Таким образом, проблема манипулятора, какой бы самостоятельной и усложненной она ни была, связывается с проблемой робота, имеющего возможность перемещения на плоскости или в пространстве, и с более сложной проблемой шагающего механизма. Кисть человека как сложная разомкнутая кинематическая цепь на практике может установить некоторый объект в произвольном положении в том пространстве, которое возможно для нее в каждом конкретном случае.
Как уже было указано, тело в свободном движении в трехмерном пространстве имеет шесть степеней свободы. Шесть степеней свободы можно описать как три движения вдоль трех взаимно перпендикулярных координатных осей и три поворота вокруг тех же осей. При выполнении этих условий рука может занять в пространстве требуемое место. Следовательно, и манипулятор должен прежде всего обладать шестью степенями свободы. Но этого недостаточно и для того, чтобы манипулятор имел возможность перенести некоторый предмет из одного положения в другое, ему нужно добавить еще седьмую степень свободы, а затем одну-две степени свободы, для того чтобы искусственная рука могла проходить через неудобные места.
Естественно, что каждая дополнительная степень свободы улучшает качество работы манипулятора, но дело заключается в том, что каждая степень свободы требует отдельного привода и увеличения сети управления, что само по себе может сказаться неблагоприятно.
Очень важно найти правильную структуру манипулятора. Его кинематическая цепь должна быть построена так, чтобы в результате сочленения его звеньев вся система имела запроектированное число степеней свободы. Так как цепь не замкнута, то количество звеньев равно числу всех пар, а число степеней свободы—тому числу, которое составляют все кинематические пары цепи. Таким образом, если цепь состоит из четырех звеньев, которые соединены тремя кинематическими парами четвертого класса (накладывающими по четыре связи и, следовательно, оставляющими по две степени свободы), а четвертое звено оборудовано захватом — парой пятого класса, то вся цепь имеет семь степеней свободы. Такая структура может быть использована при построении манипулятора. Конечно, подобное решение —лишь упрощенный пример, но сущность его от этого не меняется: число степеней свободы незамкнутой кинематической цепи—манипулятора должно равняться сумме степеней свободы кинематических пар. Кроме того, задача усложняется еще и ориентацией манипулятора, зависящей от его конструкции. Захват механической руки может действовать в каждой точке пространства, что определяется суммой длин звеньев, составляющих цепь манипулятора, однако возможности последнего в различных точках рабочего пространства неодинаковы: рабочая зона некоторой модели может не соответствовать рабочей зоне другой модели, хотя бы и с подобными параметрами.
Поле возможного оперирования увеличивается для механической руки при помощи ходовой части робота. Ее конструкция может не намного отличаться от конструкции передвижных кранов; здесь важно то, что робот может обслужить полностью все то пространство, которое должно находиться в пределах его досягаемости. Однако существуют и такие машины, для которых обычный монтаж уже не является приемлемым; зачастую случается, что машины некоторых типов, например экскаваторы, должны работать или в условиях очень плохих дорог, или при полном бездорожье. В этих случаях приходится прибегать к новым типам механизмов — к шагающим механизмам. История их создания начинается в последней четверти прошлого века, среди иных механизмов появился прообраз шагающего механизма — «стопоходящая» машина Чебышева. Однако использованные здесь так называемые лямбдаподобные механизмы с одним ведущим звеном могли обеспечить лишь постоянные траектории и не могли учитывать изменения своего пути. Все же, как писали изобретатели первых шагающих механизмов, идея их создания была ими заимствована у Чебышева.
«Стопоходящая» машина должна была копировать движения конечностей человека и животных. Но такие «траекторные» машины имели очень сложную кинематическую схему и не приспосабливались к условиям пути. Для того чтобы машина могла «чувствовать» путь и приспособляться к нему, вводятся соответствующие изменения в схему механизма. Среди разных предложенных систем встречаются очень любопытные решения, например введение синхронно работающих шестнадцати «лап», размещенных по четыре в каждом углу шасси.
Не все предложенные модели оказались приемлемыми в том или ином смысле: слишком многим условиям должны удовлетворять механизмы ходьбы, а самое существенное заключается в том, что они должны быть устойчивыми в любом положении и порядок включения отдельных опорных элементов должен быть строго синхронизирован. Нужно сказать, что в поисках оптимального решения исследователи используют результаты биомеханики и бионики: здесь опять-таки приходится искать подходящее решение у природы.
Выше мы говорили о том, что структурные решения не всегда оказываются приемлемыми и не всегда механизм, построенный правильно, оказывается работоспособным. Но дело не только в этом. Ведь схемы остаются схемами до тех пор, пока не будет доказано, что они удовлетворяют кинематическим и динамическим требованиям, и лишь после этого может встать вопрос о поисках материалов для изготовления звеньев в виде реальных физических тел. Каждый механизм должен иметь возможность передавать и в большинстве случаев преобразовывать движение так, чтобы ведомое звено обладало заранее обусловленными кинематическими и динамическими параметрами. После того как построена правильная кинематическая цепь, надо определить скорости и ускорения всех точек, которые могут интересовать конструктора, а также угловые скорости и угловые ускорения его звеньев. Найденные величины скоростей дадут возможность определить передаточные отношения соответствующих механизмов.
Таким образом, исследование структуры механизма — лишь первый этап изучения той схемы, которая в дальнейшем приведет к созданию и механизма и затем всей машины. Это в том случае, если механизм уже находится в нашем распоряжении и нужно проверить его пригодность для предписанных ему целей. В таком случае решение однозначно, так как структурный скелет машины един, и если мы даже применим к машине разные структурные разбиения и применим к ней какую-либо «неортодоксальную» структурную систему, все равно результат будет одним и тем же.
Противоположная задача — построение механизма по заданным условиям является принципиально иной; как уже говорилось, она многозначна. Для решения одной и той же кинематической задачи можно использовать различные схемы механизмов, они могут содержать в своем составе и разные кинематические пары. Кроме того, при этом необходимо учитывать также самые различные динамические параметры (технологические и экономические условия, требования обслуживания и ремонт, требования надежности и долговечности, а также многие другие условия) в каждом конкретном случае.
Как показал опыт конструкторской работы, в этих случаях значительную помощь могла бы оказать классификация механизмов по функциональным признакам, к такому решению пришел и сам Артоболевский, а его последователь — известный советский механик Сергей Николаевич Кожевников — предложил следующую классификацию механизмов по функциональным признакам: механизмы для сообщения ведомому звену вращения с постоянной угловой скоростью (зубчатые передачи, фрикционные передачи с цилиндрическими и коническими катками, ременные, канатные и цепные, червячные, шариковые); механизмы для сообщения ведомому звену вращения с эпизодически ступенчато изменяющейся угловой скоростью (коробки скоростей из зубчатых колес, ступенчатая ременная и цепная передачи); механизмы для сообщения ведомому звену вращения с переменной угловой скоростью — реверсивные и нереверсивные (передачи некруглыми зубчатыми колесами, некруглыми шкивами, кулачковые механизмы с качающимся коромыслом, двухкривошипные четырехзвенные механизмы, механизмы с вращающейся кулисой, рычажно-зубчатые, кулачково-зубчатые); механизмы для бесступенчатого изменения скорости ведомого звена (гидравлические и фрикционные передачи, передачи гибкой связью, жесткие бесступенчатые); механизмы для сообщения возвратно-поступательного движения с постоянной скоростью (зубчатое колесо и червяк или рейка, гидравлические передачи), а также рычажные механизмы, осуществляющие приближенно движение с постоянной скоростью на некотором участке); механизмы для сообщения ведомому звену движения с увеличенной средней скоростью обратного хода (различные рычажные механизмы, в частности кулисные); механизмы с регулируемым ходом ведомого звена; направляющие механизмы (точные и приближенные) ; механизмы для движения с остановками (храповые и анкерные, мальтийские и звездчатые, рычажные, кулачковые) ; реверсные механизмы, дающие возможность изменять направление вращения или поступательного движения ведомого звена (ременные и гидравлические, фрикционные передачи); компенсирующие и уравнительные механизмы; предохранительные механизмы; суммирующие механизмы и дифференциалы; механизмы для выполнения различных математических операций и для воспроизведения функциональных зависимостей; механизмы регуляторов и модераторов; механизмы с автоматическим регулированием скорости ведомого звена при изменении нагрузки; механизмы управления.