Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/robots2014/lect3.pdf ·...
TRANSCRIPT
![Page 1: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/1.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Введение в робототехнику
Лекция 3.Из чего состоят
интеллектуальные роботы?
![Page 2: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/2.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Робот =
• Механика (манипуляторы, движители)• Сенсорика, датчики или сенсоры
(sensors)• Приводы (актуаторы)• Система управления• Система взаимодействия с человеком• Система взаимодействия с другимироботами (и оборудованием)
![Page 3: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/3.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Архитектура системы управленияробота, основанная на знаниях
Подсистема восприятия Подсистема управления знаниями
![Page 4: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/4.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
![Page 5: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/5.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Механика манипулятораМанипулятор (промышленный робот)
Разомкнутая последовательностьзвеньев, начало которой закрепленона основании, а конец (схват) перемещается в пространстве.В соединениях звеньев имеютсяприводы для поступательного иливращательного перемещенийзвеньев друг относительно друга
![Page 6: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/6.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Роботы-манипуляторы
![Page 7: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/7.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Механика манипулятора (2)• Сложность кинематической схемы манипулятора характеризуют
числом степеней подвижности, в которое обычно не включаютстепень подвижности захватного устройства
• Степень подвижности — это возможность перемещения наплоскости одного звена манипулятора в ту или иную сторонуотносительно другого звена
• Каждая степень подвижности характеризуется– максимальной величиной поступательного или вращательного
перемещений,– временем перемещения,– максимальными скоростью и ускорением перемещения,– погрешностью позиционирования,– числом программируемых точек на траектории перемещения
звена,– погрешностью отработки траектории
![Page 8: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/8.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Механика манипулятора (3)
• Погрешность позиционирования — этомаксимальное отклонение рабочегооргана (схвата) от заданной точки приповторении циклов перемещения.
• Для роботов с электроприводомпогрешность позиционированиясоставляет 0,1–0,5 мм.
![Page 9: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/9.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Механика манипулятора (4)
• Погрешность отработки траектории — этомаксимальное отклонение фактическойтраектории перемещения рабочего органамежду точками А и В от траектории, заданнойпрограммой управления
• Рабочая зона — это пространство, в которомможет находиться рабочий органманипулятора или робота. Она зависит отразмеров звеньев, их перемещений икинематической схемы манипулятора.
![Page 10: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/10.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Механика манипулятора (5)
• Захватное устройство характеризуется– усилием захватывания,– временем захватывания,– временем отпускания,– максимальным и минимальным размерамиобъекта манипулирования.
![Page 11: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/11.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематика манипулятора
Транспортные (X,Y,Z) и ориентирующие (ax, ay, az)степени подвижности манипулятора
![Page 12: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/12.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематика манипулятора (2)
• Два соседних звена образуюткинематическую пару. В зависимости откомбинации соединений звеньеввозможно множество кинематическихсхем манипуляторов.
Соединения звеньев манипулятора:а — поступательное;б — вращательное
![Page 13: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/13.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Системы координат
• Цилиндрическая система координатреализуется двумя поступательными иодной вращательной кинематическимипарами
![Page 14: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/14.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Системы координат (2)• Сферическая (полярная) системакоординат реализуется двумявращательными и однойпоступательной кинематическимипарами
![Page 15: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/15.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Системы координат (3)
• Прямоугольная (декартова) системакоординат реализуется тремяпоступательными кинематическимипарами
![Page 16: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/16.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Системы координат (4)
• Угловая (ангулярная) системакоординат реализуется тремявращательными кинематическимипарами при шарнирном соединениизвеньев манипулятора
![Page 17: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/17.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Другие нетрадиционныекинематические схемы
• Селективная податливая рука сборочногоробота (SCARA — Selective ComplianceAssembly Robot Arm) изобретена Х. Макино(университет Яманаси, Япония).
• Звенья манипулятора взаимноповорачиваются в одной плоскости, арабочий орган совершает поступательныедвижения вверх или вниз
![Page 18: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/18.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематическая схема SCARA
В такой конструкциисочетаются свойства схем в угловойи цилиндрической системахкоординат.За счет жесткости конструкциив вертикальном направленииманипуляторы SCARA могут нестиповышенные нагрузки на рабочеморгане. Высокая точностьпозиционирования рабочего органа ибольшая рабочая зона позволяютособенно эффективно применятькомпоновку SCARA при сборке.
![Page 19: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/19.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематическая схема SPINE
• Манипулятор SPINE состоит измножества чечевицеобразных стальныхдисков, стянутых друг с другом двумяпарами тросов
а — тросы натянуты одинаково;б — тросы натянуты по-разному
![Page 20: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/20.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематическая схема ASEA
• Манипулятор ASEA напоминаетмаятник с карданным подвесомотносительно продольной ипоперечной осей
При скорости движений в 1,5 разабольше, чем у традиционныхманипуляторов, погрешностьпозиционированиясоставляет около 0,1 мм.
![Page 21: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/21.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Компоновка манипулятора FlexPicker(ABB Automation
(Швеция-Швейцария)
На осях четырех серводвигателей собщим управлением имеются диски, к каждому из которых прикрепленакинематическая пара свращательным соединениемзвеньев.Свободные концы звеньевкаждой пары соединены в однойточке, к которой прикрепленозахватное устройство.
![Page 22: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/22.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Кинематические моделиманипуляторов
![Page 23: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/23.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Уравнения кинематики манипулятора.Координаты рабочего органа P на оси
координат Xp, Yp, Zp
![Page 24: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/24.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Прямая и обратная задачикинематики
• При решении прямой задачи задают относительныеперемещения звеньев манипулятора, для которыхрассчитывают положение его рабочего органа в пространстве. Расчеты ведут с целью определения рабочей зоны робота длязаданных размеров и перемещений звеньев, а также оценкипогрешности позиционирования рабочего органа и отработкитраектории при заданных погрешностях перемещений звеньевманипулятора определенного размера.
• В обратной задаче, наоборот, задают координаты рабочегооргана в пространстве, для которых рассчитываютотносительные перемещения звеньев манипулятора. Еслипрямую задачу решают при изготовлении манипулятора, тообратную задачу решают на месте эксплуатации манипулятора, когда задано положение технологи ческого оборудования итребуется вывести рабочий орган манипулятора в заданнуюточку
![Page 25: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/25.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Прямая и обратная задачи кинематики (2)• Сложность решения прямой и обратной задач заключается в
том, что параметры движения каждого звена зависят не толькоот его привода, но и от движений предыдущих звеньев.
• Кроме того, каждое соединение звеньев имеет свою системукоординат, которую надо привести к системе координатрабочего органа.
• Особенно сложно рассчитывать скорости и ускорения движениязвеньев и рабочего органа с учетом переменных нагрузок, силинерции и трения.
• Если прямая задача кинематики имеет однозначное решение, то вывод рабочего органа манипулятора в заданную точкупространства в обратной задаче кинематики возможен приразных перемещениях звеньев
![Page 26: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/26.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Сенсоры (датчики)
Акселерометр, использующий пьезоэффект
Сенсор усилий
![Page 27: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/27.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Сенсоры (2)Ультразвуковой дальномер
Инфракрасный дальномер
Робот «Коала»
![Page 28: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/28.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Сенсоры (3)
• Видео сенсор
![Page 29: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/29.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Двигатели для роботов:• Пневматические
– Были у первых роботов• Гидравлические
– Обеспечивают большую грузоподъемность (более 50-100 кг)• Электрические
– Наиболее универсальные и легко управляемые
![Page 30: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/30.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Электродвигатели для роботов:
• Двигатели постоянного тока– с редуктором– без редуктора,
• Шаговые двигатели– Обеспечивают точное позиционирование назаданное количество шагов
• Сервомоторы– Электродвигатели с обратной связью, обеспечивающие точность угловогопозиционирования, скорости и ускорения
![Page 31: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/31.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Гидравлическийдвигатель
Шаговыйэлектродвигат
ель
Пневматическийдвигатель
Серво двигатель
Двигатели (actuators)
Пневматическийцилиндр
Электродвигатель постоянноготока
![Page 32: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/32.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Структура задач, решаемых системойуправления мобильного робота
![Page 33: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/33.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Набор Mindstorms LEGO NXT.Микрокомпьютер(Контроллер)
![Page 34: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/34.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Набор Mindstorms LEGO NXT.Сенсоры
Сенсор звука Сенсор расстояния Сенсор освещенности Серво мотор-тахометр(ультразвуковой сенсор) Сенсор касания
![Page 35: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/35.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Набор Mindstorms LEGO NXT.Примеры роботов. Робот для игры в
гольф
![Page 36: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/36.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Набор Mindstorms LEGO NXT.Примеры роботов. Робот-манипулятор
![Page 37: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/37.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Робот POP BOT на базеплатформы Arduino
![Page 38: Лекция 3. - nstu.ruermak.cs.nstu.ru/neurotech/html/metodmat/Robots2014/Lect3.pdf · А.В.Гаврилов НГТУ Робот= • Механика(манипуляторы,](https://reader036.vdocuments.mx/reader036/viewer/2022063020/5fe1abf80f65d24c6d0241ae/html5/thumbnails/38.jpg)
А.В.Гаврилов НГТУ
Робот POP BOT на базеплатформы Arduino (2)