Переоснащение роботов
По существу, рука движется в трех различных измерениях, поэтому требуется лишь управление по каждой из осей х, у, z. Другой подход предполагает управление по радиусу и двум углам. При этом также требуются только три независимых управления. Таким образом, если усилия, развиваемые приводами, вполне достаточны для движения по по всем координатам, то для идеализированной руки робота, в принципе, необходимы только три отдельные управляющие системы.
Однако такой подход представляется излишне упрощенным, так как не учитывает, что локоть и кисть руки человека могут сгибаться, позволяя руке огибать препятствие. Эта способность резко расширяет круг заданий, которые могут выполняться человеком.
Переоснащение имеющихся роботов в соответствии с современными требованиями может дать какой-то экономический эффект. Такому переоснащению подвергались некоторые первые роботы - загрузчики. Тем не менее получающаяся в результате этого по - 54 теря гибкости управления чрезвычайно ограничивает область применения таких роботов. С экономической точки зрения робот общего назначения будет иметь гораздо больший рынок сбыта, чем более ограниченное специализированное устройство.
Управление с обратной связью, вероятно, должны быть обязательным в большинстве случаев. Это может быть обычная обратная связь, как в контуре сервоуправления. Кроме того, в роботе, как и в живом' организме, обратная связь может обеспечиваться управлением группами мышц-антагонистов, каждая со своей собственной системой управления, которая тормозит соответствующую мышцу, когда возбуждена мышца-антагонист.
В дополнение к трем независимым и двунаправленным силам и движениям, которыми должна быть наделена рука робота, необходимы также три независимые и двунаправленные пары сил и вращений. Последние обычно можно обеспечить за счет выбора варианта работы кисти.
Боттомли [30] показал, как обеспечить, чтобы рука робота всегда двигалась по радиусу от плеча (к плечу), если расстояние между локтем и кистью равно расстоянию между локтем и плечом. Один зубчатый барабан устанавливается в плече, другой, половинного диаметра, —■ в локте и соединяется с предплечьем. Барабаны замкнуты зубчатым ремнем или цепью наподобие мотоциклетной. Таким образом, локоть поворачивается на двойной угол поворота плеча, в то время как рука движется по радиусу. Этот автор описывает также остроумное замковое устройство Стипера, которое блокирует угол поворота, например, в локте, когда мала тяга или ослаблен рабочий трос.
Захватывающие движения пальцев [12—16, 45]. Необходимо, чтобы рука робота общего назначения могла воспроизводить как можно больше обычных движений кисти и пальцев человека. Захватывающие движения, которые осуществляются пальцами человека, можно классифицировать следующим образом.
1. Захват ладонью относительно крупных объектов, когда большой палец противостоит кончику указательного пальца.
2. Захват кончиками пальцев тонких объектов, когда большой палец противостоит кончикам остальных пальцев.
3. Перьевой захват, используемый для письма или резания.
4. Боковой захват между кончиком большого пальца и боковой стороной указательного пальца.
5. Стержневой захват, когда большой и остальные пальцы загнуты вокруг стержня в противоположных направлениях.
6. Шаровой захват, когда все пальцы руки довольно равномерно располагаются вокруг круглого предмета.
7. Круговой захват, когда один или более пальцев цепляются за выступ или углубление.
Существует принципиальная разница между защемлением (при захвате кончиками пальцев) и захватыванием (при стержне - в°м захвате). Она состоит в том, что при стержневом захвате движение большого пальца задерживается относительно движения остальных пальцев руки. Томович и Бони [15] предложили весьма остроумную практическую реализацию этой особенности. Два троса, которые управляют большим и остальными пальцами, просто прикреплены к одному и тому же барабану в различных угловых положениях. Тогда при одном направлении вращения (для захвата кончиками пальцев) большой палец движется одновременно с остальными пальцами. При противоположном направлении вращения движение большого пальца задержано, что и требуется для захвата стержня. Для приведения кисти в движение эти исследователи используют четырехваттный двигатель с редукцией 100 : 1.
В первых роботах по созданию дистанционно управляемых манипуляторов было обнаружено, что для многих применений достаточно только двух противостоящих пальцев, образующих клещевой захват. Одновременно были проведены эксперименты с захватами охватывающего типа, но захваты с параллельными губками оказались лучшими [17, 58]. Однако дальнейшая работа по созданию манипуляторов, управляемых человеком, вероятно, потребует осуществления более сложных действий, и конечно, такая работа уже ведется при создании протезных устройств (например, рука Ракича 132]).
Оригинальный тип захватывающего устройства использовался при некоторых применениях промышленного робота «Версатран». На каждый из двух противостоящих пальцев прикреплялась накладка из резины или пластика, которая надувается. Когда обе накладки надуты, можно надежно захватить предмет правильной формы. Очень важно, что такой, несвойственный человеку способ захвата будет более широко применяться в будущих роботах.
Ринг [28] дополнил схват детектором направления движения (или проскальзывания). Для регулирования сжатия, создаваемого кистью робота, силу сжатия можно связать с массой предмета, который держит рука, если коэффициент трения между кистью и предметом считать постоянным. Такое устройство позволяет получить время срабатывания в одну десятую секунды.
Тринг [31 ] описал семипалую руку с одной степенью свободы, которая может захватывать множество различных предметов. Все семь пальцев относительно независимы и противостоят фиксированному «большому», но в отличие от протезного устройства Ракича [32], которое также имеет относительно независимые пальцы, здесь не делалась попытка внешне копировать руку человека. Для робота это не обязательно. Если предусмотрено единое управление всеми пальцами при помощи пружины, то, как это было установлено при работе над протезами, нормально открытая кисть предпочтительнее нормально закрытой [45]. Если двухпозиционный большой палец противопоставлен пальцам, которые могут передвигаться на 40 мм, то возможен захват предметов диаметром до 80 мм, хотя при этом на открывание кисти до 40 мм, требуется 90% времени. Захватывающее усилие должно быть равным по меньшей мере 70 Н. Наиболее удачна кисть типа «трехпалый патрон» с двумя пальцами, противостоящими большому. В протезах эти два пальца иногда выполняются из латекса.
Высокий коэффициент трения кожи человека дает большое преимущество для захвата и поднятия предметов. Этот коэффициент приблизительно равен 3 и даже под водой уменьшается незначительно. Существуют некоторые пластики и резины со сравнимыми параметрами. Для протезирования кожи использовались различные резины, кожи и пластики, хотя, по-видимому, у поливинилхлоридных материалов имеются несомненные преимущества [46]. «Кожа» робота должна быть водонепроницаемой и максимально противостоять действию других жидкостей и погодных условий.
Годден [36] указал на большие преимущества многоточечного захвата для удерживания тяжелых предметов. Когда начинается скольжение, оно прежде всего проявляется на краях контактной поверхности [42].
В настоящее время трудно себе представить какую-либо «кожу» для покрытия робота, хотя бы близкую по универсальности к коже человека [37—40, 43, 57]; она должна быть снабжена тактильными и тепловыми сенсорами, отталкивать жидкости, охлаждаться при помощи испарения, самообновляться и самовос - станавливаться. Первые роботы будут металлические, возможно, с некоторым подобием кожи на пальцах.
Недавно стало известно о новом синтетическом пластике — полипоните, предназначенном главным образом для использования в качестве заменителя биологической ткани в медицине, хирургии и фармакологии [48]. Этот пластик — производное полистирола — гидрофилен и может выпускаться в виде пленки или покрытия для различных пластиков, металлов и стекол. Ожидается, что этот материал будет широко применяться в медицине, и если бы он мог производиться по низкой цене, то очень подошел бы также для использования в качестве покрытия подвижного робота.
