Mechaniczne ramiona

Silniki są używane również do sterowania mechanicznymi ramionami i efektorami końcowymi. Sterowanie mechanicznym ramieniem polega na sterowaniu pracą wszystkich jego silników. Ponieważ ramię robota ma pracować w sposób dokładny i chcemy mieć nad nim całkowitą kontrolę, elementami ramienia sterują serwomotory. Każdy serwomotor odpowiada za ruch niezależnego
stawu ramienia — zwiększa jego stopień swobody mechanicznej. Ruch mechanicznych ramion definiuje stopień swobody, zakres obrotu każdego stawu, a także zasięg pracy w płaszczyźnie dwuwymiarowej i trójwymiarowej. Ruch może być określany przez obrót lub przesunięcie w przestrzeni dwuwymiarowej lub trójwymiarowej. Ruch przesunięcia określa zdolność stawu do poruszania się w przód i w tył. Parametry te zależą od zastosowanego rodzaju mechanicznego ramienia. Na końcu mechanicznego ramienia znajduje się urządzenie zwane efektorem końcowym. 

Element ten jest zaprojektowany z myślą o nawiązywaniu interakcji z otoczeniem — ma formę chwytaka lub jakiegoś narzędzia. Pracą efektora końcowego również sterują serwomotory. Rodzaje mechanicznych ramion Mechaniczne ramiona charakteryzują się długością, liczbą przegubów, rodzajem chwytaka lub narzędzia. Na rysunku 7.21 pokazaliśmy podstawowe komponenty mechanicznego ramienia. Mechaniczne ramię może być samodzielnym, ruchomym lub stacjonarnym urządzeniem lub
elementem w pełni funkcjonalnego robota. Istnieje kilka rodzajów ramion robota. Każdy z nich można scharakteryzować za pomocą następujących parametrów:

• przestrzeń konfiguracyjna
• przestrzeń robocza.

Rysunek 7.21. Podstawowe komponenty mechanicznego ramienia

Przestrzeń konfiguracyjna określa ograniczenia stopnia swobody mechanicznego ramienia. Przestrzeń robocza jest ograniczona zasięgiem pracy efektora końcowego w przestrzeni dwuwymiarowej lub trójwymiarowej. Rysunek 7.22 przedstawia kilka rodzajów mechanicznych ramion charakteryzujących się różnymi przestrzeniami konfiguracyjnymi i roboczymi. Każdy obrotowy przegub charakteryzuje się ograniczonym zakresem ruchu, który zależy od zakresu ruchu serwomotoru zamontowanego w danym przegubie. Każda praca wykonywana przez ramię wymaga określonego zakresu ruchu jego przegubów. Ramię może wykonywać ruchy w płaszczyźnie pionowej i poziomej, a także do przodu i do tyłu. Przestrzeń robocza ramienia zależy między innymi od przestrzeni konfiguracyjnych wszystkich przegubów ramienia, długości elementów łączących przeguby oraz kątów pracy ramienia. Przestrzeń ta określa graniczne położenia efektora końcowego ramienia. Efektor końcowy nie może sięgnąć poza przestrzeń roboczą. W przypadku ruchomego robota przestrzeń ta powiększa się o obszar, do którego obiekt może się przemieścić.
Kinematyka odwrotna i kinematyka prosta umożliwiają określenie zwrotu i położenia stawów i efektorów końcowych na podstawie długości elementów łączących przeguby ramienia i kątów wygięcia przegubów. 

Rysunek 7.22. Porównanie przestrzeni konfiguracyjnych i roboczych różnych rodzajów mechanicznych ramion

Moment obrotowy mechanicznego ramienia

Obliczanie momentu obrotowego sprowadza się do zsumowania momentów obrotowych poszczególnych serwomotorów. W przypadku silnika prądu stałego obliczanie momentu obrotowego miało na celu sprawdzenie, czy dany silnik umożliwi napędzanie danego robota, a obliczanie momentu obrotowego ramienia ma na celu przekonanie się, czy ramię jest w stanie podnieść dany
obiekt, przenieść go lub wykonać z nim jakąś operację. Tym razem musimy wziąć pod uwagę kilka serwomotorów, długości elementów je łączących, punkty zgięcia ramienia itd. Rysunek 7.23 przedstawia parametry mające wpływ na wydajność ramienia o drugim stopniu swobody podczas podnoszenia przedmiotu.

Rysunek 7.23. Elementy charakteryzujące mechaniczne ramię o drugim stopniu swobody

Obliczmy moment obrotowy każdego serwomotoru. Aby określić maksymalny moment obrotowy, musimy wyprostować ramię tak, aby osiągnęło maksymalną długość. Ponadto należy określić masę i długość wszystkich elementów łączących przeguby, masę każdego przegubu oraz masę podnoszonego obiektu. Środek ciężkości każdego elementu łączącego przeguby znajduje się w połowie jego długości (L/2). Oto obliczenia:

Moment obrotowy przegubu A:

M1 = L1 / 2 · m1 + L1 · m4 + (L1 + L2 / 2) · m2 + (L1 + L3) · m3

Moment obrotowy przegubu B:

M2 = L2 / 2 · m1 + L3 · m3

Każdy kolejny stopień swobody sprawia, że obliczenia te stają się coraz bardziej skomplikowane. Im większy stopień swobody, tym większe są wymagania dotyczące momentu obrotowego. Moment obrotowy należy obliczyć dla każdego przegubu. Uzyskane wartości powinny być o wiele niższe od maksymalnego momentu generowanego przez silnik przegubu. W tabeli 7.10 pokazaliśmy obliczenia dla ramienia o drugim stopniu swobody. Z tych obliczeń wynika, że silnik pierwszego przegubu generuje wystarczający moment obrotowy, ale silnik drugiego przegubu generuje zbyt niski moment.

Tabela 7.10. Obliczenia momentu obrotowego mechanicznego ramienia o drugim stopniu swobody

Producenci mechanicznych ramion powinni podawać moment obrotowy w dokumentacji swoich produktów. Po obliczeniu niezbędnej wartości momentu obrotowego można ją porównać z parametrami różnych ramion. W tabeli 7.11 przedstawiamy specyfikację mechanicznego ramienia PhantomX Pincher, z którego korzysta robot Unit1.

Tabela 7.11. Specyfikacja mechanicznego ramienia PhantomX Pincher

Programowanie robotów. Sterowanie pracą robotów autonomicznych Autorzy: Cameron Hughes, Tracey Hughes Wydawnictwo: Helion