7.2. Принципы силомоментного очувствления роботов

Системой силомоментного очувствления (ССО) робота называется СИС, включенная в его кон­тур уп­рав­ления и предназначенная для измерения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на схват или инструмент манипулятора и формирования логического или непрерывного управляющего воздействия на исполнительный механизм в проекциях на связанную с ним систему координат. Типовая структура ССО при­ведена на рис. 7.3. В отличие от СТЗ вычислительные средства ССО обычно локальны и реализуются на базе контроллеров и однокристальных ЭВМ.

Современные ССО классифицируются по трем ос­новным признакам.

1. По принципу измерения компонент главного вектора нагрузки: системы прямого измерения (вклю­­чают СМД, устанавливаемый в раз­рыве кинематической цепи), системы косвенного измерения (ис­пользуют вариации моментов нагрузки в приводах).

2. По способу очувствления: «очувствленный манипулятор» и «очувствленная среда».

3. По объекту управления: управляется непосредственно мани­пулятор робота и управляется автономный модуль.

Учитывая данную классификацию, выделяют пять типовых вариантов построения ССО (табл.7.2).

Таблица 7.2. Схемы построения ССО роботов

Вариант (тип ССО)	Принцип измерения		Место установки СМД		Управляемый механизм
	прямой	косвенный	на манипуляторе	вне манипулятора	манипулятор	автономный модуль
1	+		+		+
2	+		+			+
3	+			+	+
4	+			+		+
5		+			+

Так, например, первый вариант построения ССО предполагает управление манипулятором с помощью установленного на нем СМД. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Заметим, что определение реакции между предметом в захватном устройстве робота и некоторой поверхностью (при абра­зивной обработке), или двумя предме­тами (при сборке) возможно несколькими способами. Обычно выделяют три: «очувствление» рабочей среды (в этом случае объ­­ект устанавливается на оснащенную датчиками платформу), «очувствление» за­хватного устройства или за­пястья робота, а также использование информации об усилиях, действующих на приводы робота через следящую систему.

Способ«очувствления» рабочей среды был разработан в Сте­нфордском исследовательском институте (США) П. Уотсоном и С. Дрейком (рис. 7.4). В соответствии с ним измерение силовых факторов проводилось на системе из трех подвижных платформ, оснащенных датчиками. Вне­шние силовые факторы F и M вызывают взаимное перемещение платформ, измеряемое вдоль осей X, Y, Z с помощью восьми тензодатчиков, расположенных между платформами. Обозначив буквами  и  сигналы с тен­зодатчиков, а l сторону платформы получим:

F_x = ₄ + ₂, F_y = ₃ + ₁, F_z = ₂ + ₄ + ₁ + ₃,

M_x = [(₄ + ₁) - (₃ + ₂)] l/2, M_y = [(₄ + ₃) - (₁ + ₂)] l/2, M_z = (₁ - ₂ - ₃ + ₄) l/2.

Тогда, если на платформу действует некоторая сила, то координаты точки ее приложения P определяются выражениями:

Z_p = 0, X_p = - M_y/F_z, Y_p = M_x/F_z.

В частности, по показаниям датчиков _i (i = 1 ... 4) можно вычислить положение центра тяжести объекта R_цт, установленного на платформе и его изменение во времени:

F_x = F_y = 0, F_z = ₂ + ₄ + ₁ + ₃, M_x = [(₄ + ₁) - (₃ + ₂)] l/2, M_y = [(₄ + ₃) - (₁ + ₂)] l/2, M_z = 0.

Если же в качестве объектов используются сборочные единицы, то проекции центра тяжести, например, втулки, однозначно определяются по формулам:

и

Указанные зависимости использовались при формировании закона управления роботом при сборке цилиндриче­ской пары.

При «очувствлении» рабочей среды возможно появление значительных динамических ошибок из-за инерционности платформ. Кроме того, такой подход усложняет организацию рабочего места. Поэтому, многие структуры СИС используют многокомпонентные СМД, расположенные на схвате, макси­мально близко к области, в которой возникают усилия. (Первые разработки в области роботизированной сбо­рки с использованием СМД проводились К. Розеном, Р. Грумом и А. Бейтси в США, а также Т. Гото в Японии).

В рамках концепции «очувствленного запястья» существует несколько конструктивных схем СМД. Выбор той или иной схемы определяется реализуемым принципом силомоментной адаптации. Различают три основ­ные модели: активная силомоментная адаптация, пассивная аккомодация и «адаптивное запястье».

Модельактивной силомоментной адаптации является наиболее распространенной. В соответствии с ней СМД выполняется в виде совокупности упруго-чув­стви­тельных элементов, измеряющих силовые факторы по трем осям связанной с ним системы координат (рис. 7.5). Первый подобный датчик был разработан сотрудником Массачусетского технологического института (США) В. Шейнманом в 1951 г. Управление приводами исполнительного ме­ханизма осу­ществляется по информации от СМД. Системы этого типа впервые позволили избежать заклинивания при сборке цилиндрической пары: еще в 1976 г. П. Уотсон осуществил установку цили­ндра ди­аметром 40 мм в отверстие с допуском 15 мкм за 0,2 с.

Модель пассивной аккомодации предназначена для сборочных операций и основана на построении СМД в виде пассивного центрирующего устройства. В этом случае, измерения силовых факторов не производится, а сопряжение объектов осуществляется за счет специальной конструкции центрирующего устройства. Наиболее известная конструкция, названная устройством с вынесенным центром подат­ли­вости или RCC (от англ. Remote Cen­ter Compli­an­­ce), была раз­работана в 1972 г. сотрудником Сте­н­фордс­кого исследовательского института Ч. Дре­й­пером (рис. 76)

Устройство, закрепленное в запястье манипулятора, состоит из двух функциональных модулей - силового, представ­ляющего собой упругий параллелограмм и моментного в виде упругого треугольника (рис. 7.6а). Упругие элементы (УЭ), в качестве которых используются штыри на упругих шарнирах, испытывают деформации изгиба под действием четырех ком­понент главного вектора сил и моментовF_x, F_y, M_x и M_y. В ненагруженном состоянии фокус устройства (точ­ка f), являющийся точкой приложения силовых факторов и совпадающий с точкой контакта объектов находится на оси захватного устройства. При действии компонент F_x и F_y деформируются УЭ силового модуля, смещая фокус в направлении действующей силы (рис. 7.6б). При возникновении моментов M_x и M_y происходит деформирование УЭ моментного модуля, и ось устройства поворачивается относительно оси симметрии на некоторый угол (рис. 7.6в). В результате действия указанных силовых факторов фокус f всякий раз перемещается в направле­нии дейст­вующей компоненты. (На рис. 7.6 показаны деформации устройства под действием ком­понент F_x и M_y). В настоящее время существует много модификаций схемы RCC. В большинстве из них вместо штыревых УЭ применяются эластомерные кон­ст­рукции.

Достоинствами средств пассивной аккомодации типа RCC является возможность «слепой» сборки цилиндрических объектов при на­­чальных рассогласованиях до 1 … 3 мм и 2 … 5⁰ и простота конструкции. В то же вре­мя, этот подход не позволяет проводить операции с контролем качества (выдержкой заданных усилий) и применим преимущественно для осевой сборки. В настоящее время по­доб­ные упругие устройства применяются совместно с соответствующими поисковыми алгоритмами. Так, сборка цилиндрической пары классу H6-G7 выполняется за 2 ... 8 с (В. Халил и П. Борель, США).

Модель адаптивного запястья, учитывающая достоинства обо­­их подходов, связана с использованием систем активно-пас­сив­ной адаптации (рис. 7.7). Она была разработана сотрудником фирмы Hitachi (Япония) T. Готo в 1982 г. Устройства, по­строенные в соответствии с данным подходом используются в сбор­­ке ти­па «вал-втулка» с допусками менее 2 мкм, абразивной обработке и других операциях с замкнутой кинематиче­ской цепью.

Наконец, способкосвенного измерения вообще не требует никакого дополнительного оснащения манипулятора. Здесь используется тот принцип, что если робот содержит привода с обратимыми редукторами, то любая сила, дей­ствующая ни­же некоторого i-го сочленения исполнительного механизма, ока­зывает влияние на все движущие моменты, управляющие со­чле­не­ни­ями выше данного (рис. 7.8). Тогда, внешнее воздействие F можно определить, измеряя разность меж­ду моментами в приводах (кос­венно, например, через токи двигателей) при его наличии и отсутствии. В состоянии равновесия имеем:

P + Г = 0,

здесь P - вектор моментов, возникающих под действием веса звеньев робота, Г - вектор моментов в сочленениях.

Сила реакции внешней среды F создает вектор момента M и уравнение равновесия изменяется:

P + Г + M = 0,

где M - вектор момента от силы F.

Оба уравнения соответствуют одной и той же конфигурацииq₀, когда следящая система робота поддерживает заданные значения углов q = q₀. Используя принцип виртуальных работ, запишем

F^Т x = Г^Т q + P^Т q,

При этом, x = J^Т(q) q. Здесь J(q) - матрица Якоби, связывающая прост­ранство задачи с пространством обобщенных координат. Тогда получим:

F^Т = Г^Т J^-1(q) + P^Т J^-1(q).

Следовательно, внешняя сила F вычисляется косвенно через моменты в приводах Г, при известной кинематической схеме манипулятора J(q) и его весовых параметрах P. Заметим, что когда манипулятор принимает син­­гулярную конфигурацию, при которой det J(q) = 0, производить измерения нельзя.

Этот подход, предложенный Р. Полом для сбор­ки узлов водяного насоса в проекте «Stanford Arm», вызвал большой интерес и использовался также Х. Иноки, П. Борелем и др. Однако, очевидное достоинство способа, связанное с его практичностью и дешевизной решения не компенсируется недостатками. Важнейшее из них - неоднородность инерционных сил робота в зависимости от его конфигурации, наличия груза, упругости в шарнирах и т.д. требует очень точного моделирования динамики.