РОБОТОТЕХНИКА

ДИСТАНЦИОННО УПРАВЛЯЕМЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

Существование различных сред, потенциально опасных для человека, определило необходимость в разработке машин, при­годных для дистанционного манипулирования и управляемых че­ловеком-оператором, находящимся в безопасной среде. Разработки такого рода представляют значительный интерес для исследова - теля-роботехника, ибо они демонстрируют потребность в робо­тах и, кроме того, те образцы механизмов, которые были разра­ботаны, могут дать хороший ориентир при создании автоматиче­ски управляемых конечностей для автономных роботов.

Трудности, возникающие при разработке таких систем дистан­ционного манипулирования, в значительной степени вызваны эф­фектами изменения в моментах инерции нагрузок. Введение редук­ционной передачи между приводным двигателем и нагрузкой мо­жет сгладить действия этих эффектов, но тогда сама инерция элек­трического двигателя приобретает большее значение. Человек­опера гор испытывает неизбежное чувство досады из-за задержки реакции исполнительной части копирующего манипулятора. По­этому эксплуатация электрогидравлики зачастую предпочтитель­нее непосредственного использования электродвигателей в при­воде.

Обнаружено, что некоторые устройства, управляемые челове - ком-оператором, полезно снабдить тактильной обратной связью в дополнение к обычной визуальной обратной связи. Тогда опе­ратор приобретает чувство осязания. Эта особенность иногда трак­туется как отражение усилия. Дополнительное преимущество та­кой системы состоит в том, что у оператора меньше шансов при­ложить излишнее усилие при любом движении и тем самым повредить оборудование. При обращении с любой подобной систе­мой необходимы меры безопасности, чтобы не причинить вреда оператору в случае ошибки. Чтобы избежать физического утомле­ния человека-оператора, необходимо очень быстрое появление ответного движения.

Такие характеристики манипулятора, управляемого челове­ком, как грузоподъемность и способность непрерывно держать груз, можно легко сделать превосходящими аналогичные характе­ристики «невооруженного» человека. Тем не менее в то время как простые задания выполняются манипулятором приблизительно с той же самой скоростью, что и невооруженной рукой человека, более сложные задания могут выполняться только медленно или быть вовсе невыполнимыми. В большинстве случаев скорость ра­боты системы человек-манипулятор составляет приблизительно только одну восьмую от скорости работы «невооруженного» че­ловека, выполняющего то же самое задание. Исходя из этого огра­ничения, мы должны ожидать, что наши автономные роботы бли­жайшего будущего будут столь же медленными или, возможно, еще медленнее. Тем не менее благодаря полному отсутствию у ав­тономного робота утомляемости и необходимости в сне зачастую можно будет принять низкую скорость его функционирования, поскольку при обеспечении незначительного наблюдения за ро­ботом, с участием или без участия человека, заданная работа мо­жет продолжаться по 24 ч в сутки.

От первых манипуляторов, управляемых человеком, требова­лась только способность к перемещению радиоактивного химиче­ского образца из одной точки в другую. Иногда использвались простые гидравлические клещи. Однако этот тип манипулятора был не очень жестким, давал резкие толчки при движении испол­нительной части и допускал манипулирование только малыми грузами.

В настоящее время виды простых манипуляторов весьма раз­нообразны. Рассмотрим для примера «Мини-Манип», изготовлен - 140 ный Корпорацией программных и дистанционных систем. Полная масса этого устройства всего лишь около 7 кг. Оно включает го­ризонтальную руку, имеющую подвижность в пределах ±45°, с вертикальной исполнительной рукой на одном конце и вертикаль­ной управляющей рукой — на другом. Длина каждой из трех рук около 60 см. Все эти руки при манипулировании можно повернуть вместе на угол 360ч в вертикальной плоскости и на угол ±60° от вертикали. Предплечье может вращаться на угол ±170°'С, в то время как схват на конце руки осуществляет качание на 45 и 135° вниз и поворот на ±210°. Пальцы схвата на конце руки мо­гут раздвигаться приблизительно до 7,5 см. Имеется храповой стопорный замок для фиксации схвата. Можно манипулировать грузом массой около 2,25 кг в рабочей зоне объемом 0,85 м3.

Другой вариант этого манипулятора совершает правильное Z-образное движение, при котором исполнительная рука движется вверх (при движении управляющей руки вверх) и таким образом повторяет естественное движение оператора, хотя, конечно, в та­ком варианте масса устройства увеличивается приблизительно до 12,5 кг. Эти манипуляторы относятся к классу простейших, но легко позволяют, например, увеличить вертикальное движение руки оператора в два раза и обеспечить повышенные нагрузочную или захватывающую способности.

Изучение таких манипуляторов с прямыми связями может дать полезный перечень требований, предъявляемых не только к сило­вым манипуляторам, но и к автономному работу.

Ограничения, накладываемые на манипулятор чисто механи­ческого вида, таковы.

1. Задающая и исполнительная части обычно должны быть ме­ханически связаны друг с другом и с механическим основанием, на котором выполняется работа.

2. Объем рабочей зоны манипулятора весьма ограничен, и во­обще полная свобода движений отсутствует.

3. Оператору иногда необходимо использовать две руки для работы, выполнимой одной рукой (так как не всегда возможно осуществить умножение усилия, прикладываемого оператором), что утомительно для оператора.

4. Достижимая скорость функционирования намного ниже таковой у «невооруженного» человека: обычно только одна вось­мая от скорости, достигаемой при работе одной рукой.

Время, необходимое человеку для поднятия объектов различной массы, колеблется. Представляется, что опубликованные на этот счет данные [27] хорошо описываются уравнением

„ „ . масса объекта время на подъем = 0,3 Н j-g ,

где время выражается в секундах, а масса объекта — в килограммах.

Большая быстрота достигается при помощи искусственных Устройств.

Можно добавить электрический или гидравлический привод к простым видам манипуляторов, описанных выше. Такие мани­пуляторы хорошо подходят для транспортировки и переориента­ции объектов. Конечно же, обычный электрический подъемный кран, управляемый человеком, представляет собой элементарный вариант такого манипулятора, особенно, когда он оснащен зах­ватным механизмом — автоматическим или управляемым челове - ком-оператором. Всякое подобное управление ограничено в ско­рости.

Тем не менее обнаружилось, что такая односторонняя форма управления должна иметь очень ограниченное применение. Един­ственный вид обратной связи к оператору в этих случаях визуаль­ный и иногда, кроме того, слуховой. Оказалось также, что для получения точного управления необходимо добавить какой-ни­будь вид механической или тактильной обратной связи к кисти человека-оператора и, возможно, к его конечностям.

Начиная приблизительно с 1949 г. было создано много раз­личных типов таких копирующих манипуляторов двусторон­него действия, что стимулировалось главным образом необхо­димостью проведения работ во враждебных организму человека средах, таких, как области высокой ядерной радиации или, в пос­леднее время, подводная среда. Такие устройства, очевидно, мо­гут быть использованы и для работ, производимых в космосе, но управляемых человеком-оператором, находящимся на Земле, хотя здесь также возникают дополнительные сложности, обусло­вленные неизбежной задержкой в передаче сигнала [28].

Простейшей формой обратной связи к оператору в некоторых манипуляторах была «шкала соприкосновений» — калиброванный круг, иногда дополненный звуковой индикацией, чтобы опера­тору не нужно было наблюдать за шкалой.

Первые манипуляторы двустороннего действия обладали спо­собностью манипулировать только малым грузом около 0,5 кг.

Тем не менее они продемонстрировали полезность нового под­хода, который позже был усовершенствован в различных моде­лях, пока грузоподъемность не достигла нескольких сот кило­граммов.

Максимальная скорость функционирования, достигнутая в ма­нипуляторах на электродвигателях, соответствует приблизи­тельно 10 Гц и достаточна для многих целей. Эта цифра соответ­ствует возможностям «невооруженного» человека. Однако огра­ничение частотной характеристики обратной связи до этой частоты оказывается невыгодным, поскольку ограничивает скорость функ­ционирования, которая может быть развита человеком, управля­ющим манипулятором.

Гортц указал па то, что, когда используется обычный ручной инструмент, человек через руку получает от инструмента боль­шой объем сенсорной информации и поэтому желательно, чтобы полоса пропускания обратной связи была увеличена и в дистан­ционном манипуляторе, управляемом человеком, и в самоупра­вляющемся роботе [6].

Для работы с такими системами с обратной связью и высокой точностью воспроизведения необходимо иметь полосу пропуска­ния до 100 или даже 1000 Гц. Тем не менее введение сенсорной обратной связи, возможно, вызовет трудности, связанные с об­ратной связью по ложной информации, возникающей из-за не­достатков системы [30].

Американское устройство «Минатор», использовавшееся в экс­периментах по ядерньш полетам, имело корпус шарообразной фор­мы с пятью многозвенными руками, причем три руки были снаб­жены телевизионными камерами. Устройство подвешивалось на самоходном подъемном кране.

Интересно привести основные технические данные силового электрического манипулятора, форма которого полностью сов­падает с формой руки человека.

Кисть (сменная):

скорость открывания—закрывания, см/с.................................... 1

усилие сжатия, Н...................................................................... 0—350

максимальное раскрытие, см.................................................. 6,5

Запястье:

момент при повороте, Н-м........................................................ 17

скорость поворота, об/мин........................................................ 2

угол поворота, ...° 320

момент вращения (возможно непрерывное вращение),

Н-м........................................................................................... 3,5

Локоть:

момент при сгибании, Н-м....................................................... 55

скорость сгибания, об/мин......................................................... 2

угол сгибания, 0.......................................................................... 320

расстояние от запястья до локтя, см...................................... 40

Плечо:

момент при повороте, Н-м....................................................... 100

скорость поворота, об/мин.......................................................... 2

угол поворота, °......................................................................... 228

расстояние от локтя до плеча, см............................................ 38

Тело:

момент вращения, Н-м............................................................. 20

скорость поворота (непрерывное вращение), об/мин. . 3

грузоподъемность, кг............................................................... 25

Электрические копирующие манипуляторы [7—9, 53, 56].

Использование в манипуляторах электрического привода дает некоторые преимущества. Например, можно достигнуть макси­мальной подвижности исполнительного органа и в то же время так расположить задающий орган, что будет обеспечен наилучший обзор. С электрическим приводом очень легко получить на задаю­щем органе усилия намного меньшие или намного большие, чем усилия, развиваемые на исполнительном органе; отношение перемещений органов манипулятора можно изменять подобным же образом и вообще сделать отношения усилий и перемещений независимыми друг от друга. Благодаря этому задающая и исполнительная части могут иметь совершенно различные раз­меры и формы, что дает большие преимущества при манипулиро­вании очень малыми или очень большими грузами. Последний слу­чай очевиден и, по-видимому, должен быть более распространен однако возможность создания микроскопических копирующих манипуляторов много обещает для будущих работ например, по отладке интегральных схем.

Важно также, чтобы некоторые блоки робота и некоторые эле­менты исполнительного органа манипулятора легко ремонтиро­вались подобными же блоками. Например, это существенно для космических применений и очень полезно в ядерных применениях, где элементы исполнительного органа могут быть загрязнены. Были сконструированы блоки с электрическим управлением, ко­торые могли разбираться и ремонтироваться аналогичными бло­ками. Это направление, вероятно, должно еще более развиваться в будущем, когда увеличится число используемых роботов, так как очень желательно исключить труд человека на любых опера­циях по техническому обслуживанию.

На практике обнаруживается, что человек-оператор достигает приемлемой ловкости обращения с такими устройствами всего лишь после часа работы, хотя может понадобиться несколько не­дель или месяцев, чтобы по-настоящему овладеть требуемыми дви­жениями, так как на кисти исполнительной руки имеются только два пальца. По-видимому, основное препятствие приобретению необходимого умения кроется в мышлении человека и состоит в том, что человек при управлении имеет свойство мыслить всегда с точки зрения необходимых собственных действий, а ему вместо этого следует мыслить с точки зрения действий, требуемых от схвата манипулятора. Указанная трудность не будет встречаться при работе с роботом, который еще не обучен, так как это в основ­ном проблема сложившихся стереотипов.

Эксперименты показали, что рассматриваемые манипуляторы допускают весьма высокие инерционные нагрузки и трения, по­скольку возможна относительно низкая жесткость соединения между задающим и исполнительным органами. Установка клиппи - рующих устройств, которые ограничивают максимальный сигнал и, следовательно, максимальное усилие, как обнаружилось, ведет к значительному увеличению надежности таких систем.

С манипулятором с замкнутым контуром управления связана трудность достижения стабильности работы сервосистем, несмотря на изменяющийся характер нагрузки, приводящая к следящей управляющей системе, которая в принципе нелинейна. В работе над подобными системами, имеющими эффективно изменяющиеся параметры, такие, как постоянные времени, автору удалось про­демонстрировать применимость сравнительно простых конструк­тивных методов в тех случаях, когда, например, основная нагру-

зочная постоянная времени изменяется, превышая эффективную в отношении 12 : 1 [10, 11], о чем уже упоминалось в гл. б.

Манипуляторы, управляемые от пульта управления. В насто­ящее время существуют разнообразные применения, в которых дистанционно управляемые манипуляторы управляются кнопками от пульта управления, а не прямым копированием движений че­ловека.

Типичный образец такого манипулятора PAR 3000 оснащен кистью клещевого типа с ходом пальца около 12,5 см, способной к максимальному зажимному усилию около 900 Н со скоростью движения при сжатии около 7,5 мм/с. Эта кисть легко заменяется кистями других типов. Усилие зажима контролируется электри­ческой муфтой, а максимальное усилие зажима устанавливается ручкой на пульте управления. Передняя секция запястья легко снимается вместе с двигателями привода, которые в ней располо­жены, что позволяет осуществить доступ к внутренним частям.

Плечо и предплечье руки выполнены в виде единой коробчатой конструкции, так как это позволяет соединить следующие преи­мущества: жесткость, герметичность и легкость разборки. Герме­тизация достигается при помощи О-образных колец. Внутри руки установлены регулируемые извне ггатяжные звездочки цепной передачи, а легкий доступ к платам упрощает техническое обслу­живание. Роликовые цепи передают усилие от двигателей, приводя в движение кистевой, локтевой и плечевой суставы. Двигатели вместе с их предохранительными фрикционными муфтами устано­влены под кожухом плеча, и положение муфты можно регулиро­вать, открыв кожух. Непрерывное вращение плеча обеспечивается с помощью двигателя плечевого сустава, также снабженного фрик­ционной муфтой.

Оператор пользуется пультом управления размером примерно 38 X 20 X 15 см со скользящими ручками с нулем в среднем по­ложении для управления линейными движениями и поворотными ручками — для вращательных движений. Схема управления и источники питания для электродвигателей расположены в шкафу, установленном на роликах. Используются магнитный усилитель и тиристорный вариант бесступенчатого управления совместно с защитой от перегрузки. Общая потребляемая мощность около 1 кВ-А. В сборке узла запястья предусмотрено гнездо, так что имеется возможность питать внешние электрические инструменты, используемые совместно с манипулятором.

Если требуется, можно обеспечить боковые движения в шар­нире запястья и весь манипулятор вместе с телескопической рукой Установить на передвижной мостовой системе. Крюк для перемеще­ния тяжелого груза находится на кожухе плеча и легко доступен кисти манипулятора.

Манипулятор полностью герметичен, так что его можно по­грузить в воду; вся его электропроводка находится внутри. По­добные устройства изготавливаются для подводных использова -

ний с гарантируемой неограниченной глубиной погружения. Внутри такого устройства, целиком заполненного смазочной жидкостью, помещен глубинный компенсатор для поддержания давления, слегка превышающего внешнее. В приводах исполь­зуются гидромоторы с номинальным давлением в гидросистеме около 12 ООО кПа.

Итак, технология производства рук и кистей усовершенствован­ного манипулятора развивается, и нет сомнений в том, что такие устройства будут непосредственно использоваться в автономном подвижном роботе. Безотлагательные требования к ним — умень­шение массы и совершенствование источников питания. Это — своего рода «естественный отбор».