Выше мы установили, что разнообразие движений робота определяется структурой скелета руки: количеством звеньев, числом и взаимным распо­ложением ее шарниров. Такие важные механические характеристики конструкции руки, как скорость движения и усилия воздействия на внешнюю среду, определяются тем, как решена кинематическая схема руки, т. е. тем, как организована передача движений от приводных двигателей к звеньям скелета. Разомкнутость схемы скелета руки обуславливает потерю значительной части мощности привода в связи с необходимостью преодолевать статические и динамические нагрузки от сил тяжести и инерции звеньев руки.

Поэтому небезразлично, каким образом при построении кинематичес­кой схемы робота будут "подключены" силовые двигатели. Возможны две принципиально различные схемы подключения: двигатели располагаются непосредственно на звеньях (рис. 2.3, а); двигатели располагаются на основании (рис. 2.3, б) и связываются со звеньями скелета посредством дополнительных кинематических передач.

Достоинством первой схемы является удобство (наглядность) програм­мирования, т. е. возможность управлять последовательно каждым двигате­лем, получая изменение угла только в одном шарнире. Во втором случае движения связаны и для изменения положения плеча (координата qx) при неизменных относительных положениях плеча и предплечья (координата q2) необходимо управлять уже двумя двигателями (координаты |/, и |/2).

Именно в этом заключается сложность программирования второй схемы, особенно если учесть, что в реальных конструкциях число степеней подвиж­ности достигает 5-6. Помимо этого, для таких схем из-за наличия длинных кинематических цепей характерны повышенные зазоры. Однако возмож­ность получить легкую и маневренную руку, не нагруженную весами при­водов, а также несложные технические решения по натяжению кинема­тических цепей в схемах с вынесенным приводом определили тенденцию их применения в современной робототехнике.

Эту тенденцию поддерживают решения авторов по развязке движений

[15] , когда в связанной, как на рис. 2.3, б, схеме с помощью механических или электронных устройств удается обеспечить взаимно однозначное соответствие между углом поворота двигателя и отнесенного к нему шарнира, и тем самым упростить программирование.

Решение задачи по развязке движений связано с построением и анали­зом кинематических соотношений, связывающих входы и выходы меха­низма руки. Для исследования многосвязных систем существует известная процедура, позволяющая по отклику на единичный входной сигнал опре­делять коэффициенты уравнений, описывающих поведение системы в целом. Оказалось, что эту процедуру можно использовать при анализе сложных планетарных механизмов механических рук с приводом на основании. В этом случае коэффициенты уравнений представляют собой частные передаточные отношения между входами и выходами механизма и могут быть найдены последовательным "замораживанием" всех выходов,

Рис. 2.3. Модели механических рук с приводами на звеньях (а) и на основании (б)

кроме одного, и определением передаточных отношений от "незаморожен­ного" выхода ко всем входам [20]. Заметим, что процедура замораживания выходов превращает механизм с несколькими степенями подвижности в несколько механизмов с одной степенью подвижности, но с одним общим выходом. Повторив эту процедуру для всех выходов, получают матрицу частных передаточных отношений, описывающую кинематику механизма руки (см. гл. 5). Как правило, элементами матрицы являются константы, т. е. кинематика механизма описывается системой алгебраических линейных уравнений.

Разумеется, что любые изменения в кинематике механизмов руки отра­жаются на виде матрицы частных передаточных отношений. Это позволяет синтезировать механизмы, отвечающие требуемым свойствам. В частности, выше отмечалось, что для удобства программирования, а иногда для обес­печения работоспособности системы, необходимо иметь взаимно однознач­ное соответствие между каждым входом руки и соответствующим ему выходом, т. е. такое соответствие, как если бы двигатели были установлены на Подвижных звеньях руки. (Новый перспективный способ пассивного управления, требующий решения этой задачи, будет рассмотрен в гл. 10.) Математически взаимно однозначное соответствие выражается в диаго- нальности матрицы частных передаточных отношений, а технически, при решении задачи средствами механики, — сводится к введению в конструкцию руки специальных механизмов, получивших название компенсирующих или развязывающих. Их функции заключаются в устранении кинематического взаимовлияния по степеням подвижности, т. е. обращении в нули (точная развязка), или в малые величины (приближенная развязка) всех недиаго­нальных членов матрицы частных передаточных отношений.

Компенсирующие механизмы могут быть рассредоточены по подвиж­ным звеньям руки, либо выполнены в виде функционального блока, уста­новленного на основании. Задачу развязки движений можно решать не только механическими, но и электронными средствами. При этом в основу синтеза соответствующих электронных устройств компенсации все равно должны быть положены соотношения, полученные при анализе матриц частных передаточных отношений.

В заключение заметим, что к приводным двигателям, особенно в случае их размещения на подвижных звеньях скелета руки, предъявляют требо­вания максимума удельной мощности. В этом отношении хорошими харак­теристиками обладают гидро — и пневмодвигатели, что и определило их широкое распространение в промышленной робототехнике. Вместе с тем присущие им недостатки, связанные с необходимостью подготовки рабочей среды (жидкость, воздух) и сложностью эксплуатации, с одной стороны, и успехи в области создания управляемого электропривода, с другой — опре­деляют широкое использование последнего в робототехнике. Оно основано на достижениях и решениях, связанных с созданием электропривода по­стоянного тока на базе высокооборотного двигателя, в конструкции которого использованы современные магнитные материалы и компактный волновой редуктор. Удельная мощность такого двигателя с редуктором приближается (в диапазоне малых мощностей) к удельной мощности гидро — и пневмодвигателей, однако он уступает им по этому параметру и в большинстве случаев рационально компонуется в схемах роботов с вынесенным приводом.