Эта яркая, свежевыкрашенная машина (я про робота, конечно), точно повторяет одно и то же движение по три смены в день , пять лет подряд без капремонта. Современный промышленный манипулятор — само совершенство, но кто его изобрел?

Если коротко, то никто. Точнее, никто конкретный.

В запястье этой роборуки скрыта передача, которую в 1955 году придумал инженер американской обувной компании.В основании стоит редуктор, запатентованный немецким инженером, который еще до Второй мировой продал лицензию в Японию. В контроллере крутится математика, которую формализовал стэнфордский ученый в 1968-м для защиты диссертации. На в локте используется балансир, который крановщики знали еще в XIX веке, а в каждом суставе — инвертированный тормоз, изобретение лифтостроителей 1900-х. Эти люди не были знакомы, и все же их изобретения работают вместе, будто созданы друг для друга.

Промышленный робот — сумма остроумных инженерных решений, упакованных в машину, с настолько удачной конструкцией, что она принципиально не менялась десятилетиями. Переделывать ее никто не берется. Сегодня я проведу вас по этой руке от основания до инструментального фланца и покажу красоту мысли ее создателей.

Кто подарил роботу руку

Начнем с человека, который первым применил программируемое механическое движение для решения промышленной задачи.

К 1947 году у американского инженера Джорджа Девола (George Devol) за плечами уже было несколько изобретений, например, оптическая запись звуковых дорожек на кинопленку и автоматические фотоэлектрические двери. Ничего революционного, если не считать пока еще сырой идеи машины, которая повторяет заданную последовательность действий, считывая ее с магнитного барабана. Заявку на патент Девол подал только через семь лет, и еще семь ушло на бюрократические проволочки. Заветную бумагу под номером US 2,988,237 он получил лишь в 1961 году.

Сам Девол на этом мог бы и остановиться: он был изобретателем, а не бизнесменом, но в 1956-м на коктейльной вечеринке его познакомили с Джозефом Энгельбергером (Joseph Engelberger), инженером из Manning, Maxwell and Moore. Энгельбергер был поклонником Айзека Азимова и хорошо понимал, что такое робот. Он и сам подумывал когда-нибудь сконструировать такую машину, и вдруг узнал, что Девол уже занимается чем-то похожим.

Слово за слово, и через несколько лет они основали Unimation Inc., первую в мире компанию-производителя промышленных роботов. К моменту выдачи патента у них уже были готовы чертежи манипуляторов, способных перемещать грузы массой до 227 килограммов по заранее записанной программе (по факту первые Unimate поднимали примерно 45 кг, но кого это волнует?).

В 1961-м на заводе Inland Fisher Guide компании General Motors в Юинг-Тауншип, штат Нью-Джерси, заработал первый серийный манипулятор Unimate 1900. Он вынимал раскаленные алюминиевые отливки из формовочной машины и складывал в охлаждающие лотки. Люди эту работу просто ненавидели из-за токсичных паров и высоких температур, а робот даже не жаловался.

В основу манипуляторов Unimate легла гидравлика, но несмотря на скачки давления и колебания вязкости гидравлической жидкости, конструкторам удалось добиться повторяемости движений вплоть до 1 мм, и такой робот находил покупателей.

Unimation совершенствовала манипулятор еще двадцать лет. Затем компанию купила Westinghouse, а в 1988-м перепродала швейцарской Stäubli.

Девол умер в 2011-м в возрасте 99 лет, Энгельбергер — в 2015-м. С 1977 года Robotic Industries Association ежегодно вручает премию имени Энгельбергера, которая считается эквивалентом Нобеля в индустрии. Каждый робот, который сегодня варит кузов на автозаводе, — потомок их машины 1961 года, пускай и дальний.

Отцы-кинематики

Шестиосевые промышленные манипуляторы в их современном виде появились благодаря Виктору Шейнману (Victor Scheinman) и Дональду Пиперу (Donald Pieper). Они оба работали в Стэнфордской лаборатории искусственного интеллекта (SAIL) в одни и те же годы, причём у одного и того же научного руководителя — Бернарда Рота. Шейнман занимался железом, Пипер — математикой, и они с разных сторон решали одну и ту же задачу.

В 1968-м Пипер защитил в SAIL диссертацию «The Kinematics of Manipulators under Computer Control», также известную как Stanford AI Lab Memo AIM-72. В ней он доказал: обратную кинематику шестиосевой руки можно свести к замкнутой формуле, если три из шести осей пересекаются в одной точке или три соседние оси параллельны. Условие так и назвали: критерий Пипера (Pieper criterion).

Что это вообще значит?

Прямая кинематика отвечает на вопрос: “Если повернуть суставы роборуки на заданные углы, где окажется зажатый в ней инструмент?” Обратная кинематика решает противоположную задачу: рассчитывает на сколько градусов нужно повернуть каждый сустав робота, чтобы инструмент оказался в нужной точке. Для компьютера это система уравнений с шестью переменными, и кучей ограничений, связанных с конструкцией робота.

До Пипера обратную кинематику обычно решали итерационным поиском: контроллер пробовал комбинации углов и сходился к ответу за сотни шагов. Эта масса операций занимала уйму времени, так что о быстрых движениях нечего было и мечтать. Пипер доказал, что если дать роботу сферическое запястье, задачу можно свести к одной формуле. На компьютере той эпохи это означало миллисекунды вместо десятков секунд.

На своей диссертации Пипер не заработал ни цента. После защиты он опубликовал с Ротом ещё одну работу по кинематике и ушёл в General Electric. Публичности он, похоже, сторонился всю жизнь: даже фотографию в сети не сыщешь.

Идею Пипера подхватил Виктор Шейнман. У него была детская, по нынешним меркам, цель: собрать механическую руку, которая выполняет команды в реальном времени. Вот только тогда это означало, что движения придется рассчитывать на PDP-6, асинхронном 36-битном шкафу с адресным пространством около мегабайта. Размером он был с пол-комнаты, а по вычислительной мощности сопоставим с микроконтроллером в современной кофеварке.

Шейнман искал такую механическую схему, с которой справился бы его ультрасовременный мейнфрейм, и тут ему в руки попало решение Пипера.

Чтобы подвести инструмент в нужную точку пространства и с нужной ориентацией, роботу обычно нужны шесть степеней свободы: три задают положение инструмента, еще три — его поворот относительно детали. Это базовая механика, известная задолго до Пипера. С 1955-го такие цепи описывают параметризацией Денавита — Хартенберга. Шейнман придумал конкретное расположение суставов: R-R-P-R-R-R, где R — revolute (вращательный), P — prismatic (линейный).

Два вращательных шарнира у основания и плеча, один линейный (телескопический) в середине и три вращательных в запястье, сходящихся в одной точке, — ровно в соответствии с критерием Пипера. Линейный шарнир в середине еще сильнее упрощал расчет обратной кинематики. Вместе со сферическим запястьем (оно не буквально круглое, просто так называется) это позволяло свести расчет к нескольким арифметическим операциям, с которыми PDP-6 справлялся за короткое время.

Манипулятор Шейнмана сегодня известен как Stanford Arm.

Роборуку приводили в движение электродвигатели постоянного тока с волновыми и прямозубыми редукторами. Обратная связь шла по двум каналам: положение считывали потенциометры, скорость — аналоговые тахометры. На каждом шарнире стоял электромеханический тормоз, а на запястье — захват и шестиосевой датчик силы.

В 1973-м Шейнман основал собственную компанию Vicarm и довел Stanford Arm до коммерческого вида. В 1977-м Vicarm купила Unimation и по заказу General Motors развернула на этой основе серию манипуляторов PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly). Первая модель вышла в 1978-м, а PUMA 560 стала промышленным стандартом 1970–1980-х годов и с тех пор фигурирует едва ли не в каждом учебнике робототехники как пример классической антропоморфной кинематики.

К концу семидесятых компьютеры поумнели, и линейный сустав стал не нужен. Конструкторы перешли на полностью вращательную схему R-R-R-R-R-R: она оказалась практичнее и точнее.

После Unimation в 1980-м Шейнман стал одним из девяти сооснователей компании Automatix. Там он снова столкнулся с Дональдом Пипером. В итоге они все-таки сошлись как партнёры по бизнесу. Позже Шейнман консультировал Yaskawa и до конца жизни преподавал в Стэнфорде. Он умер в 2016-м в возрасте 73 лет. К тому моменту его кинематику унаследовали миллионы роботов по всему миру.

Внутри сустава промышленного робота

Благодаря Шейнману и Пиперу сформировался этакий кинематический канон из шести суставов. В каждом из них примерно один и тот же набор деталей: электродвигатель, тормоз, редуктор, выходной вал, подшипник, один или два датчика положения на отдельной плате, куда со временем перенесли и контроллер. Семь компонентов на сустав, шесть суставов на руку — итого условные сорок два узла. Но у каждого из них свои конструктивные нюансы и хитрости.

Конечно, не все роборуки одинаковы. Тот же KR TITAN, например, снабжен сдвоенными приводами на первых трех осях, так что в общей сложности у него целых девять моторов. Но в этой статье мы рассмотрим в общих чертах каноническую конструкцию, не вдаваясь в особенности отдельных моделей манипуляторов.

Основа всего

Как можно догадаться, нижний сегмент — самая нагруженная часть промышленного манипулятора. J1 вращает всю руку, поэтому на этот сустав приходятся вес звеньев и полезной нагрузки, а также инерционные силы при разгоне и торможении. Например, у ABB IRB 6700, далеко не самого крупного шестиосевого робота, крутящий момент на выходе редуктора доходит до нескольких тысяч ньютон-метров — примерно столько же выдает двигатель грузовика на низких оборотах. И это штатный показатель, который сустав должен выдерживать тысячи циклов без заметного износа.

Поэтому основания промышленных роботов в отличие от алюминиевых корпусных деталей как правило делают чугунными. Чугун при той же геометрии в полтора — два с половиной раза жестче алюминия (модуль упругости 100–170 ГПа против 70 ГПа) и почти втрое плотнее. Эта масса работает противовесом, снижая динамические нагрузки на крепления робота, и гасит резонансные колебания.

Кроме того, в корпусах таких роботов есть неочевидная инженерная хитрость. Ребра жесткости здесь не образуют аккуратную прямоугольную сетку, а расходятся дугами и лучами.

Идея в том, чтобы усилить деталь там, где на нее приходится максимальная нагрузка, например в районе крепежных болтов.

До того как топологическая оптимизация и генеративный дизайн стали привычными инструментами в CAD/CAE-пакетах, такую форму искали с помощью метода конечных элементов (МКЭ) и ручных итераций: рассчитывали напряжения и деформации, усиливали слабые места, затем пересчитывали снова. И надо отметить, что результат получался очень близким к тому, что дают современные методы.

J1: сто лет одного редуктора

Чтобы сделать робота устойчивым и точным, инженеры вложили массу усилий в проектирование основания, но еще больше сил понадобилось, чтобы наделить теми же свойствами подвижные соединения. На это ушел почти век.

Редуктор, о котором пойдет речь, вообще-то придумали в 1925 году. До робототехники в ее нынешнем виде оставалось еще пятьдесят лет, а до первых промышленных манипуляторов — каких-то тридцать пять. Никто, включая самого конструктора, и не подозревал, что его идея однажды попадет в роборуку.

Создателя этого механизма звали Лоренц Брарен (Lorenz Braren). Вдохновившись затвором фотоаппарата COMPUR, он запатентовал красивую конструкцию где посаженный на эксцентрик диск с волнистым профилем прокатывается по роликам охватывающего кольца — отсюда и название «циклоидальная передача».

При небольших габаритах передаточное число такого редуктора получается очень высоким и, что важнее для робототехники, он хорошо переносит ударные нагрузки, на которых обычная зубчатка сломала бы зубья.

В 1931 году Брарен основал в Мюнхене компанию Cyclo GmbH и начал ставить свои редукторы в приводы конвейеров и станков. В 1938-м он лицензировал технологию японской компании, которая позже вошла в Sumitomo Heavy Industries. Sumitomo до сих пор продает линейку этих мотор-редукторов под маркой Cyclo Drive.

Больше сорока лет изобретение Брарена работало в станках, пока в 1980-х на него не обратили внимания инженеры другой японской компании, Teijin Seiki. Они искали редуктор для промышленного манипулятора и предъявляли жесткие требования сразу по трем пунктам: высокая точность позиционирования, минимальный люфт и способность выдерживать изгибающие нагрузки в суставе.

Циклоидальная передача подходила, но не совсем. В Teijin Seiki переделали ее, и в 1986 году в серию пошел RV-редуктор (от англ. rotation vector).

В сентябре 2003-го Teijin Seiki Co., Ltd. и Nabco Ltd. объединились, образовав компанию Nabtesco, которая сегодня поставляет RV-редукторы практически всем крупным производителям промышленных роботов в мире. По разным оценкам, она занимает около 60% мирового рынка редукторов для промышленных роботов.

Посмотрим на конструкцию поближе. Обычный редуктор устроен как коробка передач. Входной вал, выходной вал, а внутри шестерни: на вход приходит вращение от мотора, на выходе оно становится медленнее, но сильнее. Сам вал для компенсации нагрузок приходится дополнительно поддерживать подшипниками. Все как в учебнике физики за третий класс (как это у вас не было физики?).

RV-редуктор в суставе робота устроен иначе. Сначала мотор через входную шестерню раскручивает несколько эксцентриковых валов — по сути маленьких коленвалов, расположенных вокруг центральной оси. На их смещенных осях устанавливают циклоидальные диски. Когда эксцентрики вращаются, диски не просто крутятся, а совершают орбитальное движение: словно «перекатываются» внутри охватывающего их кольца. Поверхность дисков волнистая, и по краям они взаимодействуют со штифтами или роликами.

Штифтов на один больше, чем выступов на циклоидальном диске, поэтому за один оборот эксцентриков диск смещается всего на один шаг. Быстрое вращение мотора превращается в медленное вращение выходного фланца с большим крутящим моментом. Но, как говорится, лучше один раз увидеть.

Два циклоидальных диска устанавливают со сдвигом по фазе (как же сложно сдержаться от глупых шуток), чтобы уравновесить внутренние силы и сделать ход ровнее. Нагрузка распределяется сразу по множеству контактных точек, поэтому RV-редуктор получается жестким и хорошо переносит удары. Конструкция сложная и дорогая, зато в тяжелых суставах промышленных роботов она ведет себя предсказуемо и выдерживает годы работы под высокой нагрузкой.

J2 и J3: три способа обмануть гравитацию

Поднимаемся к плечу и локтю, туда, где робот должен непрерывно удерживать собственный вес в разных интересных положениях. Обычно сустав J2 поднимает и опускает плечо в вертикальной плоскости, а J3 задает угол локтя. Дальше расположены предплечье, запястье, инструмент и полезная нагрузка. У тяжелых роботов вроде ABB IRB 6700 один только груз в вытянутом положении может создавать на плече момент порядка нескольких тысяч ньютон-метров.

Формально, это меньше, чем на J1, но первый сустав вращает всю руку в вертикальной плоскости и в основном борется с инерцией при разгоне и торможении; а J2 и J3 должны удерживать конструкцию от падения вниз. Поэтому для плеча и локтя особенно важны редуктор, тормоза, балансировка и жесткость корпуса.

Здесь тоже используют циклоидальные RV-редукторы, но если просто повторить схему из основания робота, моторы окажутся под постоянной нагрузкой: им придется непрерывно удерживать руку от падения. Это расходует энергию, греет обмотки двигателей и ускоряет износ. Поэтому инженеры начали искать обходные пути и один за другим придумали три ловких трюка.

Трюк первый: перенести мотор

Если вы разберете современный промышленный манипулятор, то скорее всего не найдете двигатели там, где ожидаете их увидеть. Так мотор, приводящий локоть в движение, часто располагается в плече, а усилие передают, например через параллелограммный рычаг.

Если бы мотор стоял в локте, то его масса оказалась бы на дальнем конце рычага, и J2 пришлось бы удерживать не только предплечье с кистью, но и дополнительный вес мотора с редуктором локтя.

Это универсальное правило: все, что можно, стараются перенести ближе к основанию руки, а крутящий момент передают опосредованно, пусть и ценой усложнения механики. У робототехников в ходу разнообразные рычаги, ременные передачи и даже карданные валы.

Трюк второй: компенсатор гравитации

Даже без учета массы мотора на плечо все равно приходится значительная нагрузка. Хорошо, что инженеры давно умеют рассчитывать пружины так, чтобы те компенсировали момент силы тяжести по мере опускания груза. Уже на фабриках XIX века это было стандартной частью кранового хозяйства, и промышленная робототехника позаимствовала эти решения.

Внутри стального кожуха устанавливают мощную витую пружину, а ее шток через шарнирный узел соединяют с поворотной колонной и плечевым звеном. По мере опускания руки пружина сжимается и накапливает потенциальную энергию, а когда рука поднимается — отдает ее. Геометрия шкивов и тяг подобрана так, что усилие пружины меняется нелинейно и в каждой точке примерно соответсвует гравитационному моменту на второй оси.

Альтернативный подход — гидропневматический противовес. Стальной баллон заполняют азотом под высоким давлением, шток через сальник выходит наружу и шаровым шарниром крепится к плечу. По мере выхода штока объем газовой камеры растет, давление падает, и усилие меняется по нелинейной кривой. Эта кривая получается более плавной, чем у пружины, и за счет этого газовый цилиндр лучше работает на тяжелых машинах. KUKA ставит такие балансиры, например, на роботов серии TITAN — одного из них вы видели в начале статьи.

В результате для мотора рука становится практически невесомой, а дополнительное усилие требуется только для преодоления инерции и удержания полезной нагрузки.

Трюк третий: программная компенсация прогиба

Третий лайфхак появился в 2010-х, и хотя он самый молодой, но не менее важный для повышения точности и повторяемости движений робота.

На валу двигателя оси J3 устанавливают энкодер высокого разрешения, выдающий миллионы «тиков» за оборот мотора: по его показаниям сервопривод управляет положением и скоростью мотора.

Второй датчик находится после редуктора и измеряет фактический угол звена. Контроллер приводит оба показания к одной системе координат, учитывая передаточное отношение и калибровочные параметры, а затем сравнивает расчетное и реальное положение сустава. По разности определяют степень упругой деформации, гистерезиса и других ошибок трансмиссии. Эту информацию используют для компенсации позиционной погрешности и подавления колебаний.

Эта штука в спецификациях тяжелых промышленных роботов упоминается мелким шрифтом, а на деле дает прирост абсолютной точности на 70–80%. Так что к устройству редукторов мы еще вернемся.

Запястье как средоточие всего

Это, пожалуй, самая сложная часть роборуки. Три оси, три редуктора, два-три энкодера, кабельный пучок к инструменту, иногда еще и отдельные пневматические каналы.

Порой все это умудряются упаковать в объем размером с кулак взрослого человека. У компактных манипуляторов вроде UR3, KUKA KR 6 и FANUC LR Mate 200iD запястье весит меньше двух килограммов и при этом обеспечивает позиционирование с повторяемостью до сотых долей миллиметра.

Запястье — концентрат инженерной философии промышленного робота, место с самой высокой плотностью накопленных хитростей.

Уолтон Мусер, обувная компания и Луна

На J1, J2 и J3 ставят циклоидальные RV-редукторы, а в запястье используют другой тип — волновую передачу, которую также называют гармонической. У этого изобретения тоже есть биография, но в коротком пересказе она звучит как байка.

В 1955 году американский инженер Уолтон Мусер (C. Walton Musser) изобрел, а в 1957-м публично представил концепцию принципиально новой передачи. Работал он на тот момент в United Shoe Machinery Corporation.

До сих пор поговаривают, что Мусер работал над станком для пошива ботинок, но корпорация, несмотря на название, выполняла в том числе военные контракты, а на счету самого Мусера уже были патенты на артиллерийские узлы для нужд армии США.

Патент US 2,906,143 на гармоническую передачу Мусер получил в 1959 году.

В основе ноу-хау Мусера всего три детали: овальный кулачок, или генератор волн (wave generator), гибкая чашка с зубьями по краю и охватывающее ее зубчатое кольцо.

Когда мотор вращает кулачок, тот создает в гибкой чашке волну деформации. Чашка упруго принимает форму эллипса и по длинной оси прижимается зубьями к жесткой внешней шестерне, в то время как по короткой оси зубья, наоборот, выходят из зацепления.

Хитрость в том, что у внешней шестерни чуть больше зубьев, чем у гибкой чашки. При 200 зубьях на гибкой детали и 202 на жестком кольце получается передаточное отношение 100:1: мотор делает сто оборотов, а на выходе получается только один.

Чтобы добится того-же с помощью обычного редуктора, потребуется уйма механики, а тут хватает одной компактной ступени и разницы в пару зубьев. Поэтому волновой редуктор получается легким, соосным и почти без люфта, что особенно ценно в роботах, где сустав должен остановиться в точно заданном положении.

Несколько редукторов Мусера купило NASA для своих роверов, по одному на колесо. В 1971 году миссии Apollo 15 астронавты катались благодаря по Луне именно благодаря им.

После космоса эта конструкция нашла место в военных разработках, затем в промышленности и только в 1980-х добралась до промышленных манипуляторов — туда, где ее ключевое свойство — практически нулевой люфт — пришлось весьма кстати.

Сегодня крупнейший производитель — японская Harmonic Drive Systems Inc., учрежденная в 1970-м как совместное предприятие Hasegawa Gear Works и USM. До недавнего времени у HDSI была фактическая монополия на этом рынке. За последние годы ее сильно потеснили китайские игроки, прежде всего Leaderdrive и Laifual. Цены у них ниже японских; независимых сравнительных тестов ресурса в открытых источниках я не нашел, но в реальной эксплуатации ресурс редукторов, похоже, сопоставим.

Со временем на гибкой шестерне появляются микротрещины, и механизм выходит из строя. Если бы такой редуктор стоял в плече, отказы случались бы регулярно, но в J4–J6 моменты небольшие, и эти редукторы служат долго.

Масляная ванна

Конечно, без обильной смазки здесь не обходится: корпус запястной сборки часто делают герметичным и примерно на треть или наполовину заполняют специальным редукторным маслом. Шестерни смазываются окунанием и разбрызгиванием. При каждом обороте часть зубьев проходит через масляную ванну, захватывает масло и разбрасывает его по корпусу.

Кабель в центре всего

При этом запястье конструируют дырявым, так, чтобы в центре оставался сквозной канал. Внутри проходит кабельный пучок к инструменту: силовые провода, сигнальные линии, иногда — пневматический шланг. У современных FANUC M-20iD диаметр этого отверстия составляет 57 миллиметров, чего хватает для сварочных клещей с водяным охлаждением и любой пневматики. Такая архитектура — hollow wrist — описана еще в патенте US 4,402,234 от 1983 года.

Если пустить провода снаружи руки, при каждом вращении J4 кабель будет наматываться, затем разматываться и довольно скоро перетрется, но даже внутри центрального канала каждая жила проходит не строго по оси, а на некотором расстоянии от нее — и поэтому испытывает дополнительную нагрузку.Поэтому во всех более-менее серьезных промышленных роботах кабель предварительно скручивают «с запасом» на несколько оборотов в одну сторону.

Когда J4 начинает вращаться в рабочую сторону, скрутка распускается: кабель «отдает» запас, заложенный при сборке.

Тормоза наоборот

С движениями разобрались. Остался разговор про то, что держит руку в покое, когда моторы отключаются. Если бы тормоза делали по очевидной схеме (электромагнит сжимает диски: ток подан — ось зафиксирована, ток снят — ось свободна), то при отключении питания робот ронял груз и падал на землю, как марионетка.

Поэтому тормоза в промышленных роботах сделаны наоборот. Пружина постоянно держит фрикционные диски сжатыми, а электромагнит при подаче тока размыкает пакет, преодолевая ее усилие. Если пропало питание, оборвался кабель или перегорел предохранитель, тормоз тут же зажимается пружиной.

Это одна из тех идей, которые появились в индустриальных приводах в 1890–1900-х. К тому моменту, когда промышленная робототехника стала серьезной отраслью, такой тормоз уже был распространенным решением. Производители тормозов (Kendrion, Mayr, KEB) ставили их на лифты, а робототехника эту практику унаследовала, адаптировав ее и уменьшив размеры механизмов.

Куда поставить тормоз — вроде бы мелочь, а на самом деле от этого решения зависят масса и динамика робота. Если поставить тормоз на выходной вал редуктора, ему придется удерживать тот же момент, что приложен к самому суставу. Тормоз получится тяжелым, дорогим и, возможно, вообще не поместится в корпусе сустава. А вот если поставить его на хвостовик мотора, до редуктора, ситуация меняется. Передаточное число редуктора умножает не только крутящий момент мотора в сторону вала, но и тормозной момент в обратную сторону. Компактный тормозной диск на хвостовике мотора держит, условно, 5 Н·м. После редуктора с передаточным отношением 150:1 это превращается в 750 Н·м на оси сустава, и в результате маленький тормоз делает работу большого.

Где находится моя рука?

Удержание положения, повтор траектории и возвращение инструмента в нужную точку — все это требует одного: контроллер должен знать точный угол каждого из шести суставов с точностью в десятые-сотые доли градуса. На длине двухметровой руки сотая доля градуса отклонения в плече превращается в треть миллиметра на конце инструмента. Источник этого знания — энкодер, датчик углового положения.

Один из самых простых энкодеров — инкрементальный оптический. На вал мотора надевают диск с прорезями, а светодиод и фотодатчик считают, сколько прорезей прошло мимо. Каждая прорезь обозначает известный угловой шаг. Чтобы получить получаешь угол поворота от точки отсчета, достаточно их просто сложить.

Однако тут есть проблема: отсчет ведется только до тех пор, пока есть питание. Выключил — счет сбросился. Включил — счетчик стоит на нуле, а робот — в произвольной позе. Чтобы привязать показания энкодера к реальному положению оси, нужно выполнить хоминг: медленно подвести каждую ось к концевому датчику, который скажет: «Вот здесь ноль».

Для трехмерного принтера это нормально, но такая калибровка шестиосевой руки занимает несколько минут на ось — от десяти минут до получаса в сумме. На производственной линии, где минута простоя стоит сотни а то и тысячи долларов, это, мягко говоря, расточительно. Поэтому в промышленных роботах применяют абсолютные энкодеры. На диске каждая угловая позиция закодирована уникальным узором прорезей или магнитных меток.

Контроллер не считает шаги от нуля, а сразу читает текущий угол. Это удобно, дорого, и здесь есть нюанс: абсолютный энкодер обычно фиксирует положение только в пределах одного оборота. Если мотор за время выключения провернулся на несколько оборотов под нагрузкой, нужно дополнительно учесть, на сколько именно. Здесь и расходятся два подхода.

Японская школа

FANUC решает задачу с помощью многооборотного абсолютного энкодера с резервным питанием. Сам энкодер измеряет угол внутри одного оборота, а отдельный электронный счетчик учитывает количество полных оборотов мотора.

Включаешь робота, и он знает точное положение всех осей с первой миллисекунды. Это особенно важно для конвейерных линий, где роборуки стоят в узких клетках или работают в плотном окружении других роботов: концевики там физически трудно разместить, а хоминг осложнен.

Цена решения — зависимость от батарейки. У FANUC по регламенту их меняют раз в один-три года. Если питание счетчика все-таки потеряно, технический специалист ставит робота в калибровочную позу. Для этого на корпусах нанесены специальные метки. Затем специалист запускает соответствующую процедуру в контроллере, и робот заново привязывает показания энкодеров к реальному положению осей.

Немецкая школа

Немцы пошли другим путем. У KUKA в значительной части моделей вместо оптического энкодера стоит резольвер, аналоговый трансформаторный датчик угла. Этот принцип массово использовали в системах наведения артиллерии времен Второй мировой войны: статор с двумя катушками, ротор с одной, и все это в стальном корпусе. На ротор подается переменный ток, а в двух статорных катушках наводятся напряжения, амплитуды которых зависят от угла поворота по законам синуса и косинуса. Контроллер вычисляет арктангенс отношения этих двух напряжений и получает угол.

У резольвера два преимущества перед оптическим энкодером. Во-первых, в нем практически нечему ломаться, а во-вторых, ему не нужно резервное питание для запоминания положения. Резольвер всегда показывает текущий угол.Жаль только резольвер не может запомнить число полных оборотов, как и энкодер.

Проблема та же, что и у абсолютного энкодера: резольвер видит угол внутри одного оборота.

Полные обороты надо где-то хранить. KUKA отвела для этого EEPROM контроллера — область энергонезависимой памяти, которая не теряет данные при отключении.

Если за время простоя моторы провернулись под действием гравитации — так бывает, если тормоза по какой-то причине отпустились, — контроллер видит расхождение и поднимает тревогу. Чтобы исправить ситуацию, тоже потребуется обслуживание, но только если робот сбился с настроек, а не после плановой замены севшей батарейки.

Это, кстати, общая закономерность: у многих задач в робототехнике есть несколько равноценных решений. Нет «правильного» способа считать обороты мотора. Обе инженерные традиции, каждая со своей логикой, остаются востребованными на практике.

Железо от основания до фланца

На этом анатомический экскурс заканчивается: от чугунного основания до инструментального фланца, от идей 1925 года до конструкций XXI века, от Брарена до Мусера. Почти столетие, десяток инженерных школ, пять стран — и все для того, чтобы собрать одну механическую руку. Каждый, кто внес вклад в эту машину, стоял на плечах гигантов.

Представьте, как робот-бармен берет кружку и не раздавливает ее или как манипулятор на заводе за долю секунды переставляет очередную деталь — и так годами, без капремонта. В каждом их движении воплощен труд людей, которых разделяли границы и годы, но объединяла общая цель. То, что мы этого не замечаем, глядя на блестящий промышленный манипулятор в цеху, — лучший комплимент их работе.

Однако, то только начало. В типовом промышленном манипуляторе шесть редукторов. В роботе-гуманоиде Tesla Optimus третьего поколения — порядка 70 степеней свободы, причем 22 — только в одной кисти. Но вся эта механика опирается на общий фундамент.

Логика технического прогресса останется прежней. Отдельная команда не соберет такую машину с нуля за разумное время, сколь бы талантливой и многочисленной она ни была. Просто задача больше, чем может вместить одна голова, одно здание или даже одна страна.

Вряд ли через двадцать лет кто-то будет помнить имена инженеров, которые сейчас собирают новое поколение роботов. Но если в 2046-м гуманоиды будут так же незаметно работать на заводах, как сегодня делает свое дело RV-редуктор в основании сварочной руки, в этом не будет ничего удивительного. Просто снова каждый из тысяч людей по всему миру решит свою конкретную инженерную задачу и внесет вклад в общее дело.

В основе этого рассказа — патенты, сервис-мануалы ABB, KUKA и FANUC, учебники Спонга и Уолдрона, а также разговоры с инженерами-практиками.

Отдельная благодарность тем, кто прочитал черновик и помог проверить инженерную часть. Призер Intel ISEF Олег Зобов — главный инженер по робототехнике, ядро, Матвей Пантелеев, который работал над диспетчеризацией беспилотных БелАЗов, машинным зрением и SLAM. Кирилл Лундовских инженер-конструктор и роботехник, Илья Литик, который больше восьми лет разрабатывает робототехнические системы от подводных аппаратов и складских роботов до спутников.

Спасибо, что ловили технические неточности, указывали на чрезмерные упрощения и возвращали текст от красивых обобщений к реальному железу.

P.S. Если вам хочется увидеть мои новые статьи, подпишитесь на substack или телеграм.