В статье рассматривается возможность применения силовых оболочковых элементов в качестве исполнительного двигателя линейного перемещения звена манипулятора. Иллюстрация применения проводится на примере одного из вариантов звена линейного перемещения манипулятора. Используется коррекция с использованием методов подчиненного регулирования и теории ПИД-регуляторов.

 Введение. На сегодняшний момент, силовые оболочковые элементы (СОЭ) используются в антропоморфных манипуляторах, например, в известных Airic’s Arm и Shadow Hand. Однако такие манипуляторы используются в основном в научных целях. К сожалению, в промышленных манипуляторах СОЭ не применяются, хотя обладают определенными достоинствами по сравнению с классическими пневматическими исполнительными элементами. К ним относятся высокие значения развиваемого усилия, особенно в начальном положении, высокую удельную мощность и отсутствие сухого трения и люфтов между перемещающимися частями, что позволяет работать на ползучих скоростях. К основным недостаткам можно отнести малую величину перемещения относительно длины СОЭ (не более 25% от исходной длины) и существенное падение развиваемого усилия при сокращении СОЭ.

Упрощенно СОЭ типа пневмомускул (ПМ) состоят из отрезков эластомерных шлангов, армированных нерастяжимыми нитями. При подаче сжатого воздуха под давлением они увеличивают свой размер в поперечном направлении и одновременно сокращаются вдоль продольной оси.

Более подробно о СОЭ разных типов можно прочитать в [1, 4–6].

 1. Постановка задачи. В данной статье рассмотрим один из возможных вариантов конструкции платформы для выдвижения руки робота- манипулятора. Ее принципиальная схема представлена на рисунке 1. На схеме приняты следующие обозначения: 1, 9 – датчики давления для пневмомускулов; 2, 8 – пневмомускулы; 3, 7 – тяги; 4 – блок; 5 – платформа; 6 – датчик линейных перемещений.

Рис. 1. Принципиальная схема привода выдвижения

 

Принцип функционирования системы довольно прост. При подаче сжатого воздуха в один ПМ, происходит сброс воздуха из встречно включенного ПМ, тем самым происходит соответственно сокращение и удлинение ПМ, что приводит к перемещению платформы, к которой присоединена выдвигаемая часть манипулятора.

При расчете будем руководствоваться следующими исходными данными. При длине звена l = 0,5 м, величина хода платформы составит 0,1 м. Режим перемещения примем гармоническим, а величины статической θст и динамической θдин ошибок – 0,1 мм и 10 мм соответственно. Массу полезной нагрузки манипулятора примем равной mн = 5 кг.

 2.      Пример расчета. Для удовлетворения требований по точности необходимо применить следующие датчики обратной связи – датчик давления, для введения обратной связи по усилию, и датчик линейного перемещения.

Согласно [4], необходимо выбрать рабочую точку, в которой проводится линеаризация передаточной функции СОЭ типа ПМ. Рабочий диапазон основного СОЭ составляет 20% от исходной длины, поэтому выберем рабочую точку при сокращении СОЭ, равном 10%, что соответствует середине рабочего диапазона. Для выбора рабочего давления необходимо рассчитать соответствующую этому сокращению СОЭ действующую статическую нагрузку. Примем массу статической нагрузки на привод, с учетом полезной нагрузки и массы последующих звеньев, равной m = 15 кг, что соответствует силе, развиваемой СОЭ, равной 150 Н. Необходимо отметить, что все исходные характеристики взяты для того, чтобы проиллюстрировать результатами моделирования возможность применения СОЭ в манипуляционных системах. Подробный пример расчета конкретного манипулятора рассмотрен в [2].

На основе исходных данных, используя силовые характеристики для СОЭ диаметром 20 мм из [3], находим требуемое рабочее давление, которое в нашем случае будет примерно равно 0,35 МПа.

Согласно [4], передаточная функция исполнительного двигателя на СОЭ имеет вид:

где    kупр – коэффициент    передачи   по    управлению,   Т – постоянная времени, ξ – параметр затухания.

В итоге получим следующие параметры передаточной функции (таблица Таблица 1.

kупр Т ξ 89,8 0,0035 0,177

Как отмечалось выше, синтез системы управления проведем при помощи метода подчиненного регулирования и ПИД–регулятора, ввиду широкого применения в промышленности. Структурная схема системы управления приведена на рисунке 2.

2.     Результаты моделирования. Моделирование проводится в среде Matlab Simulink. Результаты моделирования при синусоидальном входном воздействии представлены рисунке 3. На рис. 3а) представлена отработка сигнала, а на рис. 3б) – динамическая ошибка. На рис. 4 представлен график статической ошибки при единичном входном воздействии.

Из результатов моделирования видно, что построенная таким образом система удовлетворяет предъявляемым к ней требованиям по точности и быстродействию. Быстродействие системы обусловлено тем, что внутренний объем ПМ составляет десятые доли литра (в рассмотренном примере – 2,47∙10-4 м3), и при расходе пневмораспределителя в 100 л/мин заполняется воздухом за примерно 0,1 с. Довольно большая динамическая ошибка связана, по мнению авторов, с применением в качестве метода управления подчиненного регулирования и ПИД-регуляторов. Использование других методов коррекции теории автоматического управления позволит улучшить эти показатели. Однако необходимо отметить, что даже при использовании широко распространенных ПИД-регуляторов система удовлетворяет требованиям.

 Заключение. Приведенный пример подтверждает, что применение силовых оболочковых элементов в качестве исполнительного двигателя линейного перемещения звена манипулятора позволяет обеспечить выполнение предъявляемых требований к системе. Таким образом, можно утверждать, что СОЭ с успехом могут быть применены в промышленных манипуляторах. К преимуществам данного решения можно отнести то, что применение СОЭ позволит снизить массу манипулятора и повысить его мощность.

 

 

Список литературы

 

 

1.     Chernus P., Sharovatov V. Dynamic mathematical model of two-way bellow actuator // Procedia Engineering, Vol. 100, 2015, с. 1040-1045.

2.     Лошицкий П.А., Шеховцова Е.Е. Перспективы применения силовых оболочковых    элементов     в     манипуляционных    системах     // «Робототехника и техническая кибернетика», 2014, №4, с. 68-72.

3.     Пневмомускул MAS [Электронный ресурс] / страница содержит информацию о пневмомускулах, выпускаемых фирмой “Festo” – Режим доступа: http://www.festo.com/cat/ru_ru/data/doc_ru/PDF/RU/MAS_RU.pdf, свободный. – Загл. с экрана.

 4.     Шароватов В.Т., Лошицкий П.А. Математическая модель силового оболочкового     бесштокового     пневмоцилиндра     двустороннего действия    оболочкового   типа    //    «Мехатроника,  атоматизация, управление», 2012г., № 4, с. 24-30.

5.     Шароватов В.Т., Лошицкий П.А. Математическая модель силового оболочкового    бесштокового     пневмоцилиндpа    одностороннего действия с возвратной пружиной // «Мехатроника, автоматизация, управление», 2012г., № 11, с. 45-49.

6.     Шароватов В.Т., Чернусь П.П. Математическая модель силовой части оболочкового пневмоцилиндpа одностоpоннего действия толкающего типа // «Мехатроника, автоматизация, управление», 2014г., № 9, с. 30- 36.