Компенсация смещения центра

Разработка устройства компенсации смещения центра (RCC) началась в 1970-х годах в Лаборатории Чарльза Старка Дрейпера в США. Создание устройства было ответом на одну из ключевых проблем ранней роботизированной сборки — заклинивание деталей при их сопряжении. Промышленные роботы того времени были жёсткими, и малейшие погрешности в позиционировании или размерах деталей приводили к тому, что вставляемый элемент (например, штифт) упирался в край отверстия. Дальнейшее усилие вызывало перекос и заклинивание. Исследователи лаборатории, в частности Дэниел Уитни и Джеймс Невинс, проанализировали физику процесса вставки и пришли к выводу, что для успешной сборки необходима не абсолютная точность, а управляемая податливость^[3].

Результатом исследований стало создание пассивного механического устройства RCC, первый патент на которое был подан 13 октября 1976 года. Принцип его работы заключается в создании виртуального (удалённого) центра податливости, расположенного в точке контакта сопрягаемых деталей. Конструктивно устройство состоит из двух пластин, соединённых упругими элементами. Когда штифт, удерживаемый захватом с RCC, касается края отверстия, возникающая боковая сила заставляет устройство смещаться вбок, а не наклоняться. Это позволяет штифту самоустанавливаться и входить в отверстие, компенсируя начальную погрешность позиционирования^[4].

Успех технологии привёл к её дальнейшему развитию. В 1979 году Лаборатория Дрейпера запатентовала «инструментальное RCC» — версию, оснащённую датчиками для измерения смещений и углов, что обеспечивало обратную связь для системы управления. Идеи, заложенные в RCC, оказали значительное влияние на отрасль: концепция «избирательной податливости» легла в основу создания в Японии роботов типа SCARA, которые были жёсткими в вертикальном направлении, но податливыми в горизонтальной плоскости^[5]. Сегодня устройства типа RCC являются стандартным компонентом для многих сборочных систем, позволяя снизить требования к точности роботов и оснастки.

• В самой простой конструкции, применяемой при небольших масcах и медленных движениях, два фланца соединяются несколькими эластомерными элементами. Они состоят из большого числа попеременно расположенных тонких эластомерных и жёстких слоёв, например, тонких металлических пластин. Жёсткие элементы, закреплённые по продольной стороне (как показано на рисунке), предотвращают растяжение эластомера, но позволяют смещение отдельных слоёв друг относительно друга.

При больших частичных массах и быстрых рабочих движениях для повышения стабильности рекомендуется использовать как можно больше таких эластомерных элементов внутри RCC-модуля.

• При коротких циклах и больших массах для ограничения чрезмерного смещения используются ограничительные штифты. В таких моделях также может применяться функция пневматической блокировки (англ. lock-up), которая принудительно делает устройство жёстким, когда податливость не требуется (например, во время быстрых перемещений). Это защищает упругие элементы от износа и сокращает время цикла.
• Дополнительный механизм с максимум четырьмя шарнирами может предотвращать вращение вокруг оси соединения при действии крутящих моментов. Такой вариант конструкции целесообразно использовать, если силы инерции при быстрых вращательных и поворотных движениях создают сильные крутящие моменты, либо если требуется передача крутящего момента при соединении, например, при винтовом соединении.

Помимо пассивных устройств, существуют более сложные современные конструкции:

• Активные системы компенсации (англ. Active Compliance Systems). В отличие от пассивных, эти системы не имеют заранее заданного механического центра податливости. Они используют датчики силы и момента (как правило, 6-осевые) и исполнительные механизмы для динамического управления взаимодействием инструмента с поверхностью^[6]. Робот в реальном времени получает данные о силе контакта и корректирует своё положение для поддержания заданного усилия, что позволяет выполнять сложные задачи, такие как шлифовка и удаление заусенцев.
• Гибридные конструкции (англ. Active Remote Center of Compliance, ARCC). Сочетают пассивный элемент для обеспечения базовой податливости и активный компонент для точного и быстрого управления силой. Такая комбинация позволяет достичь высокой динамики и гибкости, что критично для высокоскоростной и деликатной сборки.
• Устройства с переменной жёсткостью (англ. Variable Stiffness). Перспективное направление, в котором жёсткость устройства может изменяться в зависимости от задачи. Исследования ведутся в области применения «умных» материалов, например, полимеров с памятью формы, меняющих жёсткость под воздействием тепла, а также механических систем на основе кулачковых профилей для нелинейного изменения характеристик упругих элементов.

Типичной областью применения пассивных RCC-устройств является сборочные операции, такие как вставка штифтов в отверстия^[7], а также установка подшипников в корпуса и валов в подшипники.

Робот перемещает свой захват, удерживающий слегка заострённый штифт, над слегка зенкованным отверстием, в которое должен быть вставлен штифт. Если позиция вставки была достигнута не полностью точно, штифт всё равно может быть введён прямо в отверстие без заклинивания, поскольку RCC компенсирует неточность так, что опрокидывание исключено и допускается лишь боковое смещение.

Ещё одна область применения — автоматическая установка компонентов на печатные платы, особенно при работе с хрупкими элементами, где требуется точный контроль усилия для предотвращения повреждений^[8].

С появлением активных и гибридных систем, оснащённых датчиками силы и момента, сфера применения значительно расширилась и включает задачи, требующие динамического управления усилием:

• Обработка поверхностей: Автоматизированная шлифовка, полировка и удаление заусенцев. Системы с управлением по силе позволяют роботу поддерживать постоянное давление на обрабатываемую поверхность, даже если она имеет сложную криволинейную форму, что обеспечивает равномерное качество^[9].
  • В современных системах активной податливости для шлифовки и полировки деталей сложной формы применяются алгоритмы машинного обучения (включая нейросети) для адаптивного управления импедансом и динамической корректировки усилия в реальном времени^[10]..
• Контроль качества: Использование в качестве измерительных устройств для проверки геометрии деталей и создания их цифровых двойников^[11].
• Коллаборативная робототехника: Устройства компенсации являются важной частью коллаборативных роботов (коботов), обеспечивая безопасность при контакте с человеком и позволяя роботу «чувствовать» своё окружение для выполнения задач, требующих тактильного взаимодействия^[9].