Захватные устройства роботов

На протяжении всего изложения неоднократно подчеркивалось, что основное назначение роботов - заменить человека при выполнении различных технологических операций. На практике непосредственное участие в выполнении любых операций принимает не весь манипулятор, а только кистевая часть механической руки - запястье и захват. Искусственное зрение, механические ноги и собственно манипулятор - все вместе играют не более чем вспомогательную роль, доставляя захват в нужное место рабочей области. Следовательно, с точки зрения технологических возможностей промышленного робота наиболее важная роль принадлежит кистевому механизму. Несмотря на то что этот факт уже давно осознан специалистами, исследования и разработки совершенных конструкций захватов продвигаются очень медленно. Это объясняется многими факторами. Перечислим лишь некоторые из наиболее существенных:

● использование прецизионных механизмов в конструкциях захватов;

● выполнение операции взятия и удержания произвольных деталей в основном за счет самого захватного устройства без участия других частей робота и вспомогательных механизмов;

● трудность создания собственно захватного устройства сложной конструкции, связанная с разработкой соответствующих вспомогательных средств (манипулятора, системы управления, системы технического зрения и т. п.), которые смогли бы обеспечить эффективную реализацию всех возможностей, заложенных в сложной конструкции собственно захватного устройства (если такая будет разработана);

● миниатюризация приводов и вспомогательных элементов исполнительной системы захватного устройства;

● очувствление пальцев захвата.

Существующие трудности разработки захватов приводят к тому, что сейчас устройства взятия деталей являются одним из наиболее уязвимых мест в конструкциях промышленных роботов. Однако по мере совершенствования других элементов робототехнических систем - манипулятора, механических ног и технического зрения - внимание специалистов, по-видимому, будет все более и более концентрироваться вокруг проблем построения совершенных универсальных захватных устройств.

На основе изучения функций и возможностей кисти руки человека сформулируем требования, которым должно удовлетворять захватное устройство робота, а затем проиллюстрируем возможности и устройство современных захватов с помощью некоторых примеров реальных разработок последних лет.

Работа кисти руки человека при захвате предметов

По-видимому, из всех живых существ, не говоря уже о механизмах, наиболее искусным в выполнении операций взятия самых разнообразных предметов является человек. Причем с механической точки зрения эта искусность достигается за счет особой роли большого пальца, благодаря которому и обеспечивается уникальная функциональная гибкость кисти человеческой руки. Остальные четыре пальца - от указательного до мизинца - могут лишь изгибаться, охватывая со всех сторон удерживаемый предмет. Другими словами, роль этих пальцев сводится к сжатию предмета для обеспечения его надежного захвата и разжатию при отпускании. Все четыре пальца могут совершать в основном лишь один вид перемещений - удлинение-сокращение или сгиб-разгиб в суставах фаланг. Большой палец помимо удлинения-сокращения и сгибания может также поворачиваться во внутреннюю и внешнюю стороны ладони. Кроме того, он может наклоняться в сторону любого из четырех пальцев вплоть до соприкосновения с каждым из них, т. е. обладает способностью встречного движения. Такое встречное движение существенно повышает функциональные возможности любого захватного механизма.

Специалисты установили, что насчитывается 12 типовых способов захвата различных по форме предметов с помощью кисти человеческой руки Д-р Идо предложил выделить три основные группы захвата в зависимости от функций, выполняемых большим пальцем при каждом из типов захвата (рис. 3.83). Д-р Идо назвал эти группы способов соответственно "захват горстью", "захват щепоткой" и "захват клешней". Как следует из рис. 3.83, не все типы захвата можно определенно отнести к той или иной группе. Помимо способов с ярко выраженными групповыми признаками существуют так называемые промежуточные типы захвата, которые с равным успехом можно отнести к любой из двух смежных групп. Более того, захват щепоткой и захват клешней вполне можно рассматривать, как две разновидности одного способа захвата, при котором предмет удерживается с одной стороны большим пальцем, а с противоположной четырьмя остальными.

Рис. 3.83. Классификация типовых способов захвата предметов рукой человека

Захватное устройство с вращательным типом движения пальцев

Среди возможных конструкций механических захватов наиболее распространенным является захват, устройство которого показано на рис. 3.84. Захват или отпускание предмета с помощью этого механизма осуществляется путем вращения двух изогнутых пластин (пальцев) навстречу друг другу или друг от друга. Захватное устройство с вращательным движением пальцев, по-видимому, обладает наиболее простой конструкцией из всех практически пригодных захватов. Однако эта простота оборачивается трудностями при необходимости выполнить захват достаточно мелких или, напротив, крупногабаритных деталей. Особенно сложные проблемы возникают при работе с крупными деталями. Модифицированное захватное устройство вращательного типа, схема которого показана на рис. 3.85, справляется с операциями манипулирования крупными деталями относительно легко.

Рис. 3.84. Захватное устройство с вращательным типом движения пальцев

Рис. 3.85. Захватное устройство с поворотным типом движения пальцев, предназначенное для работы с относительно крупными объектами (фирма Jasukawa Denki). 1 - направление смещения при захвате - отпускании предмета; 2 - корпус для крепления пальцев; 3 - стержень, соединяющий пальцы захвата приводом; 4 - звено; 5 - ось вращения звена; 6 - рычаг пальца; 7 - 'когти'; 8 - захватываемый предмет

Захватное устройство с плоскопараллельным кинематическим механизмом

Захват с плоскопараллельной кинематикой также получил довольно широкое распространение. В частности, первый в мире управляемый от ЭВМ промышленный робот, разработанный Г. А. Эрнстом в Массачусетском технологическом институте (США), был оснащен захватным устройством именно плоскопараллельного типа (рис. 5.2). Главным достоинством захватных устройств данного типа является чрезвычайно простой способ выполнения захвата любых предметов независимо от их размеров. Практическая независимость от размеров достигается благодаря плоскопараллельной кинематике механизма сжатия-разжатия губок захвата, который обеспечивает сохранение параллельности губок независимо от величины их относительного смещения. Кроме того, плоскопараллельный механизм обладает относительно высоким коэффициентом передачи усилия захвата от приводов к удерживаемому объекту. Наиболее существенный недостаток этого устройства заключается в том, что центр сжатия (точка захвата) меняет свое положение в зависимости от расстояния между губками захвата. В самом деле, поворот L-образного звена вокруг точки а, за счет которого и происходит сжатие-разжатие захвата, неминуемо приводит к некоторому отклонению пальцев (рис. 3.86). Следовательно, при выполнении операций установки цилиндрических деталей в патрон токарного станка или снятия или координаты точки позиционирования захвата будут зависеть не только от координат патрона, но и от размера детали. Для ряда применений этот недостаток может оказаться настолько серьезным, что от использования такого захвата придется отказаться.

Рис. 3.86. Захватное устройство с плоскопараллельным кинематическим механизмом. L-образное звено. Звенья а, b, с, d образуют параллелограмм

Захватное устройство с параллельным кинематическим механизмом скользящего типа

В отличие от рассмотренного выше захвата с плоскопараллельной кинематикой в данном захватном устройстве параллельные губки перемещаются навстречу друг другу с помощью скользящего механизма. В результате при сжатии-разжатии захватного устройства обе губки сохраняют свое положение по горизонтали, и, следовательно, координаты центра захвата в этом случае не зависят от размеров детали. Главным недостатком захватного устройства со скользящими губками является сравнительно высокий коэффициент трения скользящих элементов вследствие неустранимых погрешностей при изготовлении и сборке скользящего механизма. В частности, этот коэффициент во много раз превышает соответствующие коэффициенты трения для плоскопараллельного и вращательного механизмов. Устройство захвата скользящего типа схематически показано на рис. 3.87.

Рис. 3.87. Захватное устройство с плоскопараллельным кинематическим механизмом скользящего типа (фирма Tokiko). 1 - зубчатая рейка (кремальера); 2 - потенциометр; 3 - редуктор; 4 - редуктор (используется для уменьшения скорости вращения захвата); 5 - электромотор (используется для управления открытием-закрытием захвата); 6 - шестеренка; 7 - губка захвата; 8 - направляющая пластина; 9 - ведущее зубчатое колесо

Трехпалый захват

Существует широко распространенное мнение специалистов, что трех пальцев вполне достаточно для захвата и надежного удержания предмета любой формы. Не пытаясь оспаривать категоричность этого утверждения, можно смело утверждать, что по сравнению с любым двухпалым захватом простой захват с тремя пальцами, показанный на рис. 3.88, имеет лучшие характеристики по надежности удержания вытянутых и цилиндрических деталей. Однако если потребовать, чтобы в показанной на этом рисунке конструкции каждый из пальцев управлялся независимо от других с помощью собственного привода, то полученное в результате устройство может оказаться слишком сложным, чтобы быть практически полезным. В этом и заключается один из наиболее серьезных потенциальных недостатков многопалых захватов.

Рис. 3.88. Простейший трехпалый захват

Еще одним примером трехпалого захвата может служить концентрическое устройство, предназначенное для захвата шарообразных предметов различного диаметра, а также ряда других деталей переменных размеров (рис. 3.89). Концентрический механизм захвата удерживает шарообразный предмет сразу в четырех точках. Таким образом, он сочетает в себе особенности и вращательного, и скользящего захватных устройств, обеспечивая значительно большую надежность удержания, чем любое из этих устройств при одинаковых значениях усилия захвата. Концентрический захват обладает еще одним достоинством - центр захвата не смещается из исходного положения при раскрытии-сжатии пальцев. Это достигается за счет взаимодействия вращательных и скользящих элементов, т. е. при вращении L-образного звена происходит сжатие предмета и смещение центра захвата; само L-образное звено скользит по направляющей в сторону, противоположную смещению. Следовательно, в каждый момент времени координаты точки центра захвата остаются неизменными.

Рис. 3.89. Концентрический трехпалый захват. 1 - механизм крепления пальцев; 2 - шарик; 3 - L-образная скоба

Еще один трехпалый захват показан на рис. 3.90. Он разработан в Электротехническом научно-исследовательском центре по проекту Окада. Его отличительная черта - имитация фаланг пальцев с помощью многозвенных кинематических механизмов. Таким образом достигается полное воспроизведение двигательных возможностей пальцев человека. Роль сухожилий, соединяющих соседние фаланги, выполняет простая проволока, которая проходит через все звенья одного пальца и заставляет их поворачиваться в суставах относительно друг друга. Величина поворота пропорциональна натяжению проволоки. Поскольку натяжением проволоки каждого из пальцев управляет отдельный независимый привод, захват обладает огромной функциональной гибкостью. Тем не менее данная конструкция захватного устройства не позволяет развивать достаточно большие усилия захвата.

Рис. 3.90. Трехпалый захватный механизм с многосуставными пальцами (все фаланги одного пальца приводятся в действие с помощью системы тросов). 1 - свободное пространство; 2 - корпус цилиндра; 3 - оплетка троса; 4 - приводной трос

Захват с пятью пальцами

На рис. 3.91 показан общий вид пятипалого захватного устройства, разработанного по проекту Накано. Все пальцы этого антропоморфного захвата управляются своим независимым приводом.

Рис. 3.91. Рука человека (а) и пятипалый захват (б)

Конечно, функциональные возможности протеза, в том числе и сила захвата предмета, имеют первостепенное значение. Однако для обладателя протеза не менее (а на практике куда как более) важно, чтобы его протез имел максимальное внешнее сходство с рукой здорового человека. В самом деле, человек будет чувствовать себя чрезвычайно неестественно, если он будет вынужден держать на коленях безжизненную искусственную руку с постоянно сжатыми в кулак пальцами. Поэтому понятно стремление механиков и протезистов создавать искусственные руки, приближенные к руке человека и функционально, и внешне. Представленный на рис. 3.91 антропоморфный захват обладает возможностью перемещать пальцы навстречу друг другу, а также сгибать и распрямлять ладошку. По-видимому, есть основания надеяться, что такая совершенная конструкция захвата поможет смягчить негативные ощущения обладателя протеза. Как бы то ни было, он сможет легко протягивать эту руку, брать нужный предмет, сжав пальцы, и опускать его, раскрыв пальцы.

Для перемещения какого-либо из пальцев навстречу большому и сгибанию-разгибанию ладони, очевидно, необходимы по крайней мере два привода. Однако в данной конструкции пятипалого захвата эти два независимых типа движений реализуются с помощью одного и того же электромотора. Устройство механизма, с помощью которого осуществляется управление двумя степенями подвижности от одного двигателя, показано на рис. 3.92, а основные принципы работы этого механизма иллюстрируются с помощью рис. 3.93. Как следует из рис. 3.93, электромотор 1 непосредственно приводит в движение ось 3, а также диски 4 и 8, К каждому из дисков прикреплены стопоры - 5 и 9 соответственно. Стопоры размещены таким образом, что при вращении дисков, например, в обратную сторону относительно некоторой начальной точки, звено А 10 не затрагивается, а звено В 6 приходит в движение. При этом с помощью проволочной связи 7 большой палец начинает наклоняться навстречу четырем остальным. Теперь, если диск вращается в положительном направлении относительно той же точки отсчета, то звено В 6 остается в покое, а звено А 10 начинает вращаться. Это вращение посредством последовательности зубчатых колес 12-17 передается звену 18, которое также приходит в движение. В результате по окончании поворота диска ладонь раскрывается и остается в этом нейтральном состоянии. Таким образом, вращая диск в положительном направлении, можно добиться, чтобы рука раскрылась, а вращая его в противоположном относительно начальной точки направлении, заставить пальцы руки сжаться в кулак.

Рис. 3.92. Механизм управления двумя степенями подвижности от одного электропривода

Рис. 3.93. Принцип работы механизма управления двумя степенями подвижности от одного электромотора. М - электромотор

В рассматриваемом пятипалом захвате все пальцы, за исключением большого, реализованы в виде адаптивного кинематического механизма и управляются каждый от своего независимого привода (рис. 3.94), В результате захватное устройство может изменять расположение пальцев (конфигурацию захвата) в зависимости от формы объекта, подлежащего взятию. Такая обладающая адаптивностью к форме деталей конструкция пальцев захватного устройства впервые появилась во всемирно известных протезах "Белградская рука". Каждый палец "Белградской руки" может изменять величину наклона и сгиба фаланг в зависимости от формы захватываемого предмета с учетом расположения остальных пальцев.

Рис. 3.94. Устройство механизма адаптивных пальцев

Другая интересная конструкция адаптивных пальцев была предложена Идо.

Адаптивная конструкция пальцев

Устройство механизма адаптивных пальцев "Белградской руки" показано на рис. 3.95. Как следует из рисунка, к поверхности ладони а с помощью суставов b, с, d (более строго, суставы о и d называются соответственно основной и вторичный) последовательно присоединяются первая 1, вторая 2 и третья 3 фаланги пальца. Кроме того, к суставу с второй фаланги жестко прикрепляется выступающее звено е, которое шарнирно связано с звеном f; звено f в свою очередь присоединяется к поверхности ладони а. Аналогично к выступающей части третьей фаланги (сустав d) в точке g шарнирно крепится подвижный двухзвенник, состоящий из звеньев h и i и соединяющий третью фалангу с первой. Выступ фаланги 1 в точке j соединяется с исполнительным механизмом, который приводит всю конструкцию в движение. Поскольку движение всего многозвенного механизма пальца зависит только от вращения соединенной G приводом фаланги 1, алгоритмы управления работой адаптивного пальца оказываются достаточно простыми.

Рис. 3.95. Адаптивное захватное устройство 'Белградская рука'

За счет изменения углов в суставах многозвенного механизма адаптивный палец может принимать различную форму (профиль), наилучшим образом отвечающую требованиям выполняемой в каждом конкретном случае работы. Однако установленная перед началом работы оптимальная конфигурация уже не может быть изменена автоматически в процессе выполнения заданных операций, Поэтому, если в рабочей области захвата встречаются объекты, препятствующие продвижению руки в данной конфигурации, робот оказывается не в состоянии справиться с заданием. Например, если при попытке захватить лежащий на столе предмет кончик фаланги 3 упрется в поверхность стола, не достигнув заданного объекта, то все остальные звенья механизма также не смогут продолжать движение. Следовательно, если при выполнении операции захвата с помощью "Белградской руки" обнаружилось, что кончик третьей фаланги чуть-чуть задевает за поверхность стола, сразу же необходимо формировать сигналы управления, приводящие в движение запястье, а может быть, и весь манипулятор. Человек справляется с подобной ситуацией без особых затруднений. Что же касается механических систем, то необходимость участия в выполнении операций захвата деталей всех звеньев манипулятора приводит к резкому усложнению управляющих алгоритмов и порождает целый ряд других трудноразрешимых проблем.

Избежать этих проблем удалось авторам другой известной конструкции адаптивного захвата, который называется "Mechanical Arm". Если в процессе выполнения операции взятия детали со стола пальцы этого захвата преждевременно коснулись поверхности стола, то в отличие от предыдущего случая работа не прерывается, а пальцы, естественным образом скользя по поверхности, продолжают движение в сторону заданного объекта. Отметим, что высокая адаптивность захвата "Mechanical Arm" к внешним условиям достигается без существенного по сравнению с "Белградской рукой" усложнения системы управления роботом. Пальцы этого захвата могут в процессе выполнения работы изменять свою конфигурацию в соответствии с формой объекта, подлежащего захвату. В результате адаптивность захвата "Mechanical Arm" позволяет не только избегать препятствий в рабочей области захвата, но и значительно повысить надежность удержания захваченного объекта в руке робота.

Устройство механической части разработанного доктором Идо адаптивного захвата "Mechanical Arm" представлено на рис. 3.96, а. При столкновении с препятствием, например о плоскостью стола, подвижный многозвенник, включающий в себя звено А, изменяет свою конфигурацию (рис. 3.96, б и в) и захват продолжает движение по направлению к целевому объекту. Таким образом, многофункциональность и адаптивность захвата "Mechanical Arm" достигаются за счет особой роли подвижного звена А.

Рис. 3.96. Адаптивное захватное устройство. Стрелками показано направление передачи усилия от привода, управляющего сгибанием' разгибанием пальцев