Zamianê takiego ruchu T na ruch obrotowy R lub ogólny RT palców realizuje siê w praktycznych wykonaniach w sposób przedstawony np. na rys. 100. Odmiennie te¿ kszta³towane s¹ same zakoñczenia palców, stosownie do potrzeb mog¹ byæ p³askie i uprofilowane, sta³e i wychylne, sztywne i elastyczne itd.

Podstawowe cechy eksploatacyjne manipulatorów

U¿ytkownika manipulatora mog¹ interesowaæ takie cechy eksploatacyjne, jak: – manewrowoœæ,

– strefa robocza,

– wspó³czynnik serwisu.

Manewrowoœæ. Pojêcie to okreœla siê liczb¹ m stopni swobody cz³onów manipu-latora przy unieruchomionym uchwycie. Aby wyjaœniæ istotê rzeczy, przeanalizujemy przyk³adowy manipulator przedstawiony na rys. 101a. Przy takim wykonaniu uchwyt (5) ma szeœæ stopni swobody (W₅ = 6). Je¿eli uchwyt (5) w tym manipulatorze unieruchomiæ, to pozosta³e cz³ony ruchome (2), (3), (4) maj¹ zero stopni swobody wzglêdem podstawy (W₂₃₄ = 0). Manipulator ten charakteryzuje siê manewrowoœci¹ równa zeru (m = 0). Nietrudno zauwa¿yæ, ¿e kolejny przyk³adowy manipulator, przed-stawiony na rys. 101b, charakteryzuje manewrowoœæ m = 1. Cz³ony (2) i (3) mog¹ realizowaæ ruch obrotowy wokó³ osi ³¹cz¹cej obydwa przeguby kuliste. Ta cecha ma-nipulatora jest istotna, gdy¿ umo¿liwia doprowadzenie chwytaka (4) w okreœlone

po-³o¿enie przy ró¿nym uk³adzie w przestrzeni cz³onów (2) i (3). Jest to konieczne np. przy omijaniu okreœlonych przeszkód w przestrzeni manipulacji.

Strefa robocza. Tak nazywa siê miejsce manipulacji chwytaka. Jest to inaczej zbiór mo¿liwych po³o¿eñ punktu mocowania przemieszczanego manipulatorem przedmiotu.

Rys. 101. Ilustracja pojêcia „manewrowoœæ manipulatora”: a) ruchliwoœæ W₂₃₄ = 0, b) ruchliwoœæ W₂₃ = 1

101

Wielkoœæ i kszta³t strefy roboczej zale¿y od struktury manipulatora i jego wymia-rów geometrycznych. Zwykle jest to czêœæ przestrzeni (rys. 102a), ale mo¿e byæ wymia- rów-nie¿ fragment powierzchni (rys. 102b), a nawet w szczególnych przypadkach frag-ment linii (rys. 102c).

Strefy robocze dzieli siê dodatkowo na klasy w zaleznoœci od istnienia okreœlo-nych ograniczeñ, np. przeszkód.

Rys. 103. Ilustracja pojêcia „wspó³czynnik serwisu”: g – k¹t bry³owy wyznaczony przez oœ a chwytaka

Wspó³czynnik serwisu. Przedmiot o kszta³cie kulistym (i zbli¿onym do kulistego) umieszczony w punkcie P strefy roboczej mo¿e byæ podjêty przez chwytak manipula-tora na ogó³ przy ró¿nym usytuowaniu osi tego chwytaka (rys. 103). W³aœciwoœæ ta (bardzo wa¿na z punktu widzenia eksploatacji) nazywa siê serwisem i jest opisana iloœciowo tzw. wspó³czynnikiem serwisu. Wspó³czynnik ten wyra¿a siê stosunkiem wartoœci k¹ta bry³owego (y), w którym mo¿e zajmowaæ po³o¿enie oœ a chwytaka do ca³kowitego k¹ta bry³owego (4p)

θ ^ψ π = 4 (82) lub inaczej θ = s S^{, (83),}

gdzie: s – powierzchnia okreœlona zbiorem punktów przeciêcia osi a uchwytu z po-wierzchni¹ kuli (czasza),

S – powierzchnia ca³ej kuli. Widaæ z tego, ¿e

0 £ q £ 1,

przy czym q = 0 na granicach przestrzennej strefy roboczej.

Do wyznaczenia liczbowej wartoœci wspó³czynnika niezbêdna jest znajomoœæ struk-tury i geometrii uk³adu oraz po³o¿enie punktu w strefie roboczej. Na przyk³ad dla manipulatora przedstawionego na rys. 104a wspó³czynnik q dla punktu P, przyjête-go tak, ¿e AP + PC < CB + BA (czworobok ABCP jest korbowo-wahaczowy), jest

103

Rys. 104. Wspó³czynnik serwisu jest funkcj¹ geometrii manipulatora: a) q = 1, gdy ABCP jest czworobokiem korbowo-wahaczowym, b) q < 1, gdy ABCP jest czworobokiem dwuwahaczowym równy jeden (q = 1). W pozosta³ych przypadkach, tzn. gdy czworobok ABCP jest dwuwahaczowy (rys. 104b), q < 1.

Analiza kinematyczna i dynamiczna manipulatora

Zagadnienie zwi¹zane z wyznaczaniem parametrów kinematyki i dynamiki rozpa-truje siê metodami ogólnymi, wykorzystywanymi do analizy uk³adów kinematycz-nych. To samo dotyczy ich projektowania. Jednak w przypadku projektowania nale¿y zwróciæ szczególn¹ uwagê na uzyskanie:

– minimalnej energii kinetycznej, – minimalnych strat na tarcie,

– maksymalnego wspó³czynnika sprawnoœci,

– minimalnych czasów przejœæ pomiêdzy wymaganymi po³o¿eniami.

G³ówne problemy zwi¹zane z uk³adami manipulatorów to: dok³adnoœæ i obci¹¿e-nia dynamiczne