Надёжность промышленных роботов

Введение

Серийное изготовление промышленных роботов (ПР) в нашей стране начато в конце 1960-х гг. Их выпуск как у нас, так и за рубежом постоянно наращивается. Непрерывно расширяются области применения роботов. Их используют для перемещения деталей и заготовок, для установки заготовок на станках и снятия готовых деталей. Перспективными областями применения ПР являются технологические процессы, неблагоприятные для здоровья человека: окраска, сварка, литье и др.
С повышением точности позиционирования осваивается использование роботов для процессов сборки, механической обработки деталей. Современные роботы отличаются высокой жесткостью и возможностью воспринимать внешние нагрузки, фиксируя положения осей после позиционирования с помощью механических тормозов. Это позволяет использовать роботы со сверлильными и фрезерными устройствами.
В реферате рассмотрены основные показатели надежности промышленных роботов


1. Эволюция промышленных роботов

В настоящее время робототехника становится неотъемлемой частью производственной деятельности человека.
История промышленного робота (ПР) берет начало с 1954 года, когда американский инженер Джордж Деволподал заявку на патент изобретения способа управления погрузочно-разгрузочным манипулятором с помощью сменных перфокарт. В 1956 г. Д. Девол организовал первую в мире компания по производству ПР.
Промышленный робот - автоматическая машина, включающая в себя захватное устройствои перепрограммируемое устройство управления и предназначенная для
выполнения в процессе производства двигательных и управляющих функций, заменяющих аналогичные функции человека, при перемещении предметов производства и (или) технологической оснастки[ 1 ].
Любой ПР состоит из трех основных частей: манипулятора - механической руки с одной или несколькими степенями свободы, источника энергии и компьютеризированного устройства управления.
Этапы эволюции ПР.
В настоящее время различают три поколения ПР:
1)программные;
2)адаптивные;
3)интеллектуальные.
В начале своего существования ПР использовались в качестве «дублера человека», т.е. выполняли только транспортные функции, такие как перемещение объектов в пространстве, подача заготовок в рабочую зону станка и т.п. Основной целью использования ПР было избавление человека от монотонного неквалифицированного труда и сокращение вспомогательного времени при выполнении технологических операций.
Современные ПР способны заменить человека при выполнении сложных технологических операций, таких как сварка, окраска, нанесение клеевого слоя, выполнение механической обработки, сборка изделий и др.
Зачастую движения робота нельзя полностью запрограммировать на выполнении технологических операций. Для решения этой проблемы современные ПР оснащаются «органами чувств», такими как техническое зрение, системами силомоментного очувствления ультразвуковыми локаторами и др.[2]
Важным параметром ПР является форма рабочей зоны его манипулятора - область окружающего пространства, в пределах которой робот может осуществлять манипулирование.
По форме рабочей зоны различают:
1)роботы, функционирующие в прямоугольной системе координат;
2)роботы, функционирующие в цилиндрической системе координат;
3)роботы, функционирующие в сферической системе координат;
4)роботы, работающие с вращающимися системами координат (шарнирный робот). По компоновке различают:
1)роботы, основанные на элементах последовательной (традиционной) кинематики;
2)роботы, основанные на механизмах параллельной кинематики со штангами постоянной или переменной длины.
ВПР обычно применяют следующие механизмы параллельной структуры[3]:
1)«дельта»;
2)«триглайд»;
3)«гексапод».
История ПР насчитывает всего шестьдесят лет, однако за это время роботы прошли большой путь своего развития от простых, выполняющих элементарные манипуляции с объектами, до высокоинтеллектуальных, способных принимать решения и выполнять сложные технологические операции.

2. Надежность манипуляционных роботов

Надежность работы МР является одним из основных показателей качества их эксплуатации. В большинстве публикаций, вышедших к настоящему времени, отражены отдельные исследования, в которых рассматриваются вероятностные модели механизмов с замкнутой кинематической цепью.
В процессе работы МР при управлении его движением заданные параметры конфигурации (положения и ориентации) звеньев преобразуются в соответствующий упорядоченный набор обобщенных координат. Это преобразование является результатом решения обратной задачи кинематики. Информация о полученном наборе координат направляется в управляющее устройство, формирующее исполнительные сигналы для приводов, находящихся в сочленениях МР. Данные приводы обеспечивают заданные перемещения звеньев, в результате чего формируется конфигурация МР.
При практической реализации данного алгоритма возникает определенное расхождение между заданной и фактически полученной конфигурацией МР, обусловленное возникающими погрешностями (ошибками). Приведем основные возможные причины возникновения этих погрешностей.
Производственно-сбороиные погрешности
Отклонения кинематических параметров руки МР от номинальных могут быть вызваны производственными и сборочными допусками. Эти отклонения могут быть минимизированы заданием минимально возможных допусков. Практически такой подход неприемлем ввиду связанных с этим больших издержек производства. Альтернативой такому подходу является определение максимально точных значений кинематических параметров путем применения адекватных методов идентификации. Однако это, в свою очередь, потребует использования сложных измерительных устройств. Помимо этого, процедуры измерений являются трудоемкими и малоэффективными для применения в массовом производстве. Поэтому для определения параметров каждого МР, сходящего со сборочной линии, их использование неприемлемо. При этом следует отметить, что даже абсолютно точное измерение параметров МР не может идеально обеспечить его заданную конфигурацию ввиду систематически возникающих случайных ошибок в полученных значениях обобщенных координат его элементов.
Погрешности приводов и алгоритмов управления
Погрешности этого вида порождаются рядом причин, среди которых существенное значение имеют следующие: наличие зазоров в зубчатых передачах, упругость зубчатых передач, систематические ошибки двигателей приводных устройств, а также накопление погрешностей, вызванных округлениями значений параметров в алгоритмах управления.
Все эти погрешности вызывают тенденцию дрейфа значений обобщенных параметров МР. Частичной компенсации этих погрешностей можно достичь установкой в кинематических парах датчиков, передающих считываемую ими информацию о фактических значениях обобщенных координат в канал обратной связи. Поскольку разрешающая способность датчиков реально ограничена, то такого рода погрешности полностью исключить невозможно.
Погрешности, обусловленные зазорами в подшипниках
Погрешности этого рода влияют на величины кинематических параметров МР и для различных типов КП построены соответствующие им математические модели погрешностей, возникающих при работе МР.
Все вышеупомянутые погрешности имеют вероятностную природу

. Однако существуют погрешности, не носящие случайного характера. К таким погрешностям относятся, в частности, погрешности, обусловленные упругой деформацией звеньев МР. Эти погрешности относятся к существенным для малогабаритных МР, работающих с большими скоростями. Однако для большинства МР с достаточно жесткими звеньями погрешности данного рода являются малосущественными.
Если отклонения кинематических параметров отдельного МР от заданных (номинальных) являются пренебрежимо малыми, так что их вероятностное распределение соответствует изменениям кинематических параметров целого класса МР данного типа, то такого рода погрешности по характеру являются глобальными.
Как известно, каждый конкретный МР имеет индивидуальные систематические ошибки измерения обобщенных координат. Вследствие этого данные ошибки можно считать локальными. Распределения этих погрешностей отвечают не только дрейфу обобщенных координат данного конкретного МР, но и отклонениям, соответствующим определенному классу МР.
Степень надежности МР, согласно равенству , измеряется вероятностью, полученной путем интегрирования функции плотности вероятностей, которая, в свою очередь, есть функция математических ожиданий совокупности параметров конфигурации МР. Следовательно, различным конфигурациям РО в конфигурационном пространстве соответствуют определенные (вообще говоря, различные) показатели надежности МР. Вследствие этого, если расположение РО не задано, то получить единственное значение надежности принципиально невозможно.
Как правило, МР промышленного применения выполняют ряд повторяющихся программно заданных операций. Это позволяет выделить в рабочем пространстве позиционные точки, в которых МР выполняет конкретную операцию или программно заданную последовательность операций. Тогда имеется возможность определить показатели надежности, соответствующие данным позиционным точкам.
В случаях, при которых для выполнения данной задачи МР может принимать несколько конфигураций, предоставляется возможность выбрать из этого множества конфигурацию, обеспечивающую более высокую надежность.
Способность МР достичь заданной конфигурации в конфигурационном пространстве характеризуется его точностью, определяемой расстоянием между заданным и фактическим положением РО. В свою очередь, показателем точности может являться повторяемость МР, т.е. его способность повторить свое движение с заданной точностью. Повторяемость определяется расстоянием в конфигурационном пространстве между конечными положениями РО при многократном выполнении одной и той же операции.
Для выполнения МР работы высокого качества показатели точности и повторяемости являются определяющими.
Показатели надежности можно применить для оценки как точности, так и повторяемости МР. Точность определяется погрешностями его кинематических параметров и обобщенных координат. Тогда надежность, вычисленная как функция математических ожиданий совокупности кинематических параметров и обобщенных координат, является достоверным критерием точности МР.
Повторяемость МР определяется только погрешностями обобщенных координат. Считая все кинематические параметры детерминированными и учитывая только математические ожидания обобщенных координат, вычисленную на их основе надежность можно принять за достоверную оценку повторяемости МР. Это обеспечивается путем применения приведенного выше алгоритма, в котором стандартные отклонения всех кинематических параметров предварительно положены равными нулю.

3. Анализ надежности шагающих роботов

Существует множество видов роботов. Одни роботы представляют собой неподвижные механизмы, другие могут двигаться. Роботы могут ходить, летать или ползать, плавать или прыгать. И у каждого из роботов есть свои плюсы и свои минусы, и каждый робот предназначен для конкретных целей. В настоящее время существуют роботы способные само-обучаться и самостоятельно принимать решения.
Существуют разные подходы к созданию роботов. Если робот перемещается по поверхности, то основными условиями для него являются: рельеф поверхности, действие внешних сил, скоростные показатели.
В современной робототехнике можно выделить следующие направления разрабатываемых систем перемещения (плавающие и летательные аппараты рассматриваться не будут):
•Колесные и гусеничные роботы
•Шагающие роботы
•Гибридные роботы
•Специализированные роботы
Колёсный способ позволяет достигать очень хороших скоростных показателей и легкое изменение траектории движения на ровных поверхностях. Примером таких роботов может служить Sand Flea [4]. Недостатком колесной конструкции является сложность или невозможность преодоления препятствий с резким перепадом высоты, пробуксовка вследствие недостаточного сцепления колес с поверхностью или провал колеса при перепаде высот. Гусеничные конструкции, такие, как iRobot Warrior [5], не так легко изменяют траекторию при движении, но получают возможность поворота на месте. Также гусеницы решают некоторые проблемы колесной конструкции - провал колеса при небольшом, но резком перепаде высот поверхности. Тем не менее, если перепад высот резкий (угол наклона более 45°) и высота преграды превышает около трети диаметра колеса, то преодолеть преграду будет затруднительно.
Преимущества:
•Высокие скоростные показатели
•Легкое изменение траектории движения
•Плавность и равномерность движения
•Разворот на месте (преимущественно для гусеничных машин)
Недостатки:
•Сложность преодоления препятствий с резким перепадом высоты (ямы)
•Сложность преодоления препятствий выше уровня нижней трети колеса (уступ)
•Движение только в двух направлениях, находящихся в плоскости колес.
•Сложность реализации перемещения в любом направлении с места без разворота
•Сложность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.
Шагающие роботы - ещё один распространенный вид передвигающихся роботов. LittleDog [3] - один из таких роботов. Конструкция и алгоритм ходьбы строится на основе материалов наблюдений за живым существом. Существуют различные виды шагающих роботов, однако можно выделить общие черты, и как следствие преимущества и недостатки.
Преимущества:
•Преодоление препятствий с резким перепадом высоты (яма)
•Возможность преодоления препятствий высотой до уровня крепления конечности (уступ)
•Разворот на месте
•Возможность реализации движения в любом направлении с места
•Возможность удержания горизонтальной ориентации корпуса на поверхности с различными уровнями высот.
Недостатки:
•Небольшая скорость перемещения
•Возможна неравномерность движения
•Сложность реализации конструкции (преимущественно для двуногих роботов).
Гибридные [6] - аппараты, способные перемещаться как при помощи колес, так и при помощи конечностей. Основным преимуществом таких аппаратов является сочетание высоких адаптационных возможностей шагающих машин и высокая скорость и устойчивость, а также простота управления, колесных шасси, в случаях, когда аппарат перемещается по плоской или ровной с малыми неровностями поверхности