Представление звеньев скелета манипуляционной системы в ее модели абсолютно жесткими указывает лишь на то, что деформации звеньев, вызываемые передаваемыми нагрузками, пренебрежимо малы. В дей­ствительности и звенья скелета манипуляционной системы, и элементы кинематических передач обладают конечной жесткостью, которую при­ходится учитывать при решении задач выбора точности позиционирования и компенсации погрешностей положения рабочего органа, например методом коррекции программ. Обычно деформации звеньев определяются в основном внешней нагрузкой — неуправляемым фактором, а управляющие воздействия вызывают изменения относительных положений достаточно жестких звеньев манипуляционной системы.

Однако возможен и другой подход к построению манипуляционной системы и способу изменения ее конфигурации: звенья системы выполняют заведомо не жесткими, а упругими; управляющее воздействие определяет нагружение звена, преобладающее над всеми остальными видами нагрузок, передаваемых звеном, и соответственно его деформацию, за счет которой и меняется конфигурация манипуляционной системы. Таким образом, в этих системах все основано на управлении изменением конфигурации стати­ческого равновесия упругого звена. Поэтому характерная особенность систем с управляемой деформацией упругих звеньев заключается в том, что число степеней свободы одного упругого звена больше числа управляющих воздействий или числа принудительно изменяемых параметров. Во многих практически важных случаях упругие звенья представляют собой распре­деленные системы. Простейшие из них построены с использованием свойств трубки Бурдона [1].

Форма двух последовательно соединенных трубок Бурдона 7 и 2 (рис. 2.15) зависит от подаваемого в каждую из них давления. Изменение формы статического равновесия всей системы позволяет менять положение рабочего органа 3 в пределах некоторой области А. Здесь каждая из трубок Бурдона представляет собой упругое звено манипуляционной системы,

Рис. 2.15. Схема манипуляционной системы на основе трубки Бурдона

через изменяемые давления Рх и Р2 реализуются управляющие воздейст­вия, а деформации трубок, соответст­вующие положениям статического рав­новесия, определяют конфигурации манипуляционной системы. Область применения описанной манипуляцион­ной системы — автоматизация про­цессов производства элементов мик­роэлектронной техники, причем герме­тичность конструкции и точность ма­лых перемещений обеспечивают ей неоспоримые преимущества, перед другими конструкциями.

Другое усиленно развиваемое в на­стоящее время направление в области построения упругих звеньев манипуляционных систем этого класса связано с использованием цепочек твердых тел, последовательно соединенных друг с другом высшими или низшими кинематическими парами, охваченных механизмами натяжения с одним или несколькими упругими элементами и нагружения упругого звена в целом. Потенциальная функция механизма натяжения зависит от относительного положения твердых тел цепочки. Задавая нагрузку на звено через механизм натяжения, можно менять конфигурацию статического равновесия цепочки твердых тел образующих звено.

Кинематическая схема упругого звена манипуляционной системы, допускающая управляемый изгиб в любой плоскости, проходящей через ось звена в недеформированном состоянии, представлена на рис. 2.16 [21]. Звено состоит из набора дисков 7-77, контактирующих друг с другом сферическими поверхностями. В дисках звена имеются отверстия: четыре по периферии диска и одно вдоль оси. Через отверстия пропущены тросы, каждый из которых прикреплен к дальнему от основания диску 77. Центральный трос 72 натянут упругим элементам 13, образует с ним механизм натяжения и одновременно выполняет функцию механизма центрирования дисков 7-77. Периферийные тросы 14-17 (попарно 14 и 76, 15 и 17) связаны с управляемыми двигателями 18 и 19 и образуют вместе с ними механизм нагружения звена. Каждому набору положений двигателей 18 и 19 соответствует некоторая, вполне определенная при известных статических нагрузках, статическая деформация звена в целом (рис. 2.17). Она определяется двумя параметрами: углом 0, образуемым плоскостью Р изгиба звена с координатной плоскостью X0Z и углом наклона оси последнего диска ср, отсчитываемого от оси Z. Поэтому, несмотря на то что число степеней свободы упругого звена равно числу степеней свободы образующих его подвижных дисков, т. е. 10 х 2 = 20, условно можно считать число степеней подвижности упругого звена манипуляционной системы, равным двум.

V I

Рис. 2.16. Схема манипуляционной системы с управляемым изгибом звена

І і

N

Рис. 2.17. Расчетная схема элемента манипуляционной системы с управляемым изгибом звена

При последовательном наборе таких звеньев и вынесении всех приводов на основание (как в традиционных системах) при малой площади, требуемой для установки промышленного робота, обеспечивается большая рабочая зона. При общем числе степеней подвижности манипуляционной системы > 6 дополнительные возможности обхода препятствий обусловлены отсутствием ограничений на степени подвижности, характеризуемые углами поворота плоскостей изгиба звеньев. К этому следует добавить мягкое ("неразрушающее") взаимодействие упругих звеньев с элементами внешней среды. С учетом перечисленных достоинств ясны предпочтительные облас­ти применения таких манипуляционных систем: окраска, нанесение покры­тий, сварка и инспекционный контроль в труднодоступных местах конст­рукций.

Из сказанного следует, что для управления манипуляционными систе­мами рассматриваемого вида необходимы алгоритмы решения обратных задач, учитывающие изменения статических нагрузок на упругие звенья
системы при изменениях ее конфигурации [27]. Поиск таких алгоритмов тем более актуален, что программирование промышленных роботов не всегда можно осуществить "на натуре" методом обучения с использованием мнемонических рукояток.