Параллельный робот

В конструкции параллельного манипулятора каждая кинематическая цепь обычно коротка и проста, что придаёт всей структуре высокую жёсткость по отношению к нежелательным перемещениям, в сравнении с последовательной структурой. Ошибки позиционирования одной цепи нивелируются и усредняются работой других.

Приводы, как и в последовательных механизмах, действуют в пределах своей степени свободы, однако внеосевая гибкость ограничена за счёт взаимного влияния кинематических цепей. Такая замкнутая система обеспечивает повышенную жёсткость конструкции в сравнении с последовательной, у которой жёсткость уменьшается с увеличением числа суставных звеньев.

В параллельных роботов структурная жёсткость достигается взаимным усилением цепей. В конструкции гексаподов на базе платформы Гофа — Стюарта используют призматические линейные приводы в сочетании с универсальными шаровыми шарнирами по произвольным осям. Шаровые шарниры пассивны — свободны относительно вращения, не имеют отдельных приводов или тормозов — их положение ограничено только положениями других цепей.

В основании дельта-роботов размещаются поворотные приводы, приводящие в движение лёгкую, жёсткую параллелограммную систему рычагов. Концевой орган крепится между концами трёх рычагов, обычно с помощью простых сферических шарниров. Такая схема напоминает ферму с шарнирными соединениями: исполнительные механизмы и звенья находятся под действием только растяжения и сжатия, что минимизирует влияние изгиба и крутящего момента.

К преимуществам параллельного робота также относят то, что массивные элементы могут быть размещены по центру конструкции на базовой платформе, а движение передаётся только через стойки и шарниры. Таким образом, масса, распределённая вдоль манипулятора, минимальна — это облегчает конструкцию, снижает нагрузку на исполнительные органы и увеличивает скорость движения. Централизация массы снижает момент инерции робота, что выгодно при создании мобильных или шагающих платформ.

Именно конструктивные особенности параллельных роботов позволяют использовать их в различных сферах — скорость работы часто ограничена только жёсткостью системы, поэтому такие механизмы могут превосходить другие конструкции по быстродействию.

Параллельный манипулятор способен перемещать объекты по шести степеням свободы (6DoF, от англ. six degrees of freedom): три пространственных координаты в декартовой прямоугольной системе (вперёд/назад, вверх/вниз, влево/вправо) и три угловых перемещения вокруг соответствующих осей (рыскание, тангаж и крен)^[2].

Если же для решения задачи требуется меньше степеней свободы, применение менее подвижных параллельных манипуляторов упрощает конструкцию, управление, увеличивает скорость работы и снижает стоимость^[3]. Например, у дельта-робота четыре степени свободы (три поступательных и одна вращательная), что позволяет применять их для быстрых задач позиционирования^[4][5].

Рабочее пространство малоподвижных манипуляторов делится на подпространство движения и подпространство ограничений. Для дельта-робота три степени свободы составляют подпространство движения, отсутствие вращений Эйлера — подпространство ограничений.

Кроме того, подпространство движения подразделяется на независимое (целевое) и зависимое (сопутствующее, «паразитное» движение)^[6][7][8]. Такие нежелательные движения учитывают при проектировании и компенсируют специальными средствами. У дельта-манипуляторов паразитные движения отсутствуют, так как поворот концевого эффектора не предусмотрен.

В тросовом параллельном роботе (ТПР) жёсткие звенья заменяются гибкими тросами^[9]. Такая компоновка позволяет снизить инерционность и увеличить скорость движения и ускорение концевого эффектора^[10][11]. Кроме того, рабочая зона у тросовых роботов значительно больше, что позволяет использовать их для решения задач, требующих большой зоны обслуживания^[12].

В то же время, гибкие звенья работают только на растяжение и теряют работоспособность при сжатии, что ограничивает область применения подобных систем. Данную особенность важно учитывать при их проектировании и эксплуатации.

Первый тросовый параллельный робот был создан в 1989 году в Национальном институте стандартов и технологий США и был предназначен для обработки тяжёлых грузов в портах, строительстве мостов и других сферах^[13].

Другой пример — SkyCam, тросовый робот, используемый для видеосъёмки на стадионах: камера перемещается по четырём тросам, которые обеспечивают рабочую скорость до 44,8 км/ч^[14].

Существуют тросовые роботы для сельскохозяйственных задач^[15][16], для автоматизированного строительства^[17]. Примером служит строительный 3D-принтер с шестью степенями свободы и бетонным экструдером в качестве концевого эффектора^[18].

Для большинства промышленных роботов жёсткость обеспечивается применением высокоточных поворотных шарниров, допускающих движение по одной оси, но фиксирующих положение по остальным. Каждый степенный сустав требует индивидуального управления и исполнительного механизма; для реализации нескольких осей необходимо использовать несколько шарниров.

Любая лишняя гибкость или неточность в одном суставе аналогично отражается на работе всей структуры — её последствия усиливаются с увеличением расстояния от сустава до концевого органа из-за невозможности изолированного контроля. Возникает эффект накопления ошибок (гистерезис), а внеосевая гибкость кинематической цепи увеличивается с числом звеньев.

Прецизионный последовательный манипулятор — это баланс между точностью позиционирования, массой, стоимостью и сложностью устройства. Параллельные манипуляторы позволяют добиться высокой жёсткости при меньшей массе конструктивных элементов, что выгодно для высокоточных задач и использования, например, в авиасимуляторах, где требуется одновременная большая скорость и управление массивными объектами.

К недостаткам параллельных манипуляторов относят нелинейное поведение: изменение координат концевого эффектора (линейное или угловое) зависит от текущего положения манипулятора и меняется нелинейно. Кроме того, рабочее пространство параллельных роботов ограничено геометрическими пределами (максимальные/минимальные длины звеньев, возможные столкновения между опорами) и зачастую меньше, чем у последовательных.

Важным ограничением конструкции является возникновение сингулярных положений, в которых даже бесконечно малое изменение длины кинематической цепи может приводить к значительному или неуправляемому перемещению манипулятора. Сингулярности сложно определять для общих параллельных манипуляторов; их влияние минимизируют искусственным ограничением рабочего пространства.

Параллельные манипуляторы применяются в симуляторах авиа- и автотранспортных средств, а также в промышленности для:

• операций упаковки;
• сборочных процедур (особенно — при требованиях к высокой скорости и точности при ограниченном рабочем объёме);
• погрузочно-разгрузочных операций.

Кроме того, параллельные роботы используются при юстировке оптических волокон^[19], для высокоточного и высокоскоростного фрезерования.

Одно из направлений — совмещение параллельных микроманипуляторов с серийными манипуляторами для повышения точности сложных сборочных задач.

Из-за меньших размеров рабочего пространства параллельные роботы, как правило, неспособны обходить препятствия, а расчёты кинематики сложнее и могут приводить к множественным решениям задачи движения.