В машиностроении есть такое перспективное направление — избыточные параллельные роботы. Они могут здорово помогать на производстве, но у них есть одна серьезная проблема, которая мешает их широкому внедрению, — внутреннее силовое противоборство.

Представьте себе ситуацию: робот вроде бы точно выполняет команды и занимает нужное положение в пространстве, но при этом его сочленения будто начинают «спорить» друг с другом. Вместо того чтобы слаженно двигаться, они давят друг на друга, создавая внутреннее напряжение, которое постоянно растет. Если вовремя не остановиться, такой конфликт может просто сломать механизм или привести к аварии. Из-за этого управлять избыточными роботами намного сложнее, чем обычными.

Чтобы понять природу этого явления и выяснить, как с ним справляются разные типы роботов, исследователи провели любопытную работу. Они сравнили два вида конструкций: избыточные жесткие роботы (у них все связи жесткие) и избыточные роботы на тросах (где тяговое усилие передается тросами, словно в подвесном мосту).

Сначала ученые разобрались, из-за чего вообще возникает эта внутренняя борьба. Оказалось, что она свойственна только избыточным механизмам, а ее сила зависит от того, как устроен робот, в какой позе он находится и из чего сделаны его звенья.

Для оценки «конфликтности» они предложили два простых показателя. Первый — это максимальное напряжение в сочленениях, которое может возникнуть при работе. Второй показывает, насколько сильно это напряжение меняется во всем рабочем пространстве робота. Чтобы эти показатели посчитать, они даже разработали специальный математический метод. А для наглядности придумали три способа графического анализа, которые сразу видно, где робот работает как слаженная команда, а где его звенья начинают „выяснять отношения“.

Подробности опубликованы в издании Frontiers of Mechanical Engineering.

Главные выводы ученые сделали, изучив три разные модели роботов. Выяснилось, что жесткие роботы склонны к внутренней борьбе практически в любой точке своего рабочего пространства. А вот роботы на тросах ведут себя гораздо спокойнее. У них такая проблема возникает только на некоторых участках, да и то в более мягкой форме.

Почему так происходит? Все дело в свойствах тросов. В отличие от жестких штанг, трос может только тянуть, но не толкать. К тому же он намного эластичнее. Если в жесткой конструкции избыточное усилие никуда не денется и начнет разрушать механизм, то трос благодаря своей гибкости может немного «сгладить углы», взяв часть напряжения на себя. Эта особенность делает тросовых роботов более надежными и простыми в управлении, а значит, и более подходящими для реального производства.

Благодаря этому исследованию у инженеров появился новый инструментарий для проектирования таких сложных машин. Теперь можно заранее, еще на чертежах, оценить, насколько «конфликтным» будет тот или иной механизм, и сделать его не только точным, но и безопасным. А это прямой путь к тому, чтобы умные роботы прочнее вошли в нашу жизнь, помогая на заводах и фабриках.

Наука вообще любит сравнивать. Это исследование — отличный пример того, как сравнение двух похожих вещей (жесткого и тросового робота) помогает докопаться до сути. Для ученых это не просто описание проблемы, а целый новый язык, на котором теперь можно говорить о внутренних напряжениях. Предложенные индексы и методы анализа — это как линейка и транспортир для сложных механизмов. Теперь можно не гадать, почему сломался робот, а измерить его «здоровье» еще на стадии проекта.

А в реальной жизни… Ну, представьте себе склад, где трудятся десятки роботов. Если они начнут ломаться из-за внутренних конфликтов, то это будет не просто рядовая поломка, это — остановка всего процесса, сорванные заказы и убытки. Благодаря таким исследованиям производители смогут выбирать более надежные конструкции. Например, там, где нужно таскать тяжелые ящики по строго заданной траектории, лучше подойдет тросовый робот — он и не сломается, и людей не покалечит, если что-то пойдет не так. Это как перейти от хрупкой фарфоровой вазы к пластиковому стаканчику: надежнее и безопаснее в быту, пусть и не так изящно.

Исследование, безусловно, полезное, но остается вопрос: насколько выводы, сделанные на трех моделях, применимы ко всем существующим типам избыточных роботов? Ученые взяли «трехзвенного плоского», „семизвенного пространственного“ и „восьмизвенного пространственного“ робота. Но в реальности конфигураций гораздо больше. Не слишком ли это малая выборка для глобального вывода о том, что „тросовые всегда мягче“? Хотелось бы увидеть статистику на большем количестве примеров. Кроме того, в работе не учитывается износ материалов со временем. Трос со временем растягивается, жесткость соединений падает. Как эти „возрастные“ изменения повлияют на внутреннее противоборство? Возможно, через пару лет активной работы тросовый робот начнет вести себя совсем не так идеально, как на чертежах.

Ранее мы разбирались, какими могут быть роботы в 2035 году.