В настоящее время используется множество различных ти­пов тормозов и муфт [11, 16]. Муфты или тормоза, установленные в роботе, должны работать в соответствии с электрическими или иными сигналами, поступающими от системы управления.

По-видимому, в дальнейшем будут в основном использоваться электрические виды этих устройств. Иногда могут быть применены устройства, в которых механическое движение создается за счет электромагнитных сил; в других случаях предпочтение отдается устройствам, разработанным в последнее время. Устройства од­ного из видов содержат магнитный порошок (или жидкость), который загустевает под действием электромагнитного поля. К другому виду устройств относится хорошо известный индукцион­ный тормоз. Однако такие устройства наиболее нежелательны, поскольку они, в принципе, не способны работать при подходе к нулевой скорости. С этой точки зрения предпочтение, по-ви­димому, следует отдать гистерезисному типу устройств.

При построении промышленных роботов желательно приме­нять метод принудительного возбуждения и торможения и, сле­довательно, осуществлять торможение приложением реверсивной силы. Однако иногда это невозможно будет осуществить из-за ограниченности пространства, отводимого под оборудование, и его массы. В таких случаях на роботах должны устанавливаться муфты и тормоза.

При необходимости исключить использование динамического управления скоростью можно применить простой облегченный вариант механического регулятора или устройства с постоянными магнитами, работающие на принципе возникновения вихревых токов. При современных магнитных материалах такое устройство не должно быть особенно тяжелым.

В муфтах и тормозах всегда неизбежно рассеивается энергия в виде теплоты. Это явление особенно нежелательно в подвижном роботе, поскольку рассеиваемая энергия потребляется от основ­ного источника энергии, который переносится самим роботом. Поэтому любое рассеивание энергии в виде теплоты в конечном счете приводит к увеличению массы и габаритов подвижного робота, а также к уменьшению коэффициента полезного действия. Там, где это возможно, лучше использовать переключающие или регенеративные методы управления по скорости.

При работе тормозов и муфт выделяющаяся в них теплота должна быть каким-то образом отведена. Теоретически возможно использовать ее для регенерации электроэнергии, но на практике это нереально. Для робота, работающего в воздушной среде с не очень высокими температурами, можно сконструировать магнитную систему с простым естественным охлаждением за счет потока воздуха, текущего за трущимися поверхностями и через катушку. Однако такое решение неприемлемо для ро­ботов, предназначенных для роботы в иных средах.

Магнитная порошковая муфта пригодна для использования при очень больших усилиях, но не лишена недостатков: во-первых, порошок — это абразив; во-вторых, он неравномерно распределен. Магнитная жидкостная муфта пригодна для использования на мощностях до 300 Вт и дает коэффициент усиления мощности до 200. При этом обеспечиваются не только охлаждение и смазка муфты за счет жидкости, но и плавность включения. Однако и здесь возникает трудность, связанная с утечками, которые весьма нежелательны в домашнем роботе.

Там, где это возможно, все же лучше избегать использования муфт и тормозов в подвижных роботах.

5.2. ‘ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ПРИВОД [20, 21, 23, 26]

-.7*31

Малая жесткость обычных пневматических устройств при использовании их с системой управления разомкнутого типа мо­жет приводить к ряду трудностей. Нелегко, например, произ­вести небольшие корректировки, необходимые при перераспреде­лении нагрузки. Система управления замкнутого типа может улуч­шить управление и увеличить жесткость системы, хотя и здесь остаются трудности, связанные с обычно используемым низким давлением газа и возможной неустойчивостью замкнутой системы управления.

Двуокись углерода, поставляемая в очень легких пластмас­совых или матерчатых контейнерах, вероятно, лучше всего под­ходит в качестве рабочего газа. Используемый редукционный клапан понижает давление двуокиси углерода с 5250 до 600 кПа. Если изобразить на графике зависимость давления от объема для изотермических условий, то получится кривая, представлен­ная на рис. 5.1.

Pmin

Рис. 5.1. Зависимость давления от объема для пневматического привода

Площадь под этой кривой представляет собой работу, которая теоретически может быть получена от фиксирован­ной массы газа. Однако, если давление не может превысить уровень штриховой линии, то вся работа, представленная пло­щадью над этой линией, теря­ется. Кроме того, максималь­ный объем тоже ограничен, поэтому вся работа, представ­ленная справа от вертикальной штриховой линии, тоже теря­ется. Очень низкие давления использоваться не могут, так же как и очень малые объемы, при которых трудно осущест­вить сжатие газа. Исходя из этого используется только цен­тральная площадь, и фактиче­ски она представляет всего лишь около 24% имеющейся в наличии энергии. При умень­шенной нагрузке, кроме того, падает коэффициент полезного действия, поскольку потребле­ние остается таким же, как и при полной нагрузке. Можно нес­колько улучшить положение использованием в пневматических системах более сложных дифференциальных приводов.

В поршневой системе трение поршня в цилиндре приводит к некоторому различию значений давлений, требуемых для движе­ния поршня в противоположных направлениях. Это различие почти не зависит от нагрузки, однако при больших нагрузках возможны некоторые отклонения, возникающие, по-видимому, из-за деформации поршневых колец, которые обычно изготавли­ваются из резины. Кроме того, по мере работы привода трение возрастает, достигая в конце концов установившегося значения. В этих системах используются смазки на базе двусернистого мо­либдена.

Экспериментальные результаты, полученные при работе с та­кими пневматическими устройствами, показывают, что обычно при давлении 500 кПа достижимо значение работы порядка 20 Дж на 1 г используемой двуокиси углерода. Было высказано нредно — 82
ложение, что лучшие результаты можно получить при более вы­соких давлениях порядка 1500 кПа.

В пневматических устройствах возникает задача ограничения движения поршневого исполнительного механизма из одного крайнего положения в другое. Для этих целей можно использовать пружину, но более целесообразно применять один поршень с двойным оконечным цилиндром и двухдорожечные уплотнения или два противостоящих поршня, каждый в своем собственном цилиндре. Очень удобен способ, при котором два поршня соеди­няются при помощи троса, в два витка намотанного на барабан, с которого снимается выходное движение. Этот способ позволяет избежать колебаний выходного момента, возникающих при дви­жении рычажных исполнительных механизмов. Кроме того, по­скольку трос непосредственно соединяется с поршнем, отсутст­вует дополнительное трение тяги.

В недавно разработанном варианте пневматического привода для уменьшения трения и утечек между поршнем и стенкой ци­линдра применен принцип вращающегося уплотнения. Поршень в этом случае очень свободно установлен в цилиндре, а просачи­ванию газа через зазор препятствует эластичное неопреновое уплотнение, загнутое таким образом, что оно может раскручи­ваться. Фактически получается так, что, когда газ входит в ци­линдр, он раздувает неопреновый шар, который заполняет про­странство между поршнем и цилиндром и таким образом двигает поршень вдоль цилиндра. Благодаря свободной посадке поршня и уплотнению из гибкой загнутой мембраны уменьшается трение, в то время как протечки за поршень исключаются. Поршневые кольца становятся ненужными, точно так же, как и смазка. Протечки могут возникнуть только вдоль приводного штока, но даже это возможно лишь на одной стороне цилиндра двойного действия и вовсе отсутствует у цилиндра одиночного действия с обратным ходом под действием пружины. Привод работает при давлениях до 900 кПа и в температурном диапазоне от —40 до +225° С. То, что здесь отсутствует смазка, очень заманчиво для применения этого устройства в роботах. Ясно, что принцип вращающейся мембраны можно приспособить для использования с другими газами или жидкостями.

При анализе пневматических систем, например для проте­зов, обычно принято делать различные упрощающие допущения относительно вязкого трения, полной адиабатичности процесса, идеальности газа и полного отсутствия утечек [23]. Стабилизация пневматических протезных устройств за счет механической об­ратной связи от сигнализирующих клапанов была рассмотрена Лордом и Читти [31 ].

Опыт разработки протезов. Мышца Маккибена — весьма остроумное пневматическое устройство, которое имеет вид рези­новой трубки, покрытой крест-накрест нейлоновой оплеткой.

Когда трубка наполняется газом, действие оплетки заставляет

мышцу сокращаться; при этом она оказывается укороченной на 1/3. С этой мышцей, однако, связан ряд трудностей. Например, при ее работе возникает некоторое подергивание. Кроме того, она развивает малую мощность, которая к тому же уменьшается по мере сокращения. Тем не менее вполне возможно, что усовер­шенствованные варианты этого устройства с применением более ячеистой структуры будут применяться в роботах. Следует за­метить, что, несмотря на использование пневматического привода, может возникнуть необходимость в электроснабжении системы управления. В настоящее время, правда, благодаря новейшим достижениям в создании пневматических логических устройств возможно построение полностью пневматических систем управ­ления.

Вообще, как указал Дональд [39], преимущества пневмати­ческих устройств заключаются в большом отношении мощности к массе, малогабаритности управляющих клапанов и возможности получения больших мощностей. По сравнению с пневматическими устройствами электрические устройства имеют следующие недо­статки: малое отношение мощности к массе, шумная работа за счет зубчатой передачи, большая масса двигателя и необходи­мость в редукторе.

Относительными недостатками пневматического привода явля­ется уже отмеченная выше необходимость в двух отдельных ис­точниках энергии — электрическом и пневматическом — и, для некоторых случаев применения, сжимаемость газа.

В некоторых протезах полезным способом предотвращения колебательной реакции оказалось использование обратной связи по неустановившемуся давлению [15].

Широкое распространение в последнее время различных видов аэрозольных распылителей, работающих на газе фреон-12, хра­нящемся в разовом контейнере, может привести к его использо­ванию в качестве источника энергии для исполнительных меха­низмов будущих роботов.

Одна из трудностей использования сжиженного газа состоит в том, что энергия, требующаяся для испарения, отбирается главным образом от жидкости, что может привести к ее замерза­нию, если среднее значение этой отбираемой энергии станет слиш­ком высоким.

Интересно отметить, что удельная энергия бутана чрезвы­чайно велика и составляет около 14 500 Вт-ч/кг по сравнению с менее чем 500 Вт-ч/кг у лучших электрических средств хранения энергии.

Основное препятствие широкому внедрению этого газа в качестве источника энергии — трудности, связанные с превра­щением его в удобный для использования вид. Дальнейшая ра­бота, возможно, снимет это препятствие, хотя сейчас трудно рассчитывать на использование бутана в космосе. Дело еще более далекого будущего — использование ядерной энергии.

Для управления протезными устройствами применяются пнев­матические клапаны различных видов, например клапан Кис- слинга и клапан Хендона. Последний из упомянутых клапанов не только весьма легок, но и имеет хорошую линейность зависи­мости скорости потока от перемещения [19].

Были обнаружены преимущества передачи пневматической энергии по нейлоновым трубкам с внешним диаметром 3 мм и внутренним — 2 мм и с давлением на разрыв 12 мПа; радиус перегибов должен быть не менее 6 см [20].

Исследование пневматического привода в Астоне. Типичным примером исследования управления конечностью является ра­бота, проведенная в Астоне Дональдом [39]. Были исследованы следующие вопросы:

1) экономия энергии;

2) применимость энергии на выходе;

3) минимизация стоимости и массы;

4) точность.

Поскольку рассматриваемые вопросы^’до некоторой степени противоречивы, была сделана попытка достижения оптимума путем согласования их между собой.

С точки зрения управления любое устройство, приводящееся в движение сжимаемым газом и имеющее поворотные соединения, неизбежно нелинейно в работе из-за сжимаемости газа, насыщения и существования мертвых зон и гистерезисов в механической си­стеме. Дональд использовал описательно-функциональный под­ход к проектированию и включил в систему силовую обратную связь с выхода, применив тензодатчики.

Широтно-импульсная модуляция сигнала, поступающего на управляющий соленоид, оказалась лучшим методом управления, в то время как методы амплитудно-импульсной модуляции и частотно-импульсной модуляции не использовались главным образом из-за ограниченной величины имеющегося напряжения питания. Частота следования импульсов составляла 10 имп/с.

Полная схема системы замкнутого силового управления при­ведена на рис. 5.2. Эталонный сигнал от —5 мВ (через 0) до — j-5 мВ подается на вход первого суммирующего усилителя для сравнения с напряжением от тензометрической мостовой схемы. Выход усилителя, имеющего коэффициент усиления около 700, непосредственно используется для управления одним из широтно­импульсных модуляторов. Выход этого усилителя подключен также к инвертирующему усилителю и через него — к управля­ющему входу второго широтно-импульсного модулятора. Каждый модулятор управляет одним из соленоидных клапанов, пропуская сжатый воздух к поршню для выполнения рабочего хода и вы­пуская его при обратном ходе.

Пневматическое управление осуществляется двухступенча­тыми клапанами Кисслинга. Эти клапаны можно собирать в па­кеты, поскольку они имеют прямоугольную форму. В процессе

работы золотник передвигается на 0,6 мм в каждом направлении за счет тягового усилия, обеспечиваемого соленоидом. Диаметр основного пневматического цилиндра 11 мм. В нем обычное рабо­чее давление 600 кПа поддерживается при помощи редукционного клапана, подключенного к баллонам с жидким газом, храня­щимся под давлением 7000 кПа.

В лабораторных экспериментах с таким оборудованием исполь­зуется сжатый воздух из-за его низкой стоимости. В дальнейшей работе, возможно, будет использоваться дифференциальный ва-, риант исполнительного механизма, что сократит расход газа и уменьшит нежелательные эффекты от сжимаемости газа и темпе­ратурных изменений.

Рис. 5.2. Схема управления конечностью, разработанная в Астоне Дональдом

Для того чтобы избежать «залипання» клапана, в устройстве осуществляется импульсная подача газа за счет быстрого электри­ческого открывания и закрывания управляющего клапана ос­новного цилиндра. Конструкция пальцев аналогична конструк­ции пальцев руки Ракича: движение кончика пальца осуществля­ется в угле 250°, что аналогично движению пальца руки человека.

В средней и оконечных частях пальца установлены датчики усилий, механически защищенные от случайных ударов и па­дений. В шарнирах понадобилось ввести некоторую податливость, чтобы получить достаточно хорошую посадку и уменьшить мерт­вый ход, не вводя чрезмерного статического трения. В устройстве использовались тензодатчики пленочного типа.

Трудности, возникающие при создании пневматических ко­нечностей такого типа, связаны с нелинейностями системы. На­пример, должен быть преодолен мертвый ход, достигающий 15%; имеются также гистерезис и задержка в работе соленоидного кла­пана; электрический гистерезис может возникнуть в цепях моду-: лятора; статическое трение и дефекты обработки в исполнитель­ном цилиндре препятствуют плавной работе, несмотря на пуль­сирующее возбуждение.

В результате испытаний было предложено сустав между средней и оконечной секциями пальца заменить постоянным изгибом в 20°. Потери функции пальца при этом невелики, но значительно упрощается цифровое устройство, а также уменьшаются трение и мертвый ход. Кроме того, указанное упрощение облегчает уста — 4 новку тензодатчиков.

Проделанная в Астоне работа лишь закладывает фундамент будущих исследований, а для создания экономичных и надежных конечностей и их приводов предстоит еще много потрудиться.

Вариант пневматического клапана для протезов описали Кул и Пистецкий [281. В нем используется расширение горячего про­водника, нагретого электрическим током. Клапан очень мал (З х 0,3 см) и легок (1,5 г). Между срабатываниями был получен временной шаг от 30 до 150 см, причем часть этого времени тре­бовалась для уменьшения начального напряжения в проводнике. Поток газа пропорционален силе тока в интервале между 75 и 100 мА, а требуемая управляющая мощность не превышает 0,2 Вт. Этот клапан использовался при управлении протезами кисти и локтя.