Struktura jednostek kinematycznych układów manipulacyjnych i robotów

Układy ruchu (jednostki kinematyczne) robotów są zbiorem członów mechanicznych połączonych ruchowo. Człony te połączone są szeregowo tworząc tzw. łańcuch kinematyczny (rys.4.3). Dwa sąsiednie człony połączone ze sobą za pomocą złącza tworzą tzw. parę kinematyczną. Złącze umożliwia wzajemny ruch członów względem siebie.

Rys. 4.3. Przykłady struktur łańcucha kinematycznego stosowane do budowy maszyn manipulacyjnych
a) łańcuch kinematyczny otwarty prosty
b) łańcuch kinematyczny zamknięty prosty
c) łańcuch kinematyczny złożony

Tabela 4.1. Pary kinematyczne I, II, III, IV, V klasy

Klasę pary kinematycznej określa liczba więzów nałożonych na każdy z członów tworzących tę parę. Liczba stopni swobody
przedstawionych par kinematycznych dla poszczególnych klas wynosi: dla klasy I – 5, dla klasy II – 4, dla klasy III – 3, dla klasy IV
– 2, dla klasy V – 1. We współczesnych konstrukcjach układów kinematycznych mają zastosowanie pary kinematyczne klasy V,
a więc pary o ruchu liniowym, obrotowym lub śrubowym. Nie można wykluczyć w przyszłości wykorzystania par kinematycznych klasy III oraz klasy IV.

Człon mechanizmu wraz z dołączonym napędem umożliwiającym realizację określonego ruchu pary kinematycznej jest zespołem ruchu jednostki kinematycznej. 

Pod pojęciem struktury kinematycznej łańcucha kinematycznego należy rozumieć określenie schematu kinematycznego w postaci szkicu wykorzystującego oznaczenia par kinematycznych wg tabeli 4.1 lub syntetycznego zapisu struktury kinematycznej oraz opis wymiarowy (geometrię) schematu kinematycznego. Struktura kinematyczna robota przemysłowego dotyczy więc rozmieszczenia elementów składowych robota wraz z przedstawieniem możliwości relacji między tymi elementami dla danego układu.

W analizie struktury kinematycznej maszyn manipulacyjnych stosuje się układ prostokątny przestrzenny.

Możliwości manipulacyjne członów robota określa się stosując trzy układy odniesienia:

a) regionalny – oznaczany literą R, dotyczący przemieszczania ramion robota, a więc realizacji podstawowych dla robota działań manipulacyjnych,

b) lokalny - oznaczany literą L, dotyczący przemieszczania efektora (chwytaka lub narzędzia), czyli działań orientowania i chwytania manipulowanego przedmiotu,

c) globalny - oznaczany literą G, dotyczący przemieszczania robota względem stanowiska roboczego.

Jeżeli założymy, że robot przedstawiony na rys. 4.5. ma możliwość wykonywania przez oba ramiona obrotu względem osi Y regionalnego układu odniesienia oraz obrotu kiści względem osi X układu lokalnego to zapis struktury kinematycznej będzie miał postać: { B1R, B2R, AL }. Struktura jednostki kinematycznej wraz z opisem wymiarowym schematu kinematycznego i zakresem przemieszczeń zespołów ruchu w sposób jednoznaczny określa przestrzeń ruchów mechanizmu (przestrzeń ruchów chwytaka lub narzędzia) - podanie jej kształtu i objętości przestrzeni ruchów ma istotne znaczenie dla użytkownika maszyny manipulacyjnej. W celu racjonalnego i bezpiecznego użytkowania jednostek kinematycznych maszyn manipulacyjnych definiuje (określa) się następujące przestrzenie:

a) główna przestrzeń robocza – przestrzeń, w obrębie której przemieszcza się konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu (z reguły sprzęgu chwytaka),

b) pomocnicza przestrzeń robocza – przestrzeń w obrębie której przemieszczają się dodatkowe człony mechanizmu jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej, np. chwytaki, narzędzia,

c) przestrzeń kolizyjna – przestrzeń w obrębie której zawierają się wszystkie elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie człony mechanizmu jednostki kinematycznej,

d) przestrzeń strefy zagrożenia (strefa zagrożenia) – przestrzeń zabroniona przepisami lub normami bhp dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej.

Jednostki kinematyczne współczesnych maszyn manipulacyjnych budowane są w oparciu o pięć podanych w tabeli 4.2 struktur kinematycznych.

Tabela 4.2. Konfiguracja, oznaczenia, schematy i przestrzenie robocze robotów o różnych strukturach kinematycznych układu ruchu

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZiU.