Режимы разгона и торможения составляют основу цикла любого робо­та, поэтому целесообразно на этапе торможения аккумулировать механи­ческую энергию в специальных устройствах, а на этапе разгона "выдавать" ее в систему, оставляя за двигателями лишь функции подкачки энергии для компенсации потерь на трение и совершение полезной работы. Эта идея лежит в основе перспективных двигательных систем робототехники, позво­ляющих одновременно повысить скорости движений рук и сэкономить энергию.

	м	Мдв
	Si
Я А		S3	<5 Яа
		Mjp

6 М А^ДВ Si Ч S3 Я2 Мтр А^дем S2

Рис. 2.4. Модели традиционного привода звена (о) и привода с рекуперацией механической энергии (в) и соответствующие им циклограммы (б, г)

Встраивание аккумуляторов механической энергии в двигательную сис­тему робота — одна из наиболее сложных проблем, обусловленная специ­фикой роботов как систем с большим числом степеней свободы и с изме­няемым циклом движений. В общем случае не удается использовать алго­ритмы расчета и построения механических аккумулирующих устройств. Однако в конструкциях цикловых роботов эти принципы уже реализованы

[16].

Рассмотрим принцип рекуперации энергии и сопоставим традиционную схему привода одной степени подвижности любого циклового робота со схемой, снабженной рекуператором энергии (рис. 2.4). Традиционная схема привода строится в соответствии с рис. 2.4, а. Двигатель 1 может быть любого типа (пневматический, гидравлический или электрический). Он кинематически связан со звеном 2, которое моделируется рычагом с массой т. Очевидно, что мощность двигателя 1 определяется, исходя из инерцион­ности звена 2 и требуемого быстродействия. В соответствии с функцио­нальным назначением системы она должна совершать возвратно-враща­тельные движения, периодически ускоряясь и замедляясь. При этом в ко­нечных положениях звена 2 всегда устанавливают регулируемые упоры 3, позволяющие получить требуемую величину хода, и демпфирующие устройства 4. Энергия, которую выдает системе двигатель 1 на большей части хода, рассеивается демпфирующими устройствами на относительно малом перемещении. Чем больше эта энергия и, соответственно, выше быстродействие, тем мощнее должны быть демпферы, больше ускорения и силы, действующие на элементы системы.

Циклограмма работы традиционной системы и ориентировочный гра­фик изменения моментов двигателя (Мдв), демпфера (Мдем) и трения {МТр) приведены на рис. 2.4, б. Анализ движений показал, что работа источника мощности (см. площадь 5|) равна сумме работ моментов демпфера и трения (площади S2 и 53 соответственно) в течение полного цикла движения (от угла -#i до угла +q2), т. е.

S] = 5г + 53.

Следовательно, при увеличении быстродействия и повышении Мдв тре­буемый момент Мдем возрастает значительно быстрее вследствие того, что он действует на существенно меньшем участке перемещения. При этом значительно возрастают ускорения, а следовательно, нагрузки на участке торможения. Следует подчеркнуть, что повышать быстродействие в тради­ционной схеме путем увеличения мощности двигателя можно лишь до опре­деленного, довольно низкого, предела. Существование этого предела обус­ловлено тем, что в качестве ограничений при выборе двигателя выступают его массогабаритные показатели и установленная мощность [10].

В более рациональной структуре привода (рис. 2.4, в), в отличие от традиционной, имеется аккумулятор механической энергии в виде упругого элемента 5 с жесткостью с, а вместо демпферов-упоров установлены управ­ляемые упоры-фиксаторы 6. При среднем положении подвижного звена 2 между опорами-фиксаторами пружина 5 находится в свободном состоянии и ее усилие cq = 0. В начальном положении система поджимается к упору — фиксатору усилием cqA, где qA — амплитуда перемещения звена 2.

По команде на выполнение движения магнит фиксатора убирает упор и звено 2 под действием усилия пружины начинает разгоняться за счет пере­хода потенциальной энергии упругого элемента в кинетическую энергию звена. После прохождения среднего положения (q = 0) звено 2 начинает тор­мозиться за счет обратного перехода его кинетической энергии в потен­циальную энергию пружины.

Очевидно, что если бы не было трения, то звено 2 обязательно достигло симметрично установленного второго фиксатора и его скорость в этом положении была бы равна нулю; наличие же трения в системе обуслав­ливает необходимость установки привода 1. В рассматриваемой схеме при­вод используется не для разгона инерционного звена (на что в традиционной схеме затрачивается основная мощность), а только для компенсации потерь на трение. Поэтому схему отличает существенно меньшая мощность привода, а быстродействие от нее не зависит. Оно определяется собственной частотой системы и может выбираться с учетом жесткости пружины 5 и массы звена 2. Система привод-упругий элемент конструк­тивно легко выделяется в отдельный блок, получивший название "ре­куператор".

При такой организации привода автоматически обеспечиваются важные характеристики, а именно плавность разгона и торможения, а также выход на упоры практически с нулевой скоростью, что устраняет необходимость в демпферах. Благодаря настройке системы путем регулирования момента двигателя его работа всегда равна работе сил трения; 5) = 53 (рис. 2.4, г). Важно, что в этой схеме S2 = 0, т. е. нет необходимости "сжигать" излиш­ки энергии в демпфере. Вопросы динамики цикловых систем с реку­перацией энергии подробно рассмотрены в гл. 9. Здесь отметим, что построение привода на принципах рекуперации энергии позволяет в -10 раз снизить потребляемую им мощность и в 2-3 раза увеличить быстродействие робота.