Стенд для испытания промышленных роботов-манипуляторов

 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для оценки качества функционирования роботов-манипуляторов, рабочий орган которых перемещается по заданному контуру, например при сварке, окраске, нанесении покрытий и т.п. Цель изобретения - расширение технологических возможностей путем определения ориентации рабочего органа в пространстве. При перемещении имитатора 20 рабочего органа, закрепленного на выходном звене робота - манипулятора, по требуемой траектории в режиме обучения в память системы управления заносится информация о координатах узловых точек, скорости и характере движения между точками. Одновременно с этим в память вычислительного блока программно заносится информация о частоте опроса датчиков 5,12,13,23 и 27 угла поворота. При воспроизведении программы точка соединения тросов 16 и 17 будет описывать в пространстве траекторию, соответствующую запрограммированной траектории движения рабочего органа, а угол между прямой, проходящей через точку соединения тросов 16,17 и точку крепления троса 29 и поверхностью соединения - ориентацию рабочего органа относительно запрограммированной траектории. Рамки 8 и 9 и вал 3 будут поворачиваться вслед за перемещением нижней части генератора 20, а рамка 25 и вал 21 - вслед за перемещением верхней части рабочего органа. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

СО103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (511 4 В 25 J 11 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

19

Г0СУДиСТВЕННЫй HOMHTET

По ИЭ0ВРЕТЕНИЯМ И 0ТНЯЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4338554/25-08 (22) 03.12.87 (46) 23,07.89. Бюл. У 27 (71) Институт электросварки им,Е.О.Патона (72) А.В.Романюк, Б.P.Öûðåíäîðæèåâ, А.И.Бондаренко, Ю.В.Павлюк и В.Н.Скорина (53) 621т229.7(088.8)

;(56) Авторское свидетельство СССР

У 1425078, кл. В 25 J 11/00, 1987. (54) СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ПРОМЫШЛЕНHblX РОБОТОВ-МАНИПУЛЯТОРОВ (57) Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано дпя оценки качества функционирования роботов-манипуляторов, рабочий орган которых перемещается по заданному контуру, например при сварке, окраС.ке, нанесении покрытий и т.п. Цель ,изобретения — расширение технологи1 г ческих возможностей путем определения ориентации рабочего органа в пространстве. При перемещении имита" тора 20 рабочего органа, закрепленного на выходном звене робота-манипулятора, по требуемой траектории в режиме обучения в память системы управления заносится информация о координатах узловых точек, скорости и характере движения между точками.

Одновременно с этим в память вычислительного блока программно заносится информация о частоте опроса датчиков 5,12,13,23 и 27 угла поворота.

При воспроизведении программы точка соединения тросов 16 и 17 будет описывать в пространстве траекторию, соответствующую запрограммированной траектории движения рабочего органа, а углом между прямой, проходящей через точку соединения тросов 16,17 и точку крепления троса 29 и поверх3 14951 ностью соединения — ориентацию рабочего органа относительно запрограммированной траектории. Рамки 8 и 9 и вал 3 будут поворачиваться вслед

14

1 за перемещением нижней части имитатора 20, а рамка 25 и вал 21 — вслед эа перемещением верхней части рабочего органа, 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано для оценки качества функционирования роботов-манипуляторов, рабочий орган которых перемещается по заданному контуру, например при сварке, окраске, нанесении покрытий и т.п.

Белью изобретения является расширение технологических возможностей путем определения ориентации рабочего органа в пространстве.

На фиг. 1 приведен стенд, общий вид; на фиг. 2 — имитатор рабочего органа, на фиг. 3 - блок-схема информационно-измерительного комплекса стенда; на фиг. 4 — расчетная схема для определения координат точек А и В.

Стенд для испытания промышленных роботов-манипуляторов содержит установленный на основании 1 первый кронштейн 2, на котором с возможностью поворота установлен коленчатый вал

3, связанный через мультипликатор 4 с датчиком 5 угла поворота. На концах вала 3 жестко закреплены второй

6 и третий 7 кронштейны. В кронштейнах 6 и 7 с воэможностью поворота расположены соответственно рамки 8 и 9, которые через мультипликаторы

10 и ll соединены с датчиками 12 и

13 угла поворота. На противоположных сторонах рамок 8 и 9 установлены барабан 14 и 15 для намотки тросов

16 и 17 и направляющие 18 и 19 для этих тросов. Тросы 16 и 17 одним концом закреплены на вращающихся барабанах 14 и 15, а другими связаны между собой и шарнирно закреплены в нижней части имитатора 20 рабочего органа робота-манипулятора.

В колене вала 3 установлен второй вал 21, связанный через мультипликатор 22 с датчиком 23 угла поворота.

На валу 21 жестко закреплен четвертый дополнительный кронштейн 24, в котором г возможностью поворота расположена дополнительная рамка 25.

Рамка 2" через мультипликатор 26

35, ва 39. Выходы датчиков 5, 12, 13, 23 и 27 угла поворота соединены с первым входом вычислительного блока 38, второй вход которого связан с микро40 выключателем 34 имитатора 20 рабочего органа, а третий — с выходом устройства управления испытуемого робота-манипулятора. Вторые выходы вычислительного блока 38 связаны с управляющими входами датчиков 5, 45 12, 13,23 и 27 угла поворота, 50

30 соединена с датчиком 27 угла поворота. На противоположных сторонах рамки 25 установлены дополнительные подпружиненный барабан 28 для намотки троса 29 и направляющая 30 дпя этого троса. Трос 29 одним концом закреплен на вращающемся барабане

28, а другим шарнирно закреплен в верхней части. имитатора 20 роботаманипулятора.

Имитатор 20 рабочего органа выполнен в виде направляющего элемента (стержня) 31, на котором закреплен корпус 32 с помощью гайки 33. Внутри корпуса установлен микровыключатель

34. На стержне 31 с возможностью перемещения вдоль и вокруг оси стержня 31 установлен кулачок 35, который связан через рычаг 36 с тросом

29. При движении кулачок взаимодействует с микровыключателем 34.

Информационно-измерительный комплекс 37 состоит иэ последовательно соединенных вычислительного блока

38 и цифропечатающего устройстСтенд работает следующим образом.

Оператор с помощью пульта управления выводит имитатор 20 рабочего органа, закрепленный на выходном звене робота-манипулятора, в начальную точку требуемой (эталонной) траектории его движения, в качестве которой могут быть использованы, например, прямые линии, ломаные, синусоидальные и др. кривые, окружности. После этого на третий вход вычислительного блока 38 от устройства управления роботом поступает сиг1495114 нал, который приводит в исходное состояние вычислительный блок 38.

Последний включает цифропечатающее устройство 39. Этим достигается синхронизация момента начала измерения положения и ориентации рабочего органа с началом его движения. При этом с вторых выходом блока 38 на входы датчиков 5,12,13,23 и 27 поступают сигналы опроса датчиков угла поворота, в результате чего их показания фиксируются в памяти вычислительного блока 38. Положение и ориентация рабочего органа робота также фиксируются в памяти устройства управления.

Затем в режиме обучения осуществляется программирование перемещения рабочего инструмента робота методом от точки к точке, для чего оператор последовательно выводит рабочий орган в характерные узловые точки эталонной линии. При этом в память системы управления роботом заносятся координаты узловых точек эталонной линии, скорость перемещения рабочего органа между точками, характер движения между точками (линейная или круговая интерполяция).

Информация о координатах уэовых точек эталонной линии, скорости и характере движения между точками saносится также в память вычислительного блока 38. Одновременно с этим в память вычислительного блока 38 программно заносится информация о частоте опроса датчиков 5,12 13 23 и 27 угла поворота, которая при проведении конкретного испытания всегда постоянна и выбирается исходя из максимальной скорости движения рабочего органа.

После окончания режима обучения, т.е. после того, как в вычислительный блок 38 поступили координаты последней узловой точки, вычислительный блок 38 формирует массив значений координат всех, точек эталонной кривой. Массив формируется так, чтобы время движения между двумя соседними точками эталонной кривой было равно величине, обратной частоте опроса датчиков 5,12,13,23 и 27.

Затем осуществляется воспроизведение записанной программы перемещения рабочего органа, R момент включения режима воспроизведения программы устройство управления роботом выдает

15 сигнал на один из третьих входов вычислительного блока 38. При наличии такого сигнала вычислительный блок 38 начинает осуществлять измерение координат фактического положения и ориентации рабочего инструмента робота, чем достигается синхронизация моментов измерения и прохождения рабочим инструментом эталонных значений координат точек линии соединения. Измерение фактического положения и ориентации рабочего инструмента осуществляется путем выдачи с вычислительного блока 38 по второму выходу опросных сигналов, которые поступают на входы датчиков

5,12,13,23 и 27 угла поворота.

При воспроизведении программы

20 точка соединения тросов 16 и 17 описывает в пространстве траекторию, соответствующую запрограммированной траектории движения рабочего органа, а угол между прямой, проходящей через точку соединения тросов 16 и

17 и точку крепления троса 29 с верхней частью имитатора рабочего органа, и поверхностью соединения ориентацию рабочего органа относи30 тельно запрограммированной траектории. При этом рамки 8 и 9 и вал 3 поворачиваются вслед за перемещением нижней части рабочего органа (изменение положения), а рамка 25 и вал

21 — вслед за перемещением верхней части рабочего органа (иэменение ориентации) относительно запрограммированной траектории. Подпружиненные барабаны 14 и 15, соединенные с

40 тросами 16 и 17, и барабан 28, соединенный с тросом 29, вращаются соответствующим образом, обеспечивая размотку или намотку тросов 16, 17 и 29.

45 Поворот рамок 8,9 и 25 осуществляется так, чтобы обеспечивалась соосность тросов 16,17 и 29 и направляющих 18,19 и 30. На входе и выходе направляющих 18,19 и 30 уста50 новлены рамки для улучшения условий прохождения тросов по направляющим, обеспечения их соосности и исключения влияния изгибов тросов на показания датчиков 12,13 и 27. Одновременно с поворотом рамок 8,9 и 25 через мультипликаторы 10, 11 и 26 вращаются датчики 12,13 и 27, показания которых, соответствующие углам

oL, (5 и (р поворота тро<ав 16,17 и 29, 1495114

C фиксируются вычислительным блоком

38. Одновременно с помощью датчика 5 угла поворота, связанного через муль типликатор 4 с валом 3, и датчика

23, связанного через мультипликатор

22 с валом 21, изменяются углы и соответственно наклона плоскости расположения тросов 16 и 17 и наклона троса 29. 10

Если в процессе изменения ориентации имитатора 20 рабочего органа угол Ф между осями троса 29 и имитатора 20 рабочего органа становится о меньше 90, то кулачок 35 под действием рычага 36, перемещаясь вдоль стержня 31, включает микровыключатель 34, который выдает сигнал, соответствующий логической единице, в вычислительный блок 38. Если угол 20 о равен илн больше 90, то рычаг 36 отводит кулачок 35 от микровыключателя 34, последний находится в выключенном состоянии, и в вычислительный блок 38 подается сигнал, соответст- 25 вующий логическому нулю.

Таким образом, с помощью датчиков 5, 12 и 1 3 однозначно определяется положение, а с помощью датчиков 23 и 27 и микровыклю агеля 34 - 30 ориентация рабочего органа в пространстве.

После отработки запрограммирован- ной траектоии от устройства управления по третьему входу вычислительного блока 38 поступает сигнал об окончании процесса измерения. Затем оператор переводит информационноизмерительный комплекс 37 н режим обработ. и информации. Информация, 40 получаемая при измерении фактической траектории движения рабочего инструмента, с брабатывается с учетом заданной скорости перемещения и частоты опроса датчиков 5,12,13,23 и 27 угла поворота. При вычислении координат TIQJ ожения произвольной точки

А, и ориентации произвольной точки

Bi фактической траектории движения рабочего органа вычислительный блок

38 работает по алгоритму, который может быть получен иэ анализа расчетпой схемы (фиг. 4).

На фиг. 4 изображено положение рабочего органа, соответствующее отрезку (AB) в пространстве коорди55

; ат ХУ7,. Для удобства описания алгоI ритма определения ориентации рабочего органа 20 яяедены дополнительКоординаты ХА,, УА;, ZA точки в системе координат XYZ определяются по формулам (OR;(- (A;R;/tgW;, УА, /К;Р; / ** /А;1;/сов(;, 7 ; /А;Р; / /А;К; / е п,, где точка Р; — проекция точки А; на плоскость (на фиг. 4 не показана).

Величина расстояния

/А;К; /А,С / sin(i;, (2) ные системы координат Х У 7. и Х"Y 7., образованные вращением системы координат ХУ7. вокруг оси ОХ на -угол и угол У (ф соответственно. При этом

I точка A принадлежит плоскости X Y

1(я а точка  — плоскости X Y . Отрезки (ОА) и (CA), соответствующие положению тросов 17 и 16, образуют с осью

ОХ в системе координат Х Y Z углы о и Р соответственно. Отрезок (DBj соответствующий положению троса 29, образует с осью ОХ в системе координат Х У 2 угол 6 .

При произвольном вращении рабочего органа вокруг точки А образуется сфера радиуса АВ с центром в точке А.

При сечении этой сферы плоскостью

II я

X Y получается окружность с радиусом меньше, чем отрезок (АВ). !1s этой окружности располог,ены точки

В и В, соответствующие двум возможным положениям имита ора 20 рабоче"

ro органа и принадлежащ е отрезку

fDB). Отрезки(иВ 1 и jОВ1 образуют с отрезками (АВ ) и (АБ) углы 1 и а соответственно, С помощью концевого микровыкл; чателя 34, установленного в имитаторе рабочего органа, можно однозначно определить координаты точки В по алгоритму, приведенному ниже.

В памяти вычислительного блока 38 содержится величина расстояния (ОС) = а const, где точка О соответствует центру пересечения осей измерительного кронштейна, а точка

С вЂ” центру пересечения осей измерительного кронштейна; величина расстояния jODJ = d const, где точка D соответствует центру пересечения осей измерительного кронштейна 24; величина расстояния (AB) = r = const, которая выражает длину имитатора 20 рабочего органа.

1495114

+ (у ° -у, )+

Величина расстояния

r а ° sin, А;С) = -т — — --, з п (; е Ф

+(я - я,) (3) (5) 5 где Х„., У„, 7.я — координаты точя

I о ки А.

Точность измерения погрешности обработки траектории определяется по

10 уточненной формуле

20

После вычисления координат ХА;

УА; ЕА, точки А вычислительный

1 блок 38 производит вычисление расстояния F, между точкой А, фактической 25 траектории движения рабочего органа о и точкой А; эталонной траектории, заданной в процессе обучения робота.

Величина расстояния R, является погрешностью обработки траектории и 30 определяется по выражению:

Х„;

А ° YA cos(q +Cf;) + ЕА; sin(Q;+f;) (7) -YA sin(g;+g;) + ZA ° ° cos(11!;+(;) Координаты точки В; в системе !! !! У координат X Y Z определяются по формулам

40 х

В; (XYZ) = Ys /Ха, dl tg e; ° cos(g; + (, )

z, = /х, - dl. с8е;.8(1 1 +, ) (9) ется из соотношения (1 О)

d/ — YA; cos(p; + g, )- (11) (g + ar )-7А. cos(P + g ) r где 1P; = 180 — с : — P,.

Подставляя выражение (3) в (2), а выражение (2 ) в (l), получим формулы для определения Хя, Y>, ZA, точки А, в системе координат XYZ через углы о(;, (3;, Х a sin sin& . tea:

A а5.n Cf; ,)

sin7P, а sin Ы: sing: sin g, А; sin и!;

Х,.

В,(х Y z") = lx,; - d l tg8; . (8)

О где координата Х> точки В„определя(А.В ° (mw (Х,, — Х„) + (Е80; (Х,.а

-ZA sin(Q; + f, )) + (YA sin при решении квадратного уравнения (1)) относительно Х, получается два решения. Однако микровыключатель

2Я rn

4 tg — — - b + С. (6) ! n k 1 1 где Ь. - расстояние от точки 0 до

1 точки A;

Г; — расстояние от точки С до точки А,;

m — порог чувствительности датчиков 5, 12 и 13 угла поворота, n - количество импульсов на один оборот датчика угла поворота; — передаточное число мультипликаторов 4, 10 и 11.

После вычисления координат точки

А, в системе координат XYZ вычислительный блок 38 определяет координаты точки А; в системе координат !! s я

Х Y Z по формулам

Так как систему координат Х Y Z можно совместить с системой координат XYZ путем поворота на угол f +

+ Q вокруг оси ОХ, то координаты точки В; в системе координат XYZ могут быть найдены по формулам

34 и конструкция имитатора 20 рабочего органа позволяют определять тип угла я (острый или тупой), что да1495114

I,, Y4 cns ((1I + ) +

+ ZA sin((1?, + g ); (16) gI YA, sin(Q; + g ) — Z A сое((11; + ap ); (17)

XA+dtg6;+2dI.tgg+

1О

+ I, + () г ° (18) 5 или 6;>

2 2

Д с21 если

9,<- то

2 Ф х Т1 в, (12) или 01, Ъ -, Ъ,) -"

2 если

После вычисления координат XA,, YA, Z A точки А ° и координат Хв;, 15 1 В,, 7. в точки В вычислительный блок производит вычисление значения угла 1?, между эталонным положением имитатора 20 рабочего органа (АвВв)1 и фак гическим положением имитатора рабочего органа А; В, .

Г "

Ъ;<- то

2 х т

S где

1+ tg8,; (14) S

\ а о) )+ (2 7,Д) Р. — Х4, ) + (У,; — (4, 1 + (г — гд;) (19) 35

1. Ст нд для испытания промышлен- 45 ных робо;ов-манипуляторов, содержащий три основных кронштейна, первый из которых связан с основанием, вал, установленный на первом кронштейне с возможностью поворота, иа концах которого закреплены второй и третий кронштейны, две основные рамки, установленные соответственно на второи и третьем кронштейнах, на противопосторонах каждой из которых установлены соответственно основные подпружиненный барабан с тросои и направля мчая длч этого троса, основные датчики угла поворота, связанные ет воэможность однозначно определять значение координаты Х по следую"

Bl щему алгоритму:

ХА, + tg 9 и + 1; КО,; (15) а ° j 4 КООрдИНаТЫ ТОЧКИ

А а а о у, Z — координаты точО ки В

Результаты вычисления координаты отработки траектории рабочего органа, точности измерения погрешности отработки траектории и погрешности ориентации рабочего органа могут быть выведены на цифропечагь в виде таблицы, Формула изобретения

Величина угла 6 является погрешСг! ностью ориентации рабочего органа и определяется по выражению с валом и с осями рамок, соединенные с информационно-инзмерительным компла1 сом, при этом одни концы тросов закреплены на барабанах, а другие— в одной точке на имитаторе рабочего органа, отличающийся теи, что, с целью расширения технологических воэможностей путем определения ориентации рабочего органа в пространстве, он снабжен дополнительныи кронштейном, дополнительной рамкой, установленной с возможностью поворота в дополнительном кронштейне, дополнительными подпружиненным барабаном с тросом и направляющей для этого троса, установленными соответственно на противоположных сторонах дополнительной рамки, и двумя дополнительными датчиками угла поворота, один из которых связан с дополнительным кронштейном, а другой с осью дополнительной рамки, при этом вал выполнен коленчатым и в его колене установлен с возможностью поворота вокруг оси, параллель ной оси вала, указанный дополнительный кронштейн, а трос дополнительного барабана одним концом закреплен на этом барабане, другим концом — на.

1495114

0m cucmrrrni уюро&еиим имитаторе рабочего органа в точке, не совпадающей с точкой крепления концов двух других тросов.

2. Стендпоп. 1, отличаю шийся тем, что он снабжен направляющим элементом и микровыключателем, закрепленными на имитаторе рабочего органа, кулачком и рычагом, при этом кулачок установлен на направляющем элементе с возможностью взаимодействия с микровыключателем и через рычаг шарнирно связан с тросом дополнительного барабана, а микровыключатель соединен с информационно-измерительным комплексом.

1495114

Составитель Ф. Майоров

Техред М.Дидык Корректор А.Обручар

Редактор В. Петраш

Заказ 4163/12 Тиразк 778 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Узтород, ул. Гагарина, 101