От выбора структуры скелета руки зависит разнообразие возможных движений робота. Однако остается неясным, чем измерять это разнообра­зие и какие соображения положить в основу выбора.

Для произвольного манипулирования объектом в пространстве доста­точно шести степеней подвижности механизма. Поэтому скелет руки строится, как правило, из цепочки в 6 звеньев, последовательно соединен­ных друг с другом посредством шарниров. Последнее от основания звено несет захватное устройство — седьмую степень подвижности. Принято разде­лять движения робота на глобальные, региональные и локальные. Глобаль­ные движения — это перемещения на расстояния, превышающие размеры самого робота. Региональные движения — это перемещение захвата робота в различные зоны рабочего пространства, определяемого размерами звеньев скелета руки. К локальным относят перемещения захвата, соизме­римые с его размерами, в частности ориентацию в малой зоне рабочего пространства, небольшие установочные перемещения и т. д.

Понятие о локальных и региональных движениях позволяет расчленить скелет руки робота на два кинематических участка, несущих различную функциональную нагрузку: кисть с захватом и собственно руку. Кинематика

а

кисти определяет ориентирующие возможности робота, кинематика руки — конфигурацию и размеры рабочего пространства робота.

Возможные структурные кинематические схемы собственно руки приведены на рис. 2.2, а. Они образованы сочетаниями трех пар пятого класса (вращательных В и поступательных П) и обеспечивают региональ­ные перемещения конечной точки разомкнутой цепи (эта точка является базовой для присоединения кисти с захватом) в пределах некоторого рабочего пространства, очертания которого показаны тонкими линиями. Для каждого сочетания представлено несколько реализуемых схем, разли­чающихся взаимным расположением осей кинематических пар, а именно разворотом каких-либо из пар на 90°. Указаны названия моделей роботов, реализующих ту или иную структуру. Анализ приведенных структур по­зволил выявить условия взаимного расположения пар, обеспечивающие объемные движения конечной точки цепи, влияние соотношений длин звеньев и ограничений в шарнирах на конфигурацию рабочего простран­ства, наличие двузначности, позволяющей заносить схват в теневую сторону препятствий (на рис. 2.2, а такие структуры отмечены звездочкой) и т. д.

Следует подчеркнуть, что не всякая структура разомкнутой цепи, со­держащая три (или более) кинематические пары пятого класса, обеспе­чивает объемное движение конечной точки. Такое движение осущест­вляется механизмом, структурная схема которого удовлетворяет хотя бы одному из следующих условий:

1) имеются две вращательные пары, оси которых непараллельны;

2) имеются две вращательные пары с параллельными осями и поступа­тельная пара, ось которой не перпендикулярна к осям вращательных пар;

3) имеются две поступательные пары с непараллельными осями и вра­щательная пара, ось которой перпендикулярна к плоскости, образованной направлениями осей поступательных пар, или поступательная пара, ось которой не параллельна той же плоскости.

Исключение составляет механизм, имеющий только вращательные пары, оси которых пересекаются в одной точке. Невыполнение указанных условий исключает объемное движение и приводит к движению по поверхности. Такие структуры не могут быть использованы для реализации региональных движений руки робота.

Анализ приведенных схем показал, что количество возможных вариан­тов уменьшается с уменьшением числа вращательных пар. Максимальное число вариантов (4) дают схемы ВВВ и ВПВ. Схема ППП возможна только в одном варианте.

Каждый вариант кинематической структуры, представленный на рис. 2.2, а, проиллюстрирован конфигурацией рабочего пространства, об­служиваемого роботом. В пределах этого пространства рука робота может вывести кисть в любую точку. Очевидно, при изменении соотношений меж­ду размерами звеньев и углов между осями кинематических пар размеры и конфигурация рабочего пространства меняются [24]. При конструктивном оформлении механизма руки возникают ограничения угловых и линейных

Рис. 2.2. Кинематические структуры построения собственно руки (а) и кисти (б) перемещений в парах, вследствие чего в расчетных рабочих объемах образуются запретные зоны, в которые не может быть выведена кисть робота. Заметим, что параметры, влияющие на объем и конфигурацию ра­бочего пространства, следует устанавливать, исходя из особенностей согла­сования робота с конкретным технологическим оборудованием. Одно из решений — создание агрегатных конструкций роботов.

На начальном этапе развития робототехники наибольшее распростра­нение получили структуры рук роботов типа Versatan и Unimate, выделен­ные на рис. 2.2, а утолщенной линией. В общем числе известных моделей доли этих структур составляли 70 и 10% соответственно. Схемы этих струк­тур двузначностью не обладают. При их создании наибольшее значение придавалось жесткости конструкции. Однако в последнее время чаще стали использовать схему ВВВ (на рис. 2.2, а выделена утолщенной рамкой). Такая схема наряду с двузначностью имеет преимущества конструктивного характера, связанные с отсутствием поступательных пар, практическая реализация которых затруднена. Кроме того, отсутствие таких пар в конструкции позволяет существенно экономить производственные площади, а это немаловажное обстоятельство.

Ориентирующие движения робота во многом определяются структурой кисти (рис. 2.2, б). Задача произвольной ориентации объекта решается кинематическими структурами, содержащими три вращательные пары, оси которых последовательно развернуты на 90°. Такие кисти встречаются лишь в 10% моделей роботов, что объясняется естественным расположе­нием осей и позиций основного технологического оборудования и специа­лизацией обслуживающих его роботов. Специализация промышленных ро­ботов, с одной стороны, упрощает их конструкцию, а с другой — сущест­венно ограничивает их возможности.

Схват руки может достигать любой точки рабочего пространства, но возможности механизма оказываются различными в разных точках. Другими словами, каждой точке рабочего пространства данной механи­ческой руки присущи определенные свойства, характеризующие возмож­ности осуществления различных рабочих операций. Так, ориентирующие способности руки в какой-либо точке пространства можно оценить величиной телесного угла, внутри которого схват может быть подведен к данной точке. Этот угол называется углом "сервиса", а отношение его к полному телесному углу — коэффициентом сервиса в данной точке [3].

Таким образом определяется скалярное поле, т. е. каждой точке рабо­чего пространства ставится в соответствие коэффициент сервиса. Значение этого коэффициента может меняться от 0 для точек на границе рабочего пространства до 1 для точек полного сервиса. Введение таких интегральных оценок приводит к тому, что задача выбора параметров кинематической цепи скелета руки (длины звеньев, величины и расположения ограничений в шарнирах) сводится к задаче параметрической оптимизации среднего значения коэффициента сервиса в рабочем пространстве. По данной величине, используя специально разработанный для этих целей метод объемов, оценивают ориентирующие способности конструкции и ее универсальность [4]. Задача решается на ЭВМ с привлечением численных методов, примеры ее решения приведены ниже (см. гл. 4).