В 1928 году английский инженер Ричардсон создает электрического человека Эрика, внешне похожего на закованного в доспехи средневекового рыцаря. Эрик управляется на расстоянии. В 1936 в России создан первый робот-андроид В2 М, который был удостоен диплома Всемирной выставки в Париже. В 1939 — на всемирной выставке в Нью-Йорке Westinghouse Electric Corp., чтобы поразить посетителей, представляет механического гуманоидного робота Elektro и робота-собаку Sparko. В 1942 — Айзек Азимов впервые использует в своем рассказе «Runaround» слово «робототехника» и предсказывает развитие мощной робототехнической промышленности. В 1954 — Джордж Девол разрабатывает первого промышленного программируемого робота и вводит термин Universal Automation, который впоследствии будет укорочен и даст название его будущей компании Unimation. Первые опыты разработки и производства промышленных роботов относятся к концу 50‑х — началу 60‑х годов прошлого века, когда американские инженеры Д. Девол и Д. Энгельберг создали компанию Unimation. Первые такие роботы появились в 1962 году в США; они назывались «Юнимейт» и «Версатран» — это были автоматические манипуляторы, созданные по образу и подобию человеческой руки. Чуть позже эстафету подхватила Япония — в 1968 году компания Kawasaki Heavy Industries получила от вышеупомянутой Unimation лицензию на производство роботов и создала свой первый экземпляр. С тех пор роботы Kawasaki (рис. 1) постоянно совершенствуются. В наши дни их используют по всему миру и на мелких, и на крупных производствах разных отраслей.
Рис. 1.
В основе промышленного робота лежат пространственные механизмы, обладающие многими степенями свободы. Роботы используются для работы в среде опасной или не доступной для человека, кроме того, они применяются как вспомогательные роботы в промышленном производстве. Промышленные манипуляторы широко используются в медицинской технике. Теория машин и механизмов имеет отдельный раздел, изучающий промышленные манипуляторы — теория манипуляторов. Известно также такое именование манипулятора, как механическая рука — промышленный манипулятор в узком смысле (рис. 2).
Рис. 2.
Разработка промышленных роботов манипуляторов требует решения большого числа задач, таких как обеспечение маневренности, выбор верного соотношения холостых и полезных ходов, устойчивости в работе. В настоящее время уровень развития, которого достигли промышленные роботы, лучше всего характеризуется понятием «механическая рука», прикрепленная к полу, стене, потолку или к машине, снабженная специальным рабочим органом, которым может быть захват или какой-нибудь инструмент, например сварочный или покрасочный пистолет. Рука приводится в движение гидравлическим, электрическим, а иногда и пневматическим приводом в заранее запрограммированной последовательности движений под управлением контроллера (управляющего устройства), который, как правило, основан на микропроцессоре и способен определять положение руки благодаря устройствам обратной связи в каждом узле.
Робот — программно управляемое устройство, которое применяется в производственных процессах для выполнения задач, которые аналогичны тем, что выполняет человек, к примеру, перемещение крупногабаритных или массивных грузов, покраска, точная сварка, сортировка продукции. Проектирование робота-манипулятора производится исходя из производственных задач, которые робот должен решать. Роботы-манипуляторы имеют от 2‑х до 6 степеней свободы и способны перемещать грузы в несколько сотен килограммов в радиусе до нескольких метров.
В настоящее время широкое применение находят роботы, построенные на механизмах параллельной структуры. Одним из примеров параллельного механизма с 6‑ю степенями свободы является гексапод (платформа Стюарта) (рис. 3). Впервые кинематика гексапода был описана в работе Гауфа в 1956 году. На рис. 4 показана практическая реализация гексапода — координатно-измерительная машина КИМ‑1000, ООО «Лапик».
Рис. 3.
Рис. 4.
Другим примером шестиосевого механизма является ротопод (рис 5). В данной схеме ведущие двигатели расположены в поворотных шарнирах основания, а штанги имеют постоянную длину. Этим обеспечивается относительно меньшая масса самого устройства и большая скорость переещения исполнительного узла, чем у механизма по схеме гексапод.
Рис. 5.
Рис. 6.
Третьим примером 6‑осевого параллельного механизма является дельта-механизм (рис. 6). Это одна из самых известных схем манипулятора параллельной структуры, выходное звено которого совершает только поступательно-направляющее движение. Главным достоинством этого механизма является его повышенная маневренность и расширенная граница рабочей зоны.
Трипод (рис. 7) является трехосевым механизмом, реализующим линейные перемещения исполнительного звена по трем осям X, Y, Z. В целом трипод является упрощенной версией гексапода. Однако есть и отличия. Так как три штанги не могут обеспечить угловую жесткость, в конструкцию вводят четвертую центральную штангу, главной задачей которой является воспринимать изгибные напряжения.
Рис. 7.
Исследование механизмов параллельной структуры были начаты в 1980‑х годах в Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН профессором А. Ш. Колискором. Он рассматривал схемы, соответствующие платформе Гауфа, и создал целую классификацию подобного рода устройств, которые назвал L‑координатными схемами. А. Ш. Колискор предложил использовать их в качестве технологических, манипуляционных, обучающих, измерительных систем.
Одной из проблем, с которой пришлось столкнуться, является решение прямой задачи о положениях. В данном случае имеет место система нелинейных уравнений, не имеющая аналитического решения.
А. Ш. Колискор предложил технические решения данной проблемы [1, 2]. Он использовал дополнительные измерительные устройства, которые позволяют привести схему к виду, пригодному для аналитического решения. При этом он опирался на упомянутую классификацию L‑координатных механизмов (рис. 8).
При управлении движением L‑координатных пространственных механизмов необходимо решать прямую и обратную задачу о положениях. Прямая задача сводится к определению положения подвижного звена по заданным значениям обобщённых координат. В L‑координатных механизмах обобщёнными координатами являются длины шести тяг. Обратная задача предполагает определение обобщённых координат механизма по заданному пространственному положению подвижного звена. Общий метод решения прямой задачи строится на анализе системы уравнений, каждая их которых устанавливает зависимость расстояний между двумя точками от их координат. Если число точек на подвижном звене равно пяти, то количество уравнений связи равно пятнадцати. Решение такой системы уравнений возможно лишь численными методами, что занимает много времени.
Рис. 8.
Затем к исследованиям пространственных механизмов параллельной структуры подключился профессор А. Ф. Крайнев, а также его ученик профессор В. А. Глазунов. В этот момент встала задача синтезировать механизмы, которые позволили бы манипулировать моделями летательных аппаратов в аэродинамической трубе. Эта проблема решалась вместе с сотрудниками Центрального аэрогидродинамического института им. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). Задача осложнялась тем, что на модель может воздействовать поток воздуха с усилием около 1,5 тонн, при этом нужно иметь шесть степеней свободы механизма и минимально затенять воздушный поток. Для решения поставленной задачи был синтезирован ряд схем [3, 4], отличительной особенностью которых является расположения всех приводов вне рабочей зоны (рис. 9). А. Ф. Крайнев предложил схемы с тремя, четырьмя и пятью соединительными кинематическими цепями. Указанные механизмы могут быть использованы в качестве роботов для экстремальных и агрессивных сред (космос, океан). Дело в том, что все приводы вынесены за пределы рабочей зоны, в которую вводится 3–5 стержней. Дальнейшее развитие этого подхода позволило сократить число стержней до двух [5].
Рис. 9.
Другой задачей, поставленной перед сотрудниками ИМАШ РАН в плане синтеза пространственных механизмов параллельной структуры, было создание манипулятора, предназначенного для технологических устройств производства электронной техники. Соответствующие работы проводились совместно с НИИ ВАКУУММАШПРИБОР.
Отличительной особенностью данной задачи являлось требование высокой точности при перемещении объекта, она должна была составлять 0,01 мкм. Кроме того, нужно было обеспечить отсутствие люфтов, поскольку механизм должен был работать в вакууме, где возможно явление адгезии. Для решения данной задачи А. Ф. Крайнев предложил схемы манипуляционных механизмов параллельной структуры, в которых имело место большое передаточное отношение между перемещениями в приводах и перемещениями выходного звена (рис. 10) [5, 6].
Рис. 10.
Изгибные упругие элементы, выполняющие роль кинематических пар, были использованы также в других устройствах. Манипуляционный механизм может содержать шарнирный параллелограмм, содержащий указанные элементы. Для увеличения рабочего объёма двухподвижные сферические пары могут содержать несколько упругих элементов, расположенных вдоль разных осей [7].
Для обеспечения частичной динамической развязки между кинематическими цепями L‑координатного механизма был предложен подход, основанный на рассмотрении кинетической энергии манипулятора. Она должна быть представлена в виде квадратичной формы, включающей лишь квадраты обобщённых скоростей. Такое рассмотрение позволило выявить геометрические соотношения, обеспечивающие частичную динамическую развязку [8].
Для испытаний колёсно-ступичного автомобиля (работы проводились совместно с ЦАГИ и КАМАЗом) было предложено устройство, совершающее квазиплоские движения по трём степеням свободы [9].
Движения, близкие к плоским, обеспечивались наличием трёх тяг, сопряжённых сферическими шарнирами с основанием и выходным звеном. Три линейных двигателя обеспечивали требуемые нагрузки, необходимые для определения характеристик подвески автомобиля.
Важным этапом в развитии исследований в области механизмов параллельной структуры явилась разработка устройств для лазерной резки (рис. 11).
Рис. 11.
Активное участие в данной работе принял профессор Л. К. Ковалёв. Он предложил ряд технических решений, основанных на том, что лазер должен был быть установлен на основании, а механизм параллельной структуры должен был перемещать систему, состоящую из двух зеркал [10].
Важной задачей, вставшей перед исследователями в последние годы, является разработка хирургических манипуляторов для роботассистированных операций. Широко известен робот Da Vinci, в котором каждая из четырех консолей представляет собой манипулятор с последовательным расположением звеньев (рис. 12).
Рис. 12.
Такая архитектура приводит к тому, что механизм, перемещающий инструмент весом несколько граммов на расстояния 10–20 см, сам весит несколько десятков килограммов и занимает пространство в пределах одного метра. Перспективной альтернативой могли бы стать манипуляторы параллельной структуры [11, 12], в которых приводы установлены на основании (рис. 13).
Рис. 13.
В настоящее время работы в области исследования роботов параллельной структуры, предназначенных для космических телескопов нового поколения, а также для тренажёров, имитирующих движение наземных и воздушных транспортных средств [13], продолжаются. Изложенное позволяет утверждать, что исследование механизмов параллельной структуры в Институте машиноведения им. А. А. Благонравова РАН проводится на достаточно высоком уровне. Необходимо продолжить усилия для дальнейшего развития этой области теории механизмов и машин.
Литература:
1. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. Пространственные механизмы параллельной структуры. М.: Наука, 1991, 96 с.
2. Борозна А. Г., Глазунов В. А., Жук В. П., Колискор А. Ш., Модель Б. И. и др. L‑координатный механизм. Авторское свидетельство СССР № 1583726, МКИ G 01 В5/00, Оп. 07.08.90, БИ № 29.
3. Борозна А. Г., Глазунов В. А., Жук В. П., Колискор А. Ш., Крайнев А. Ф. и др. Пространственный механизм с шестью степенями свободы. Авторское свидетельство СССР № 1661528, МКИ В 25J 11/00, Оп. 07.07.91, БИ № 25.
4. Глазунов В. А., Колискор А. Ш., Крайнев А. Ф., Модель Б. И. Пространственный механизм с шестью степенями свободы. Авторское свидетельство СССР № 1733774, МКИ F 16 Н 21/10. Оп. 15.05.92. БИ № 18.
5. Глазунов В. А., Колискор А. Ш., Крайнев А. Ф., Вишнякова Т. Л., Коллеров Э. П. Пространственный механизм. Авторское свидетельство СССР № 1703443, МКИ В 25J 1/00.
6. Глазунов В. А., Крайнев А. Ф. Пространственный механизм. Авторское свидетельство СССР № 1726232, МКИ В 25J 1/00.
7. Вишнякова Т. Л., Глазунов В. А., Коллеров Э. П., Крайнев А. Ф., Нагорных В. И. Пространственный механизм. Авторское свидетельство СССР № 1779576, МКИ В 25J 1/00, 9/00.
8. Глазунов В. А. Пространственный механизм. Авторское свидетельство СССР № 1731623, МКИ В 25J 1/00.
9. Глазунов В. А., Борозна А. Г., Жук В. П., Миодушевский П. В., Чутаев А. А. Механизм стенда для испытаний колесноступичного узла автомобиля. Авторское свидетельство СССР № 1749755, МКИ G 01 М 17/02.
10. Крайнев А. Ф., Васецкий Б. Г., Ковалев Л. К., Глазунов В. А., Алешин А. К. Установ‑ка для лазерной резки. Патент РФ № 2060135. МКИ В 23 К 26/06. Оп. 20.05.96, БИ № 14.
11. Глазунов В. А., Шалюхин К. А., Левин С. В. Пространственный механизм.//Пат. РФ № 2412798 B 25 J 1/00. Оп. 27. 02. 2011, БИ № 6.
12ж. Глазунов В. А., Левин С. В., Календарев А. В.,Лысогорский А. Е., Шалюхин К. А., Пространственный механизм.//Пат. РФ № 125118 B 25 J 1/00. Оп. 27. 02. 2012, БИ № 6.
13. Глазунов В. А., Шалюхин К. А., Левин С. В. Пространственный механизм.//Патент РФ № 2412798 B 25 J 1/00. Оп. 27. 02. 2011, Бюл. № 6.
