ПРИМЕНЕНИЕ МАНИПУЛЯТОРОВ С ИЗБЫТОЧНЫМИ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ ЗАДАЧ

АННОТАЦИЯ

В настоящее время растут требования к различным техническим системам, а в частности к манипуляторам. Поэтому в настоящей статье проведен анализ избыточных манипуляторов вследствие их актуальности для решения ряда специфических задач. Методология исследования – анализ научной литературы по заданной проблеме.

Ключевые слова: избыточные манипуляторы, адаптация, обход препятствий, избыточная подвижность.

В настоящее время основной сферой применения роботов манипуляторов является промышленность. Они выполняют широкий спектр работ: перенос деталей, сварка, нанесение различных покрытий, механическая обработка, сборка узлов машин, осуществление контроля качества изделий и т.д. Все эти работы характеризуются цикличностью и однообразностью. Благодаря этому манипуляторы выполняют перемещения по строго заданной траектории и имеют столько степеней свободы, сколько необходимо для выполнения конкретной задачи. Это позволяет уменьшить трудоемкость их проектирования. Таким образом, применяя промышленные манипуляторы например в производстве автомобилей можно добиться существенного снижения затрат на производство, а также высокой производительности и точности в связи с исключением человеческого фактора.

Но, для решения некоторых задач, заранее неизвестно по какой траектории должен перемещаться манипулятор. Может случиться так, что при стандартном количестве степеней свободы требуемое перемещение будет невозможно. В таком случае находят применение манипуляторы с избыточными степенями свободы. Такой подход может использоваться для адаптации роботизированной системы в случаях недостаточной информации об окружающей среде. Это возможно за счет того, что манипулятор может привести исполнительный орган в заданную точку пространства по разной траектории. Кроме того, такой подход может усовершенствовать и промышленных роботов, например в случае отказа одного из приводов системы будет сохраняться работоспособное состояние, а также становится возможной работа в загроможденных средах. Таким образом, разработка избыточных манипуляторов является актуальной для ряда специфических задач, которые присущи в условиях развития роботизации в различных сферах деятельности человека.

Далее в настоящей статье будут рассмотрены и проанализированы существующие конструкции рассматриваемых манипуляторов, а также изложены наиболее перспективные варианты применения таких систем в современном мире.

Избыточность манипуляторов возникает, когда число степеней свободы превышает необходимое для выполнения конкретной задачи. Это означает, что один конкретный манипулятор может быть избыточным для одной цели и не избыточным для другой. Таким образом, для разных задач количество степеней избыточного манипулятора будет разным. Однако в качестве типичного избыточного манипулятора рассматриваются системы с семью и более степенями свободы.[1, с. 245]

Избыточные манипуляторы могут быть получены путем добавления дополнительных звеньев к промышленным манипуляторам, так и иметь более сложную оригинальную структуру. Далее рассмотрены наиболее распространенные для использования и исследования конструкции.

Самым распространенной конструкцией манипулятора, как избыточного, так и не избыточного является роботизированная рука. На рисунке 1 изображена кинематическая модель манипулятора с 7 степенями свободы. [2] Такое количество степеней свободы соответствует человеческой руке. В зависимости от поставленных задач количество степеней свободы для подобных конструкций может изменяться.

Рисунок 1. Кинематическая модель манипулятора человеческой и роботизированной руки

Одной из возможных конструкций избыточных систем являются змееподобные роботы, которые имитируют  поведение змей, червей, а также щупалец. Существует два возможных исполнения таких систем: с жесткими и гибкими связями. Вариант исполнения с жесткими связями, по сути, представляет собой классических промышленных манипулятор с множеством звеньев расположенных по всей длине. Примером такого робота является CMU’s Modular Snake Robots разработанный студентами из университета Карнеги Меллон, его изображение приведено на рисунке 2. Такой робот может выполнять ряд сложных задач, таким как скалолазание, плавание, пересечение ущелий.[3]

Рисунок 2. CMU’s Modular Snake Robots

Гибкие связи между звеньями применяются в континуальных манипуляторах. Такая конструкция имеет структуру позвоночника, при этом количество суставов стремится к бесконечности, а длина стремится к нулю. Такие системы также называют гиперизбыточными. Гибкая связь между звеньями обеспечивается искусственными мышцами. Подобные роботы в настоящее время  производятся и продаются OCR Robotics в Великобритании. Пример такого робота изображен на рисунке 3. Для континуальных манипуляторов трудной задачей является их анализ и моделирование, но не смотря на это был получен значительный прогресс в понимании их кинематики. Такие роботы могут быть использованы для работы в узких тоннелях, так как обладают большой гибкостью  [1, с. 263].

Рисунок 3. Континуальный манипулятор

Также существуют исследования, в которых добавляются избыточные входы к Платформе Гью — Стюарта — разновидность параллельного манипулятора, в которой используется октаэдральная компоновка стоек. Платформа Гью — Стюарта имеет шесть степеней свободы. Механизм обладает шестью независимыми стойками на шарнирных соединениях. Длины стоек меняются и, тем самым, меняется ориентация платформы. Такой механизм используется НАСА для стыковки модулей. В приведенном исследовании к платформе добавляется две дополнительные ноги. Кинематическая схема устройства приведена на рисунке 4. Хоть при этом число степеней свободы не меняется, но при этом становится возможным обход так называемых особых положений, что соответствует задачам, поставленным перед избыточными манипуляторами.[4, с. 4]

Рисунок 4. Кинематическая схема платформы Гью — Стюарта

Выше приведены только наиболее распространенные конструкции. Но в общем случае любой вид существующих манипуляторов при добавлении наполнительных степеней подвижности может считаться избыточным и найти свое применение в различных специфических ситуациях.

Преимуществом применения избыточных манипуляторов является: возможность обхода препятствий, избежание сингулярных состояний, уменьшение энергозатрат, повышение надежности.[1, с. 246]

Обход препятствий и повышенная надежность могут быть полезны для применения в хирургии, когда необходимо избежать повреждения внутренних органов, также, по сравнению с человеком, робот сможет выполнять более сложные операции. Змееподобные роботы могут применяться в стесненных средах, а также в завалах для исследования и проведения спасательных операций. Также манипуляторы с большим количеством степеней свободы применяются в космических аппаратах, где требуется выполнять сложные работы в открытом космосе. Перспективным направлением внедрения манипуляторов с избыточной подвижностью является роботы, которые взаимодействуют с людьми. Благодаря своей избыточности, они могут компенсировать воздействие, которое оказывает человек, а также лучше контролировать собственное воздействие, например чтобы при пожатии руки робот не сломал ее.[5, с. 27] Таким образом, спектр применения избыточных манипуляторов в современном мире достаточно велик.

Список литературы:

1. Bruno Siciliano, Oussama Khatib Springer Handbook of Robotics, 2008. – 1650 с.
2. Wang Y, Artemiadis P Closed-Form Inverse Kinematic Solution for Anthropomorphic Motion in Redundant Robot Arms // Adv Robot Autom. – 2013. 2:3
3. J.K. Hopkins, B.W. Spranklin, and S.K. Gupta. A survey of snake-inspired robot designs // Bionispiration and Biomimetics. – 2009. – 4(2)
4. Альван Хассан М. Динамика и управление движением робототехнических систем с избыточными входами: Автореферат Диссертации на соискание ученой степени к. т. н. – СПБ., 2003. – 18 с.
5. Ivanescu Mircea and Cojocaru Dorian Hyper Redundant Manipulators // Advanced Strategies for Robot Manipulators. – 2010. – с. 27 – 60