РОБОТОТЕХНИКА

ПОДВИЖНЫЕ МАНИПУЛЯТОРЫ

Манипулятор в некотором смысле можно рассматривать просто как современный вид универсального подъемного крана. Конечно, некоторые виды экскаватора и подъемного крана также способны к широкому классу действий, и граница между этими более ран­ними устройствами и позже появившимися манипуляторами весьма расплывчата.

Например, робот«Мэнмейт» фирмы GE фактически представляет собой тоже кран, который может быть оснащен различными видами захватывающих устройств, таких, как механические зажимные губки или вакуумные чашки для подъема стекла. Успех подобных машин фактически определяется высоким каче­ством управления, поскольку оператор наделен тонким осяза­нием и имеется обратная связь от исполнительной части к опе­ратору. Преимущество таких машин главным образом заключа­ется в уменьшении утомляемости оператора при выполнении трудоемких операций.

Полезность создания такого манипулятора полностью под­вижным также очевидна, если только может быть оправдано главное препятствие — повышенная стоимость. Одно применение, где стоимость, несомненно, может быть оправдана, — это обсле­дование и ремонт ядерного реактора или подобной системы после какого-либо происшествия. Устройство такого типа под назва­нием «Битл» использовалось в Центре по разработке ракетных ядерных двигателей в Неваде. «Битл» нес экипаж из двух человек в массивной защищенной кабине и имел две руки по 5 м длиной. Управление этим устройством оказалось слишком дорогим, и в бо­лее поздних устройствах, как правило, предусматривалось ди­станционное размещение оператора (или операторов) в безопас­ной среде.

Манипулятором такого более позднего вида было «Подвижное дистанционно управляемое манипуляционное устройство», или MRMU. Он весил только 11 ООО кг в сравнении с 80 ООО кг «Битла», управлялся по радио, а несколько телевизионных ка­мер обеспечивали визуальную обратную связь. Основой тележки для MRMU послужил переоборудованный армейский грузовой гусеничный транспорт, который мог передвигаться со скоростью 50 км/ч, т. е. примерно в 4 раза быстрее, чем «Битл», поскольку тяжелой защитной кабины «Битла» больше не требовалось.

Вариантом ограниченно свободного транспортного средства, используемого для повседневных перевозок в радиоактивных средах, является «Маленький бродяга» фирмы GM/PaR. Он состоит из платформы площадью 1 м2, которая несет единствен­ную руку и две стереокамеры, смонтированные на колонне в цен­тре платформы. Последняя установлена на гусеничной тележке и соединена со станцией операторского управления кабелем, который определяет допустимое движение тележки.

«Подвижный робот», или «Мобот» [5], несет на себе аккуму­ляторные источники питания, благодаря чему обладает большей подвижностью, хотя для передачи сигналов команд все еще ис­пользуется буксируемый кабель. Каждая из двух рук этого уст­ройства наделена тремя суставами, способными к полному полу­сферическому движению, благодаря чему достигается макси­мум гибкости. Кроме этой особенности устройство дополнено стрелой для камер, краном-укосиной и вилочным захватом.

«Мобот» смонтирован на трех колесах, причем единственное заднее колесо используется для рулевого управления. Макси­мальная скорость 5 км/ч; пневматические тормоза включаются автоматически, когда «Мобот» останавливается. Скорости пере­движения и движения руки управляются ножными дросселями, в то время как основное управление осуществляется оператором при помощи шарнирных переключающих рычагов. Команды передаются по трехжильному кабелю, а для мультиплексной передачи используются синхронные коммутаторы.

Ниже приведены некоторые ориентировочные технические дан­ные «Мобота».

12 ;

0—100

35

350

8,5

45 в

I

10

200

12 9

2 '» 165 I

-5А

0,75

330 г

0,3-3

просвет в захвате руки................................. Отверстие ^

0 16 см • '

Сравнительно дешевый «Самоходный антропоморфный мани­пулятор» или САМ [103], представляет собой четырехколесную дистанционно управляемую тележку с шарнирной «рукой», уста­новленной: на полукруглой рельсовой колее. Манипулятор мо­жет работать в зоне от уровня земли приблизительно до двух мет­ров от земли. Руки манипулятора представляют собой протезы с «Ранчо Лос Амигос», которые дистанционно управляются от экзоскелетона, надетого на человека-оператора. На голове опе­ратора укрепляется шлем, от которого управляется телевизион­ная камера, установленная на манипуляторе. Команды управле­ния поступают по коммерческой 64-канальной радиолинии PCM-FM.

Некоторые из наиболее выдающихся результатов по подвиж­ным манипуляторам были получены начиная с 1959 г. в Лабора­тории сервомеханизмов национального комитета по ядерной энер­гии (CNEN) в Касации (Италия) под руководством К - Манчини. Эта работа будет описана здесь довольно подробно, поскольку она дает прекрасный образец для будущих работ по автономным роботам. Исследования, базировавшиеся на предшествующей ра­боте Отдела дистанционного управлення CNEN, ознаменовались созданием подвижного манипулятора «Маскот», который сейчас выпускается серийно фирмой «Селения» в Риме.

С самого начала «Маскот» проектировался на основе точного инженерного расчета. Было установлено, что стоимость 1 см3 рабочей зоны для манипулятора механического типа составляет около 1000 дол. Поскольку стоимость любого подвижного ро - бота-манипулятора первоначально оценивалась приблизительно в 50 000 дол., «Маскот» должен был обеспечить минимальную рабо­чую зону объемом более 50 см3, обладать способностью к манипу­лированию рабочим грузом массой в 23 кг, поднимать груз на высоту 4 м и иметь «ловкость», сравнимую с той, которую дает механический манипулятор.

Подвижное исполнительное устройство было смонтировано на дистанционно управляемой тележке с электрогидравлическим приводом и оснащено стереотелевизионной камерой. Каждая из двух рук имела семь возможных движений: три поступательных, три вращательных и седьмое—сжимающее.

Примечательная черта «Маскота» состоит в том, что для всех семи движений каждой руки используется идентичное модульное сервоуправление. Стабилизация следящих систем осуществляется посредством обратной связи по скорости. Поскольку это пред­ставляет интерес, приведем технические данные стандартизован­ной сервосистемы.

Максимальный вращающий момент, Н-м............................ 20

Максимальная частота вращения, об/мин............................ 70

Максимальный угол самосинхронизации, ...° 900

Пусковой момент трения, Н-м......................................... 0,1

Ширина полосы пропускания, Гц..................................... 25

Упругая деформация, рад/Н-м........................................ 0,002

Полный коэффициент демпфирования нагрузки.... >!

Двухфазный двигатель, используемый в сервосистеме, был специально разработан и изготовлен. Его технические характе­ристики следующие:

Частота питающего напряжения, Гц.................................. 50

Пусковая мощность короткого замыкания на фазу, Вт 180

Максимальный момент, Н-м............................................ 0,5

Частота вращения без нагрузки, об/мин........................ 2 900

Пусковое ускорение, рад-с-2 ..................................... 80 000

Момент трения, Н-м................................................ 0,001

Двигатель и управляющее устройство проектировались для непрерывного режима работы при максимальном моменте, по­этому для охлаждения двигателя при температуре окружающей среды 25°С потребовался воздушный поток в 30 м3/мин. Был установлен вентилятор, охлаждавший двигатель при нагревании его свыше определенной температуры. Средняя температура дви­гателя минимизируется за счет управления не одной, а обеими обмотками одновременно, что способствует увеличению срока службы двигателя. Максимальная выходная мощность по каж­дому из каналов — 500 Вт.

В первом устройстве «Маскот» большое внимание было уделено конструкции и используемым материалам. Например, исполь­зовались управляющие кабели из нержавеющей стали, применя­лись коррозионно-стойкий алюминий и антирадиационные смазки. При работе конструкция сохраняла напряженное состояние, несмотря на изменение взаимных положений нижних и верхних частей руки благодаря использованию специальных кулачков.

Для обеспечения безопасности при отказах устройство было наделено следующей особенностью: в случае неисправности все движения автоматически блокировались выключением электро­магнитного тормозного размыкающего устройства, в результате чего пружина задействовала тормоз. На неисправность указывало превышение основным управляющим напряжением на сельсине установленной максимальной величины или уменьшение этого напряжения до нуля.

Масса исполнительного блока 775 кг, габаритные размеры 125X110 X170 см. Ліаксимальная скорость движения схвата 75 см/с при тисковом трении 2,5 Н и упругой деформации 0,028 м/Н.

В результате проведенной работы было предложено повысить скорость и «чувствительность» перемещения, уменьшить трение в сервоприводе и стальные приводные тросы заменить лентами.

В первых образцах «Маскота» веса рук уравновешивались про­тивовесами, но при этом увеличивалась инерционность системы. В последующих образцах вес уравновешивался электрическими моментами, создаваемыми в блоках сервопривода. Этот новый подход обеспечивал и большую свободу при конструировании рук. Трение и инерционность рук, в большой степени определяемые блоками сервопривода, были уменьшены также благодаря введе­нию обратной связи по моменту. Благодаря перечисленным из­менениям оператор стал лучше «ощущать» систему как в динамике, так ив статике.

В то же время было уменьшено необходимое число проводов между задающим и исполнительным блоками, что позволило увеличить гибкость движения последнего. Кроме того, были уменьшены размеры сервоприводов и, следовательно, самих рук. При этом появилось дополнительное преимущество, заключав­шееся в увеличении универсальности системы, поскольку теперь могло быть обеспечено выполнение более широкого круга работ с помощью устройства меньших размеров.

В более поздних устройствах использовались высокоэффектив­ные усилители мощности переключающего типа с естественным охлаждением. Одна из целей применения подобных видов уси­лителей мощности состоит в уменьшении габаритов управляющих усилителей мощности до такой степени, чтобы их можно было не располагать дистанционно, а устанавливать непосредственно на «тело» робота. Поскольку теперь к роботу должны подводиться только маломощные управляющие сигналы, можно использовать подводящий кабель меньшего сечения и более легкий, а в конеч­ном счете ориентироваться на использование максимальной гиб­кости радиоуправления.

В дальнейшем работа над «Маскотом» была продолжена 112, 13]. Однако мы не будем пытаться привести здесь исчерпывающее описание технических приемов, примененных в «Маскоте». Под­робное описание дается в публикациях итальянских исследова­телей, которые, без сомнения, приложили максимум усилий, чтобы эта информация была доступна широкому кругу специалистов.

В дальнейшей работе над «Маскотом» по соображениям, ко­торые приведены ниже, использовался двухфазный серводвигатель.

1. Двигатель прочный и требует небольшого (или вовсе не требует) технического обслуживания.

2. У двигателя большое отношение максимального выходного момента к моменту трения, что обусловливает высокую чувстви­тельность системы.

3. Двигатель плавно вращается благодаря постоянству мо­мента на полном обороте вала двигателя.

Вместо одного увеличенного двигателя для привода исполь­зуются четыре сопряженных двигателя, что позволяет создать компактное устройство с уменьшенным полным моментом инер­ции, увеличенной поверхностью для рассеивания тепла и большей величиной перегрузочной способности. Двигатель питается от источника напряжения 115 В с частотой 60 Гц. Другие характе­ристики стандартного двигателя следующие:

Максимальная управляющая фазовая мощность, Вт. . 33

Пусковой момент, Н-м................................................. 0,5

Частота вращения без нагрузки, об/мин........................... 3 500

Пусковое ускорение, рад-с-2 ........................................ 34 500

Выходная мощность, Вт.................................................. 10

Максимальное напряжение на управляющей обмотке 150 В, хотя обычно она работает при напряжении 100 В и переключа­ется на 150 В, когда требуется максимальный момент. Максималь­ная мощность рассеяния при полном напряжении составляет 70 Вт и падает до 25 Вт в состоянии покоя. Максимальный момент на выходе сервопривода исполнительной части, равный 20 Н-м,

может поддерживаться в течение 15 мин при температуре окру­жающей среды 20° С.

Измерение положения осуществляется за счет изменения фазы сигнала (400 Гц) линейного сельсина, работающего в диапазоне углов ±60°. Сельсин питается током частотой 2 кГц; этот же источник используется для питания двухфазных тахогенераторов, вырабатывающих сигналы скорости. Благодаря использованию новой схемы общее число проводов между задающей и исполни­тельной частями уменьшилось по сравнению с более ранним «Маскотом» с 55 до 33. Испытания с пленочными потенциомет­рами для измерения положения не дали положительных ре­зультатов.

Приводные двигатели располагаются непосредственно на ре­дукторе. Редукционное отношение между валами двигателей и выходным валом 38: 1, между выходным валом и линейным сель­сином — 10 : 1. Момент трения при пуске составляет 0,03 Н-м. Внешний диаметр редуктора немногим более 12 см.

Характеристики сервоусилителя уже были приведены на стр. 127. Упомянем особо о применении усилителя мощности с раз­делением времени, позволившего получить миниатюрное и про­стое устройство с малыми потерями и охлаждением за счет естественной конвекции. Преимущества такого решения предста­вляются многообещающими для возможного использования в уси­лителе мощности, установленном на подвижном устройстве, упра­вляемом по радиоканалу разделенными во времени импульсами. В настоящее время используется кабель длиной до 300 м.

Исследовательская работа над «Маскотом» привела к его се­рийному производству фирмой «Селения» в Риме. В серийном образце существенно то, что робот создан фактическим саморемон - тирующимся, так как одна рука манипулятора может ремонти­ровать другую. В нем предусмотрены также две различные меры для обеспечения безопасности в случае неисправности. Во-пер - вых, при отключении питания руки и кисти запираются в послед­нем положении. Во-вторых, при незначительной неисправности, например отказе системы охлаждения, оператор уведомляется за 90 с до автоматического выключения и может завершить задание или выполнить обходной маневр. Для уменьшения утомления оператора коэффициенты обратной связи регулируются; если это необходимо, оператор, сосредоточенный на действии одной из рук ма'нипулятора, может блокировать контур управления другой руки при помощи ножного управления.

Научно-исследовательская работа, приведшая к успешному серийному производству роботов-манипуляторов «Маскот», бе­зусловно, заслуживает самой высокой оценки не только за выда­ющиеся инженерные достижения, но и за бескорыстие исследо­вателей: полученные результаты непрерывно публиковались, а возникающие трудности, так же как и успехи, совершенно открыто обсуждались.

Пожалуй, высшую заслуженную похвалу этому конечному результату выразил Баллингер. По его словам, машина настолько впечатляет своим человекоподобием, что возникает желание от­давать приказания непосредственно ей, а не оператору [6]. И если надежды на будущее оправдаются, то это почти наверняка станет возможным.