Конечность робота состоит из звеньев (links) и сочленений (joint / axe), которые вместе образуют кинематическую цепь. Сочленение, которое так же можно назвать суставом или осью (joint / axe) - это подвижное соединение между звеньями (links).

Далее представлен не совсем точный перевод, т.к я старался "выжимать" лишнее, чтоб читалось получше. И слова "сустав" / "шарнир" мне показались наиболее удобными, поэтому буду использовать их (много раз).

Введение

Сустав - важная часть робота, которая обеспечивает не просто подвижность, но и отвечает за точное и контролируемое движение.

Понятно, что требования к роботу могут быть разные. Поэтому дизайн суставов тоже будет отличаться в зависимости от назначения - например, задачи манипулятора сборочной линии будут отличаться от задач хирургического робота.

Анатомия робо-сустава

Сустав робота может состоять из различных механических и электрических компонентов.

Механические компоненты

Обеспечивают подвижность

Шестерни: зубчатые колёса, которые сцепляются друг с другом для передачи крутящего момента. Конструкция шестерни определяет скорость, крутящий момент и точность суставного соединения робота. Например, прямозубые шестерни просты, дешевы и имеют высокий КПД, а косозубые тише и могут передавать больший крутящий момент.
Звенья: жесткие элементы, которые совместно с суставами/шарнирами служат каналами передачи движения от одного сегмента робота к другому. Конфигурация этих звеньев, влияет на диапазон движений робота и сложность его траекторий.
Подшипники: нужны для минимизации трения между движущимися частями. Тоже бывают разных видов, например шариковые создают меньше трения и более высокую скорость вращения, а роликовые могут выдерживать большую нагрузку.

Электрические компоненты

Обеспечивают управляемость и обратную связь

Моторы: Моторы преобразуют электрическую энергию в механическую, создавая вращательное или линейное движение. Так, двигатели постоянного тока простые и легко управляются, но для более высокой точности движений больше подходят шаговые двигатели или сервоприводы.
Датчики: позволяют получать контрольной системе обратную связь от среды. Например акселерометры (датчик ускорения), энкодеры (датчик угла), гироскопы (ориентация в пространстве), тензодатчики (сила нажатия)

Типы робо-суставов

Конструкция сустава определяет двигательные возможности системы.

Поворотный шарнир (Rotary/Revolute Joint)

Поворотные шарниры - наиболее распространенный тип в робототехнике. Они обеспечивают вращение вокруг одной оси, подобно механизму дверной петли. Этот тип шарнира часто используется в манипуляторах, где позволяет выполнять сгибания и разгибания.

Конструкция такого сустава обычно включает мотор, который создает вращательное движение, и систему шестерен, передающих это движение к шарниру.

Так как вращение происходит только вокруг одной оси, такие суставы просты в проектировании и управлении, и можно точно контролировать положение и скорость вращения. Однако диапазон движения ограничен по сравнению с другими видами (сферическими или карданными шарнирами).

Линейный шарнир (Linear/Prismatic Joint)

Движение обеспечивается по прямой линии. Применяется в системах, требующих точного линейного позиционирования, например 3D-принтеры.

Конструкция обычно включает линейный привод и направляющие рельсы, ограничивающие движение прямой линией. Линейный привод может быть электромотором с винтовой передачей, пневмо- или гидроприводом, или даже пьезоэлектрическим приводом для сверхточного позиционирования.

Преимущества: точное позиционирование по прямой, возможность приложить большую силу при использовании гидравлики или пневматики.

Сферический шарнир (Spherical Joint)

Обеспечивает более широкий диапазон движений, позволяя выполнять вращательные движения по двум перпендикулярным осям. Это особенно полезно при взаимодействия с динамичной средой.

Карданный шарнир (Universal Joint):

Может обеспечивать вращение в двух различных плоскостях. Конструкция карданных шарниров немного сложнее поворотных, но это позволяет передавать вращение между несоосными валами.

Цилиндрический шарнир (Cylindrical Joint)

Такой тип шарниров полезен, когда требуется совместить поступательное и вращательное движение.

Планарный шарнир (Planar Joint):

Планарный шарнир обеспечивает движение в пределах одной плоскости, то есть имеет две поступательные и одну вращательную степень свободы.

Его часто используют в роботах для покраски / сварки, где необходимы движения по плоскости.

Физика робо-суставов

Чтобы лучше разбираться в компонентах робота, нужно понимать следующие физические концепции: кинематика и динамика.

Кинематика робо-суставов

Кинематика изучает движение, не беря во внимания силы, которые это движение создают. В контексте суставов, кинематика описывает пространственные характеристики (положение / скорость / ускорение) в зависимости от времени.

Важная концепция здесь - степени свободы (degrees of freedom / DOF) - это независимые параметры, которые определяют возможности движения системы.

Степени свободы шарнира определяются типом шарнира и его конфигурацией. Например, поворотный шарнир имеет одну DOF, т.к. позволяет вращение вокруг одной оси. Линейный шарнир тоже имеет одну DOF, т.к. позволяет только линейное перемещение по прямой линии.
Более сложные шарниры, такие как сферический или карданный, могут иметь несколько DOF, что расширяет диапазон движений.

Кинематические уравнения используются для создания алгоритмов управления, для точного и плавного движения по нужной траектории.

Кроме того, кинематический анализ помогает определить рабочую зону робота - множество всех достижимых позиций.

Динамика робо-суставов

Динамика описывает связь между движением и силами / моментами. Динамика критически важна для понимания отклика шарнира на воздействие, и на то как он будет взаимодействовать со средой.

Динамика шарнира подчиняется второму закону Ньютона: сила, приложенная к объекту, равна произведению его массы на ускорение (F = ma). В контексте роботов эта сила (F) - обычно момент, создаваемый мотором или приводом; масса (m) - мера инертности шарнира и связанных компонентов; ускорение (a) - угловое или линейное ускорение шарнира.

Один из ключевых концептов динамики - это динамическое моделирование шарнира, то есть математическое представление его движения исходя из приложенных сил или моментов.
Такая модель обычно учитывает параметры: инерцию шарнира, демпфирование (сопротивление движению), жесткость (сопротивление деформации), а также внешние силы действующие на шарнир.

Точная динамическая модель необходима для эффективного управления шарниром. Например, для предсказания реакции на определенное воздействие мотора. Кроме этого, модель поможет выявить проблемы вроде чрезмерных вибраций или нестабильности, и подсказать как можно оптимизировать конструкцию чтоб избавиться от этих проблем.

Однако разработка такой модели может быть сложна из-за таких факторов как трение, люфт или нелинейность в отклике двигателя. Поэтому для улучшения модели используется идентификация систем или машинное обучение на экспериментальных данных.

Есть и другие концепции динамики: закон сохранения энергии и закон сохранения импульса. Они полезны, например, для анализа поведения шарнира при столкновениях или других взаимодействиях с окружающей средой, а также для разработки энергоэффективных стратегий движения.

Системы управления робо-суставами

Системы управления играют очень важную роль в создании точного и плавного перемещения по желаемой траектории.
Есть два типа систем управления: с обратной связью (closed-loop control system) и без обратной связи (open-loop control system)

Открытые (Open-Loop Control Systems)

Такие системы относительно просты и понятны, они не зависят от обратной связи сустава. Контрольные сигналы (например напряжение / ток двигателя) задаются исключительно на основе желаемого положения шарнира, скорости или ускорения.

Алгоритм управления вычисляет требуемую мощность двигателя на основе динамической модели сустава. Затем на двигатель подается нужная мощность, и сустав приходит в движение. Однако, поскольку обратная связь от шарнира отсутствует, система управления не умеет корректировать ошибки, которые могут возникнуть во время движения (из-за трения / люфтов / внешнего воздействия).

Несмотря на простоту, системы управления без ОС могут быть эффективны в определенных областях. Особенно в тех, где предъявляются низкие требования к точности или минимум внешних помех.

Однако такие системы чувствительны к ошибкам в динамической модели, поскольку любые неточности в модели могут привести к значительным отклонениям от желаемой траектории. Более того, системы управления без ОС не могут адаптироваться к износу сустава, перепадам температур и тп.

Замкнутые (Closed-Loop Control Systems)

Системы управления с обратной связью могут регулировать управляющий сигнал чтобы корректировать возникающие во время движения ошибки, благодаря чему движение получается более точным и стабильным.

Датчики измеряют информацию о состоянии шарнира, затем эти данные сопоставляются с ожидаемыми. Алгоритм вносит корректировки, изменяя, например, подачу питания на моторы.

Системы управления с обратной связью имеют ряд преимуществ: они менее чувствительны к ошибкам динамической модели; и могут адаптироваться к внешним воздействиям.

Однако такие системы имеют большую сложность, т.к. содержат больше компонентов. Это также увеличивает стоимость сустава.
Кроме того, датчики могут "шуметь", вносить задержку или передавать неверные данные - для обработки таких случаев нужны более продвинутые алгоритмы управления.

Несмотря на эти сложности, системы с обратной связью предпочтительнее там, где требуется высокая точность и/или адаптивность.

Вызовы в проектировании

Для достижения оптимальной производительности, долговечности и адаптивности робо-суставов, необходимо учитывать следующие вещи:

Трение и износ: Трение между частями сустава может привести к потере энергии, снижению эффективности и повышенному износу.

Материалы: Выбор подходящих материалов, смазки, подшипников существенно влияет на долговечность и стоимость сустава.

Люфты: могут приводить к снижению точности и управляемости. Минимизировать их можно тщательной сборкой, использованию специализированных компонентов, преднатягом подшипников.

Нелинейности и неопределенности: На работу сустава могут влиять неконтролируемые внешние факторы (трение, нелинейность отклика двигателя, шум датчиков и тп). Сгладить эти проблемы можно с помощью идентификации систем или машинного обучения.

Температурные эффекты: Колебания температуры могут изменять свойства материалов, приводить к тепловому расширению или снижать электропроводимость. Об этом особенно важно помнить при разработке компонентов для суровых или изменчивых условий.

Совместимость компонентов: Аппаратные / программные / механические компоненты должны быть спроектированы таким образом, чтобы они легко интегрировались в систему.

Техническое обслуживание: Разработка простых в обслуживании или самообслуживающихся (например, самосмазывающихся) суставов может сократить время простоя и расходы.
Использование мониторинга и само-диагностики поможет раньше выявить потенциальные неисправности и предотвратить дорогостоящие простои и ремонт.

Стоимость: Разработка функциональных и надежных компонентов может быть дорогой, важен баланс.

Вывод

Робо-суставы являются основными блоками робототехнических систем, и играют ключевую роль в их функциональности.

Несмотря на существующие проблемы, технический прогресс продолжает расширять границы возможного, что позволяет создавать более эффективные, надежные и универсальные робототехнические системы.

Надеюсь перевод был полезным.
Кстати еще у меня есть канал, где появляются менее объемные посты!

Робо-суставы. Погружение в анатомию, физику и сложности проектирования