Манипуляторы с устройствами силового очувствления

Необходимость силовой обратной связи при выполнении роботом технологических операций

Начало исследованиям, связанным с построением управляемых от ЭВМ роботов с очувствленным манипулятором, было положено в 1961 г., когда Эрнст приступил к разработке манипулятора МН-1^*. В последующие годы в Японии и США появилось огромное количество самых разнообразных моделей роботов с элементами искусственного интеллекта, однако основные принципы управления механической рукой с помощью компьютера не претерпели особых изменений.

^* (Массачусетский технологический институт (США).)

После появления робота следующим принципиально новым этапом в развитии управления манипуляторами стало использование силового очувствления механической рукой, или так называемого силового управления. Внедрение силового управления привело к качественному расширению области применения промышленных роботов.

Необходимость силового управления при работе с различного рода механическими манипуляторами была осознана давно. Так, дистанционно управляемые манипуляторы для обслуживания атомных реакторов с самого начала оснащались датчиками измерения приложенных усилий и работали в копирующем режиме. Одна из первых конструкций копирующих манипуляторов показана на рис. 1.7 (гл. 1). В этой конструкции ведущий и ведомый манипуляторы, разделенные защитным барьером, связаны между собой чисто механически, причем связь реализована таким образом, что усилие, приложенное со стороны ведущего манипулятора, с определенной степенью пропорциональности передается к ведомому манипулятору. Общим недостатком копирующих манипуляторов с прямой механической связью является ограниченность расстояния между ведущим и ведомым манипуляторами, а также невозможность управления с помощью ведущего манипулятора технологическими операциями, требующими большой мощности ведомого манипулятора. Поэтому в более поздних моделях копирующих манипуляторов механические передачи уступили место системам связи.

Дальнейшее развитие техники копирующих манипуляторов привело к зарождению идеи об организации силовой обратной связи, т. е. о передаче усилия как в прямом, так ив обратном (от ведомого манипулятора к ведущему) направлениях. В результате были разработаны двухсторонние сервосистемы, способные передавать приложенное усилие и в том, и в другом направлении.

Двухсторонние сервосистемы

На рис. 3.47 схематически изображена типичная сервосистема, которая обычно применяется для управления позицией одного звена в многозвенных манипуляторах. Среди таких сервосистем можно выделить три базовых типа сервосистем, которые при управлении движением звеньев способны осуществлять передачу усилий, т. е. так называемых двухсторонних сервосистем:

● симметричная двухсторонняя сервосистема;

● двухсторонняя сервосистема с обратной передачей усилия;

● силовые возвратные двухсторонние сервосистемы.

Рис. 3.47. Обычная позиционная сервосистема в сравнении с тремя базовыми типами двухсторонних сервосистем. а - обычная позиционная сервосистема; б - симметричная сервосистема с обратной передачей усилия; в - двухсторонняя сервосистема с обратной передачей усилия; г - силовая возвратная двухсторонняя сервосистема. 1 - ведущая ось; 2 - устройство измерения позиции (угла вращения); 3 - ведомая ось; 4 - регулятор позиции (угла вращения); 5 - устройство измерения крутящего момента; 6 - устройство передачи крутящего момента

Принцип работы симметричной двухсторонней сервосистемы иллюстрируется с помощью схемы, показанной на рис. 3.47, б. Согласно этой схеме, разность θ₁ - θ₂ между текущими значениями углов поворота ведущей оси θ₁ и ведомой оси θ₂ направляется на входы двух регуляторов углов вращения. Затем, так же как и в обычных сервосистемах управления приводами, со стороны ведомой оси вырабатывается крутящий момент, который стремится повернуть ведомую ось так, чтобы текущее значение угла поворота θ₂ стало равным заданному значению θ₁. В это же время со стороны ведущей оси, если величина θ₁ превышает θ₂, т. е. существует ненулевая разность углов поворота ведущей и ведомой осей, также вырабатывается крутящий момент с целью уравнять значения θ₁ и θ₂. Этот момент направлен навстречу вращению ведущей оси при повороте ее на угол θ₁, а его абсолютная величина пропорциональна разности θ₁ - θ₂.

В случае когда к ведомой оси симметричной двухсторонней сервосистемы приложен момент нагрузки T₂, со стороны сервосистемы управления вращением ведомой оси под действием этой нагрузки возникает рассогласование между θ₁ и θ₂, пропорциональное Т₂. В то же время сервосистема ведущей оси вырабатывает крутящий момент, направленный против вынужденного вращения ведомой оси и пропорциональный θ₁ - θ₂. Таким образом, всякий раз, когда к ведомой оси прикладывается нагрузка, к ведущей оси передается момент, пропорциональный усилию противодействия нагрузке.

Рассмотренная двухсторонняя сервосистема относится к классу гак называемых разностных сервосистем. Благодаря тому что разностный метод не требует применения специальных датчиков для измерения моментов, данная сервосистема является, по-видимому, самой простой из сервосистем трех перечисленных типов, а в некоторых случаях и самой эффективной. На рис. 3.48 в качестве примера практического использования двухсторонних симметричных сервосистем показана блок-схема электрогидравлической копирующей сервосистемы марки "Handyman" (General Electric Corp., USA)^*.

^* (Именно применение разностных сервосистем позволило профессору Токийского университета Иноуэ приступить к созданию первого манипулятора с управляемыми от компьютера электрическими приводами, предназначенного для автоматического выполнения нескольких технологических операций, требуемая точность которых превышает номинальную точность позиционирования захвата манипулятора.)

Рис. 3.48. Блок-схема злектрогидравлической копирующей сервосистемы

Однако симметричные сервосистемы не свободны от недостатков. В частности, точное определение отслеживаемой разности возможно лишь для легких манипуляторов с незначительными коэффициентами трения в шарнирах; в остальных случаях погрешность измерений разности θ₁ - θ₂ приводит к значительному снижению точности управления. Следовательно, такие системы не подходят для работающих при больших нагрузках мощных манипуляторов.

Рассмотрим теперь особенности двухсторонней сервосистемы второго типа. Принцип ее работы иллюстрируется с помощью рис. 3.47, в. Здесь сервосистема управления вращением ведомой оси практически не отличается от обычной сервосистемы управления положением звена манипулятора (рис, 3.47, а). Момент, приложенный к ведомой оси, непосредственно измеряется с помощью специальных датчиков, а измеренное значение передается обратно к ведущей сервосистеме.

Поскольку в пределах диапазона измерений точность датчиков моментов не зависит от приложенной нагрузки, сервосистемы с обратной передачей усилия сохраняют точность управления при любой нагрузке, в том числе и при управлении приводами манипулятора повышенной мощности, перемещающего тяжелые детали.

♦♦♦ Заметим, что перед началом работы датчики моментов измеряют собственный момент инерции ведомого звена, и измеренные значения сразу передаются к ведущей сервосистеме. В результате, если манипулятор обладает достаточно тяжелыми звеньями, то даже в отсутствие внешней нагрузки ведущая сервосистема должна затрачивать много времени на отработку сигналов, поступающих от датчиков моментов. Это является главным недостатком сервосистем с обратной передачей усилий^*.

^* (Разработанный при участии автора этой книги и описанный в предыдущих разделах данной главы многозвенный антропоморфный манипулятор тоже оборудован датчиками усилий, которые расположены в каждом из шарниров. Измеряемая информация о распределении усилий в шарнирах использовалась для организации взаимодействия двух таких манипуляторов при выполнении одной общей работы.)

Возвратная двухсторонняя сервосистема полностью лишена этого недостатка. Структура этой системы схематически показана на рис. 3.47, г. В данном случае измеряется разность моментов, приложенных к ведомой и ведущей осям, а усилие передается в направлении, в котором обеспечивается минимизация величины рассогласования моментов, т. е. не обязательно от ведомой оси к ведущей. Использование разности моментов вместо передачи одного момента от ведомой оси к ведущей приводит к тому, что при работе без нагрузки момент противодействия моменту сил, обусловленному собственным весом ведущего звена, не передается к ведущей оси и в отличие от системы с передачей усилия не отрабатывается ведущей сервосистемой.

Рассмотренная возвратная двухсторонняя сервосистема является, по-видимому, наиболее перспективной из всех трех типов систем, так как обладает наиболее широкими возможностями управления с учетом силовой и тактильной информации. Силовой возвратный принцип использовался д-ром Хорита, д-ром Оцука и д-ром Натору^* при разработке копирующего манипулятора с аналоговыми сервоприводами.

^* (Сотрудники Японского морского научно-технического центра.)