Камынин С.С.

Принципы проектирования и разработки многофункциональных программируемых роботов


Под редакцией Д.А.Корягина
М.: ИПМ имени М.В.Келдыша РАН, 1992. 264 с.
Монография, подготовленная коллегами.



ОТ СОСТАВИТЕЛЕЙ.

В декабре 1986 года скоропостижно скончался Сергей Сергеевич Камынин, талантливый ученый, добрый и скромный человек.

Круг научных интересов С. С. Камынина был необычайно широк. Он с успехом занимался вопросами баллистики и небесной механики, разработкой алгоритмических языков, информационно-поисковыми и экспертными системами, задачами распознавания образов и т.д. Его отличало редкое умение - видеть и формулировать задачи задолго до того, как они становились актуальными, и находить для них простые, ясные и остроумные решения.

Особенно ярко многогранность таланта С. С. Камынина проявилась в цикле его последних работ, связанных с проектированием и созданием робототехнических систем.

В начале 80-х годов им вместе с группой сотрудников ИПМ АН СССР и ИАЭ им. И. В. Курчатова в рамках работ по теме КАПРИ (Комплексная Автоматизация Проектирования, Разработки и Изготовления изделий машиностроения) был создан адаптивный многоцелевой промышленный робот, получивший название РК-1. Необходимость создания нового робота была обусловлена тем, что в то время на внутреннем рынке отсутствовали или были труднодоступными роботы, пригодные для использования в гибких автоматизированных производствах.

Разработанные С. С Камыниным от начала до конца, от общей оригинальной идеи до технического проекта, манипулятор, система управления и программное обеспечение робота РК-1 поражают концептуальной цельностью и логической простотой. Именно это позволило компенсировать несовершенство отдельных технических элементов (робот создавался на базе составляющих только отечественного производства) и достичь высоких технических характеристик. Обеспечивая высокую точность выполнения различных операций, робот обладает хорошим отношением веса переносимого груза к собственному весу и имеет низкий расход энергии. Он прост и технологичен в изготовлении. Благодаря высокоразвитому управлению робот способен на адаптивное поведение даже при использовании только простейших средств очувствления (датчиков положения степеней свободы манипулятора). Язык программирования имеет высокий уровень и позволяет пользователю работать с роботом при очень малом предварительном обучении.

Робот РК-1 по своим характеристикам стоит в ряду лучших зарубежных образцов, применявшихся в промышленности в первой половине 80-х годов.

Работы по проектированию робота были начаты в 1982 году, а в конце 1983 года был изготовлен его первый образец. В течение 1984 - 1986 г. г. робот прошел успешную опытную эксплуатацию в составе гибкого модуля токарной обработки. Помимо функций загрузки-разгрузки станка, робот выполнял также ряд конрольно-измерительных операций. Поскольку робот РК-1 спроектирован как многофункциональный, он может быть использован в других областях производства для выполнения широкого круга задач (сварка, сборка, фрезерная обработка деталей и др.), в частности, для выполнения различного рода операций в условиях, вредных для человека.

Настоящая монография, в которой описываются основные принципы разработки и проектирования промышленных роботов на примере робота РК-1, подготовлена к печати после смерти автора. Ее основу составили опубликованные ранее работы и личные архивы С.С.Камынина. К сожалению, некоторые материалы имеют вид заметок и носят конспективный характер. Там, где было возможно, они были включены в предлагаемый текст после небольшой обработки. Однако, часть материалов в монографию не вошла. Это касается не полностью сформулированных идей, а также незавершенных рассуждений и расчетов.

В тексте монографии присутствуют некоторые комментарии составителей. Они оформлены в виде замечаний и выделены звездочками (*).

По мнению составителей, монография будет полезной широкому кругу специалистов как образец целостного комплексного подхода к созданию сложного кибернетического устройства, каким является адаптивный промышленный робот.

Доктор физ.-мат. наук, проф. Д.А. Корягин
Кандидат физ.-мат. наук С.И.Гримайло
Кандидат физ.-мат. наук Э.С.Луховицкая



ОГЛАВЛЕНИЕ

От составителей5
Глава 1. Сравнительный анализ манипуляторов с различными типами кинематических схем7
 1.1. Типы кинематических схем манипуляторов7
 1.2. Оценочные критерии манипуляторов с различными типами кинематических схем14
 1.2.1. Объем области пространства, обслуживаемой манипулятором14
 1.2.2. Точность позиционирования20
 1.2.3. Сложность управления движением манипулятора24
 1.2.4. Вес конструкции манипулятора28
 1.2.5. Мощность двигателей манипулятора30
 1.3. Сравнение манипуляторов37
Глава 2. Конструкция манипулятора робота РК-141
 2.1. Основные конструктивные решения41
 2.2. Кинематическая схема45
 2.3. Основные модули конструкции манипулятора47
 2.3.1. Модуль поворота манипулятора47
 2.3.2. Модуль вертикального перемещения руки манипулятора49
 2.3.3. Модуль горизонтального перемещения руки манипулятора49
 2.3.4. Модуль поворота кисти49
 2.3.5. Модуль схвата49
 2.4. Исполнительные двигатели56
 2.5. Датчики обратной связи59
 2.6. Дополнительные элементы конструкции манипулятора. Проводка63
 2.7. Технические характеристики манипулятора65
 2.8. Средства безопасности68
Глава 3. Расчет основных элементов конструкции манипулятора69
 3.1. Расчет руки и колонны манипулятора69
 3.1.1. Расчетная схема. Исходные данные69
 3.1.2. Расчет на прочность73
 3.1.3. Расчет на жесткость75
 3.2. Оценка параметров упругих колебаний элементов конструкции манипулятора81
 3.3. Оценка влияния контактной жесткости на точность позиционирования манипулятора84
 3.4. Расчет механизма уравновешивания89
 3.4.1. Расчет профилированного блока91
 3.4.2. Расчет рабочего блока95
 3.4.3. Расчет пружины96
 3.4.4. Регулирование уравновешивающего механизма100
 3.5. Расчет эксцентрикового ловителя102
 3.6. Расчет усилия сжатия схвата108
 3.7. Расчет пальцев схвата114
Глава 4. Система управления робота РК-1120
 4.1. Основные способы реализации систем управления роботов120
 4.2. Состав и структура системы управления робота РК-1122
 4.3.Конструкция системы управления128
 4.3.1. Микро-ЭВМ128
 4.3.2. Коммутатор исполнительной системы134
 4.3.3. Блок измерения136
 4.3.4. Блок силового управления142
 4.3.5. Коммутатор пультового канала151
 4.3.6. Источники питания151
 4.4. Технические характеристики системы управления152
 4.4.1. Средства безопасности152
Глава 5. Цифровая следящая система155
 5.1. Процессы155
 5.2. Методы управления движением156
 5.2.1. Позиционный метод управления156
 5.2.1. Контурный метод управления157
 5.3. Алгоритм цифровой следящей системы158
 5.3.1. Следящая система с последовательно работающими регуляторами159
 5.3.2. Следящая система с внешним и внутренним регуляторами161
 5.3.3. Дискретный аналог162
 5.4. Моделирование работы следящей системы163
 5.5. Обобщение алгоритма следящей системы169
Глава 6. Программное обеспечение системы управления робота РК-1178
 6.1. Подходы к созданию программного обеспечения178
 6.2. Язык поограммирования робота РК-1181
 6.2.1. Синтаксис181
 6.2.2. Внутреннее представление183
 6.3. Управляющая программа УП-1185
 6.4. Операции193
 6.4.1. Операции, управляющие действиями робота193
 6.4.2. Операции, управляющие порядком выполнения ПФР188
 6.4.3. Операции, автоматизирующие задание ПФР203
 6.4.4. Операции настройки параметров управляющей программы УП-1207
 6.5. Управляющая программа УП-1-ДВК209
 6.6. Средства безопасности209
Глава 7. Использование робота РК-1 для обслуживания токарного станка с УЧПУ211
  7.1. Состав и структура связи аппаратных средств комплекса212
 7.2. Управление станком216
 7.2.1. Блок связи робота со станком220
 7.2.2. Операции управления станком226
 7.3. Операции, выполняемые роботом при обслуживании станка232
 7.4. Пример использования комплекса241
Литература259

© Институт прикладной математики им.М.В.Келдыша РАН, 2004 г.