В современном мире роботы-манипуляторы широко применяются для выполнения разнообразных задач: от сборки изделий и изготовления высокоточных деталей до обслуживания оборудования в условиях, исключающих присутствие человека. Основной задачей роботов все еще остается перемещение объектов в пространстве.
Манипулятор – это кинематическая цепь, образованная последовательным или последовательно-параллельным соединением тел, называемых кинематическими звеньями, и предназначенная для преобразования движения этих звеньев в требуемое (заданное) движение схвата. При этом кинематические звенья соединяются друг с другом подвижно с помощью кинематических пар.
Внедрение компьютерного зрения в область робототехники требует всё более универсальных и высокоэффективных решений для захвата и перемещения металлических объектов различных форм и размеров. Несмотря на существующие разработки, ни одно из этих решений не может полностью удовлетворить потребности современных автоматизированных систем. К примеру, некоторые устройства представляют собой сложные габаритные конструкции, что снижает грузоподъемность робота-манипулятора, а также существующие захватные устройства не позволяют работать с компьютерным зрением, т.к. не учитывают погрешность при сближении с захватываемым изделием.
Таким образом, назрела необходимость в новом решении, которое может использоваться для сортировки металлических объектов роботом-манипулятором и работать совместно с системой технического зрения.
Сотрудниками кафедры ИСУиА МТУСИ предложено актуальное решение – ученые разработали и запатентовали модель пневматического магнитного захвата робота-манипулятора, предназначенную, в частности, для выполнения функций «взять» и «установить» ферромагнитные изделия на рабочую поверхность в процессах загрузки, разгрузки, укладки или раскладки изделий.
Основная цель разработки – создание захватного устройства роботов-манипуляторов для работы с ферромагнитными деталями любой формы и возможность применение его для систем компьютерного зрения, что позволяет расширить сферы применения промышленных роботов и сделать их более универсальными. Для этого изготовлен макет, который протестирован в лабораторных условиях в Центре робототехники МТУСИ на роботе Kuka KR4 R600.
Пневматический магнитный захват робота-манипулятора состоит из корпуса с размещенным в нём поршнем с постоянным магнитом. Захват имеет отверстия для подключения вакуумных магистралей, шток и крепление к роботу-манипулятору. Корпус выполнен из неферромагнитного материала, постоянный магнит имеет защитную крышку, выполнен из неодимового сплава и установлен на поршне, снабжённом пазом под резиновый уплотнитель. Крепление к роботу манипулятору расположено вертикально относительно фланца робота-манипулятора и выполнено из лёгкого износостойкого материала, а шток, соединяющий корпус захвата и крепление робота-манипулятора, оснащён подпружиненным демпфером, что позволяет увеличить допустимую погрешность при сближении с деталью.
«Устройство функционирует следующим образом: пневматический магнитный захват робота-манипулятора монтируется на фланец с помощью пластиковой платформы и четырёх болтов через отверстия. Перемещение поршня с закреплённым на нём неодимовым магнитом осуществляется посредством двух пневматических магистралей, подключённых через быстросъёмные цанговые штуцера в отверстиях. Для перемещения поршня в паз установлено уплотнительное кольцо. Во избежание накопления металлической стружки на поверхности магнита предусмотрена защитная крышка, закреплённая четырьмя болтами через отверстия к алюминиевому корпусу. При приближении к ферромагнитному изделию захват оснащён подпружиненным демпфером, включающим шток, пружину и крышку. Шток соединяет корпус захвата с креплением робота манипулятора. Крышка прикручена к штоку при помощи болта. Во время захвата изделия по пневматической магистрали подаётся сжатый воздух, перемещая поршень к изделию. При освобождении изделия по пневматической магистрали подаётся воздух, одновременно по другой магистрали воздух отбирается, возвращая поршень в исходное положение», – пояснила зав. кафедрой ИСУиА, профессор, д.ф.-м.н. Лилия Воронова.
Коллектив кафедры ИСУиА МТУСИ провёл испытания в стенах вуза, которые подтвердили высокую удерживающую силу захвата (56 Н или 5.71041 кг при зазоре до объекта 1 мм). Грузоподъемность робота, на котором проводилось тестирование, равняется 4 кг, что меньше максимальной грузоподъемности захвата.
В отличие от других моделей, применение неодимового магнита позволяет значительно упростить систему за счет отсутствия токопровода на захватном механизме манипулятора, тем самым повысить надежность работы захвата.
Примечательно, что разработанная конструкция захватного устройства может быть масштабируема в зависимости от задачи. Так, в Центре робототехники МТУСИ реализовано три версии захвата с различным удерживающем усилием: 56 Н или 5.71041 кг, 155 Н или 15.876 кг и 175 Н или 17.861 кг.
Все это делает разработанную полезную модель пневматического магнитного захвата робота-манипулятора решением, которое может использоваться совместно с компьютерным зрением для задач сортировки металлических объектов.