Критерии сервиса могут, как это показано выше, оценивать порознь кинематические свойства биологической и механической частей системы оператор-манипулятор. Очевидно, что оценить систему в целом можно также с помощью характеристик сервиса, однако при этом необходимо учитывать уже согласованную работу ее отдельных частей. Согласование нельзя осуществлять путем сопоставления коэффициентов сервиса, полученных отдельно для каждой из частей системы, так как коэффи-

Рис. 4.8. Карты распределения зон сервиса руки человека. Величины коэффициента сервиса, указанные на диаграммах, даны в %

Рис. 4.9. Кинематическая схема системы "манипулятор-механическая модель руки оператора”, используемая для определения характеристик сервиса

циент сервиса точки, являясь скалярной функцией пространственного угла обслуживания, не выявляет конфигурацию и расположение последнего в пространстве. Так, если в какой-либо точке коэффициенты сервиса руки оператора и манипулятора равны соответственно 0,5 и 0,5, то коэффициент сервиса системы оператор-манипулятор в данной точке может иметь значения от 0 до 0,5 в зависимости от пространственного расположения углов обслуживания.

Поэтому определим сервис системы оператор-манипулятор по ее пол­ной кинематической модели. В качестве примера рассмотрим систему оператор-копирующий манипулятор. Пусть структура задающей и испол­нительной рук манипулятора соответствует схеме рис. 4.3. Отношение длин соответствующих звеньев задающих и исполнительных рук копирующего манипулятора является постоянной величиной, характеризующейся мас­штабным коэффициентом. Приравняем размеры исполнительных рук к размерам задающих и совместим их. Размеры рабочего пространства также изменятся на величину масштабного коэффициента. Схват и задающая рукоятка теперь образуют комбинированное звено, причем оси рукоятки и схвата в общем случае пересекаются под некоторым углом. Присоединим к рукоятке манипулятора кинематическую цепь, моделирующую руку опе­ратора (см. рис. 4.4), и получим кинематическую модель системы оператор — копирующий манипулятор (рис. 4.9). Ведущим звеном двух кинематических цепей является рукоятка, которая может совершать вращательные движе­ния вокруг неподвижной точки С. Видно, что плечо оператора шарнирно связано с неподвижной точкой пространства П. Данная кинематическая схема имитирует работу оператора с неподвижно закрепленным корпусом (телом оператора).

Исследование кинематических характеристик системы проводится по методике, аналогичной ранее разработанной для манипулятора и руки оператора. Зададим ведущему звену 13 дискретные перемещения по сфере вокруг точки С таким образом, чтобы в ней образовался пучок прямых, равномерно распределенных по поверхности сферы. Для каждого положе­ния схвата найдем обобщенные координаты q} (где j — 1, 2,…, 5), опреде­ляющие конфигурацию манипулятора и qj (где і = 1, 2,…, 7) — конфигурацию руки оператора. Положение схвата считается реальным, если

Qі min — Яі — Яі max ® Яj min — Qj ~ Qj max ’

где q*min, q*„их — предельные значения обобщенных координат для руки; я]тт > Qj max ~ предельные значения обобщенных координат манипулятора.

Для расчета обобщенных координат qманипулятора будем исполь­зовать систему координатных осей XYZ с началом в точке П, для расчета qi руки — систему координат XYZ с началом в точке П (см. рис. 4.9). Коорди­натные оси систем XYZ и XYZ соответственно параллельны.

Координаты захвата определяются в системах XYZ и XYZ и по разра­ботанным программам в соответствии с описанными выше алгоритмами на­ходятся значения qj и qt соответственно для манипулятора и модели руки

оператора. В программы добавлены процедуры, исключающие попадание точек ЗиЛ задающих рук манипулятора в "запретные области" — тело оператора, для чего координаты этих точек пересчитывают в системе XYZ. В программе расчета коэффициента сервиса модели руки оператора учтено изменение формы рукоятки (см. рис. 4.9).

Коэффициенты сервиса просчитывают через равные интервалы для всех точек рабочего объема системы оператор-копирующий манипулятор. Среднее арифметическое значение коэффициента сервиса по всем точкам есть сервис системы оператор-копирующий манипулятор. Очевидно, эта величина может быть принята за критерий оптимального согласования частей рассматриваемой биотехнической системы. При решении задачи параметрической оптимизации системы оператор-манипулятор нельзя варьировать параметры модели руки оператора, можно изменять только геометрические и кинематические параметры технической части: размеры рабочей зоны, координаты подвеса задающей руки манипулятора отно­сительно плеча оператора, длины звеньев манипулятора, ограничения на подвижность звеньев манипулятора, параметры рукоятки; всего около 20 параметров.

Предварительный анализ требований, предъявляемых к конкретной разрабатываемой конструкции манипулятора, обычно позволяет сократить число варьируемых параметров системы и указать пределы изменения части из них. Например, часть параметров — размеры рабочей зоны, — как правило, задается заказчиком и не изменяется на всех этапах проек­тирования.

Рис. 4.10. Оптимизируемая система оператор — манипулятор, h — варьируемый параметр

Переходя к оптимальному синтезу системы по некоторым выбранным (варьируемым) параметрам, следует учитывать следующую особенность за­висимости критерия оптимальности от параметров, связанную с существова­нием его предельного значения. Пред­положим, что, исследуя системы мани­пулятор-оператор в многомерном пространстве, мы, следуя некоторой стратегии поиска наилучшего ва­рианта, постепенно улучшаем сервис системы fc)c. Наконец, мы вводим в программу такие параметры манипу­лятора, что зона 100%-го сервиса последнего будет полностью перекрывать зону досягаемости руки оператора. Поскольку для системы выполняются соотношения

где 0р — сервис руки, 0М — сервис манипулятора, то в нашем случае 0С = 0р. Очевидно, что при варьировании параметров мы не сможем нару­шить условие 0С < 0р; иначе говоря, функция сервиса системы может те­рять чувствительность к изменениям аргументов в некоторых областях.

В задачах автоматического поиска оптимальных параметров хорошо зарекомендовал себя метод "оврагов" [6]. Он позволяет сравнительно быст­ро находить экстремум функции многих переменных. Программа, разрабо-

Рис. 4.11. Определение оптимального значения h — высоты подвеса манипулятора над плечом оператора

тайная на основе этого метода, позволила исследовать влияние установки задающей руки манипулятора относительно тела оператора на сервис системы. В качестве примера на рис. 4.10 и 4.11 представлены оптимизируе­мая система оператор-манипулятор и результаты работы программы в частном случае однопараметрической оптимизации: выбор высоты h под­веса задающей руки манипулятора при остальных фиксированных пара­метрах. Если центры плечевого сустава оператора и руки манипулятора расположены на одной вертикали, 1 = 300 мм, 12 = 270 мм, /3 = 100 мм, -95° < qx < 95°, -45° < q2 < 90°, -135° <q3< 0°, -90° <q4< 90°, -85° <q5< 85°,

то оптимальной в этом случае является высота h = 60 см (см. рис. 4.11). Мак­симальное значение критерия 0 при этих условиях равно 12%. Заметим, что среднее значение коэффициента сервиса манипулятора, имеющего ука­занные параметры, 0М = 29%. Следовательно, повышение ©с еще возмож­но за счет изменения других параметров.