Захватное устройство

Захватное устройство относится к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам робототехники и предназначено для захвата и удержания предметов разнообразной формы, для выполнения различных технологических операций, в том числе, со специализированным электроинструментом, автоматизации высокоточных сборочных операций, требующих «очувствления» и визуальной информации в ходе операции. Захватное устройство состоит из корпуса, выполненного из алюминиевого сплава, с установленными в нем: электромеханической сборкой, состоящей из бесколлекторного электродвигателя со встроенным датчиком Холла и планетарного редуктора; системой управления захватом, состоящей из микропроцессорного контроллера с платами обработки информации от сенсорных устройств. Захват оснащен шестикомпонентным датчиком сил и моментов, датчиками касания и усилия, датчиком измерения угла раскрытия губок, двумя телекамерами и осветителями, датчиками температуры и нагревательными элементами. Движение губок захвата осуществляется от электромеханической сборки через передачу винт-гайка, зубчатую рейку, зубчатые сектора, систему рычагов. На торце захватного устройства расположен конусный фланец с электрическими соединителями, с помощью которого осуществляется стыковка с аналогично устроенными электромеханическими изделиями. Электрический информационный и питающий кабель проложен внутри корпуса.

Захватное устройство относится к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам робототехники и предназначено для захвата и удержания предметов разнообразной формы, для выполнения различных технологических операций, автоматизации высокоточных сборочных операций, требующих «очувствления» и визуальной информации в ходе операции.

Известен схват манипулятора, патент РФ 2381892, который относится к робототехнике и может быть использован в машиностроении. Схват манипулятора содержит корпус, зажимные элементы, ходовые винты, кинематически связанные с ведущим и ведомыми коническими зубчатыми колесами и электродвигателем, закрепленным на корпусе. Ведущее коническое зубчатое колесо одето на вал электродвигателя. Ходовые винты расположены соосно в центральном отверстии ведомых конических зубчатых колес с возможностью осевого перемещения. Зажимные элементы закреплены на двух ходовых винтах. Ведущее и ведомые конические зубчатые колеса расположены в перпендикулярных плоскостях. Корпус снабжен крышкой, имеющей направляющий паз для движения зажимных элементов. Изобретение позволит повысить точность и надежность захватывания и удержания объектов различной формы, расширить технологические возможности схвата по перемещению объектов.

Недостатками данного схвата являются: низкая информативность захвата и невозможность использования его в автоматическом режиме, поскольку отсутствуют средства измерения ширины раскрытия губок; невозможность контроля усилия зажима зажимных элементов, связанная с отсутствием контактных датчиков усилия на них, что в совокупности с неконтролируемым током двигателя может привести к повреждению зажимаемого предмета и к заклиниванию механизма захватного устройства; низкая надежность захвата, связанная с высокой вероятностью заклинки механизма при зажиме предмета; низкая безопасность использования захвата по отношению к окружающим объектам, обусловленные отсутствием средств контроля столкновений с ними при наведении и ориентации захватного устройства на предмет; фиксированный узкий температурный диапазон работы захвата, обусловленный точностью изготовления направляющих пазов и рабочим температурным диапазоном двигателя, а также отсутствием средств поддержания рабочей температуры, низкая скорость выполнения технологических операций, связанная с отсутствием у оператора достаточной информации о ходе процесса захвата и необходимости дополнительных средств контроля.

За прототип выбран схват манипулятора, патент РФ 2347674, относящийся к машиностроению, а именно к захватным устройствам промышленных роботов и манипуляторов, предназначенных для автоматизации технологических процессов сборки и перемещения деталей. Схват содержит корпус, зажимные элементы, кинематически связанные между собой зубчатой передачей, и зубчатые колеса, сблокированные на одной оси и представляющие собой шестерню и червячное колесо. Схват также содержит цилиндрический прямозубый редукционный механизм, содержащий кольцевые зубчатые сегменты, выполненные с внутренним и внешним зацеплением с обеспечением кинематической связи с шестерней и движения по выполненным в корпусе направляющим элементам боковых поверхностей и проточкам. При этом червяк, вращающий червячное колесо, одет на вал электродвигателя, закрепленного на корпусе схвата с проточками, в котором смонтирован прижимной ролик. Зажимные элементы выполнены сменными и закреплены штифтами на кольцевых зубчатых сегментах.

Недостатком данного схвата является невозможность его использования при выполнении технологических операций, связанных с контролем и регулировкой сил и моментов из-за отсутствия шести компонентного датчика сил и моментов, отсутствие контроля состояния схвата (открыт-закрыт) и наличия предмета в схвате, вследствие отсутствия сенсорных устройств и видеокамер, отсутствие встроенной системы управления охватом.

Задачами предложенной полезной модели являются: повышение надежности захвата и удержания предметов разнообразной формы, повышение безопасности захвата предмета и безопасности использования захватного устройства при его наведении и ориентации на захватываемый предмет, расширение рабочего температурного диапазона захватного устройства, ускорение выполнения технологических операций за счет предоставления оператору более полной информации о процессе захвата и удержания предмета, а также введение возможности полной автоматизации процесса захвата предмета.

Предложено захватное устройство, содержащее основной корпус, зажимные элементы (губки), кинематически связанные между собой зубчатой передачей, встроенную систему управления захватом. В промежуточном корпусе установлены: электромеханическая сборка, состоящая из бесколлекторного электродвигателя со встроенным датчиком Холла и планетарного редуктора; пара зубчатых колес, образующих согласующую зубчатую передачу, зубчатая рейка, имеющая два зубчатых венца с различными модулями и резьбу, участвующую в передаче винт-гайка. Зубчатые венцы рейки входят в зацепление с цилиндрическими зубчатыми секторами, жестко связанными с парой рычагов, вращающихся вокруг неподвижных осей, закрепленных в замыкающем корпусе, приводящими в движение губки для захватывания предметов; поступательное движение губок обеспечивается второй парой рычагов; на промежуточном корпусе закреплен датчик Холла, который измеряет угол поворота цилиндрического зубчатого колеса, входящего в зацепление с зубчатой рейкой, соответствующего ширине раскрытия губок. На контактной поверхности губок, а так же на торце замыкающего корпуса со стороны губок, установлены датчики касания, дающие информацию о факте касания губкой предмета, о величине усилия в контакте и ориентации предмета относительно губок. Там же на губках имеются пружинные контакты, обеспечивающие электрическую стыковку захватного устройства со специализированным рабочим электроинструментом или контактами зарядного устройства. Около системы управления, электромеханической сборки и платы датчика Холла размещены резистивные нагревательные элементы и датчики температуры. На торце основного корпуса захватного устройства расположен конусный фланец с электрическими соединителями для закрепления захватного устройства. Между основным и замыкающим корпусами захватного устройства встроен шестикомпонентный датчик сил и моментов, предназначенный для контроля сил и моментов, возникающих при работе с предметами при выполнении технологических операций. Телекамеры установлены на корпусе захватного устройства по обе стороны плоскости хода губок и направлены в сторону губок для оценки положения и ориентации захватного устройства относительно захватываемого предмета. Рядом с телекамерами установлены осветители, по два на каждую камеру. Электрическая стыковка захватного устройства осуществляется электрическими соединителями, жестко закрепленными на торце конусного фланца.

На фиг.1 и фиг.2 изображено захватное устройство в разрезе. Захватное устройство состоит из промежуточного корпуса 1, в котором закреплена электромеханическая сборка 2, состоящая из бесколлекторного двигателя со встроенным датчиком Холла и планетарного редуктора; встроенной системы управления, состоящей из платы управления захватным устройством с микропроцессорным контроллером 3, платы обработки сигналов 4 шестикомпонентного датчика сил и моментов 5, платы обработки сигналов датчиков касания 6; основного корпуса 7 и замыкающего корпуса 8. На выходном валу электромеханической сборки закреплена шестерня 9 согласующей зубчатой передачи, зубчатое колесо 10 которой, через самотормозящееся винтовое соединение сообщает прямолинейное движение зубчатой рейке 11. Зубчатая рейка имеет два зубчатых венца 12 и 13 с различными модулями. Зубчатый венец 12 входит в зацепление с двумя зубчатыми цилиндрическими секторами 14, вращающимися вокруг неподвижных осей 15, установленных в замыкающем корпусе 8, и жестко соединенными с двумя рычагами 16, которые, с помощью двух рычагов 17, обеспечивают плоско-параллельное движение губок 18. Зубчатый венец 13 входит в зацепление с трибкой 19, с установленным на ней магнитом, который вместе с датчиком Холла 20, образует датчик ширины раскрытия губок. На контактной поверхности губок, а так же на торце замыкающего корпуса 8 со стороны губок, установлены тензорезисторные датчики касания 21, дающие информацию о факте касания губкой предмета, о величине усилия в контакте и ориентации предмета относительно губок. Там же на губках имеются пружинные контакты 22, обеспечивающие электрическую стыковку захватного устройства со специализированным электроинструментом или контактами зарядного устройства. Ширина губок удовлетворяет требованиям минимизации массогабаритных характеристик захватного устройства, при этом обеспечивается надежная фиксация инструмента и контактной площадки зарядного устройства. Конструкция губок обеспечивает механическую защиту датчиков касания, пружинных контактов и их проводов, а также придает конструкции захватного устройства необходимую жесткость. Телекамеры 23 установлены на основном корпусе 7 по обе стороны плоскости хода губок и направлены в сторону губок для оценки положения и ориентации захватного устройства относительно захватываемого предмета. Рядом с камерами установлены осветители 24, по два на каждую камеру, которые освещают рабочую зону захватного устройства в условиях недостаточной освещенности и используются для подогрева камеры до рабочей температуры. Около системы управления, электромеханической сборки и платы датчика Холла размещены резистивные нагревательные элементы 25 и датчики температуры 26. На торце основного корпуса 7 захватного устройства расположен конусный фланец 27 с электрическими соединителями 28, с помощью которых осуществляется механическая и электрическая стыковка захватного устройства. Между основным и замыкающим корпусами встроен шестикомпонентный датчик сил и моментов 5, предназначенный для измерения сил и моментов, возникающих при работе с предметами при выполнении технологических операций. Плата обработки сигналов датчика сил и моментов 4, плата обработки контактных датчиков 6 и плата управления захватным устройством в целом 3 установлены на основном корпусе 7.

Управление захватным устройством осуществляется от центрального контроллера всего изделия. Обмен командами и информацией между центральным контроллером и контроллером захватного устройства реализуется по CAN сети, причем управление захватным устройством при выполнении технологических операций может осуществляться в ручном, супервизорном, автоматическом режимах при соответствующем программном обеспечении и использовании информации от датчиков захватного устройства. Перед началом работы центральный контроллер изделия опрашивает датчик температуры платы управления захватным устройством; в случае, если температура платы управления, ниже рабочей, на нагревательные элементы подается напряжение. Опрос датчика температуры продолжается до достижения рабочей температуры, после чего происходит подача питания на все элементы захватного устройства. Микропроцессорный контроллер платы управления загружается и опрашивает все температурные датчики захватного устройства. По достижении рабочих температур всеми исполнительными элементами, захватное устройство готово к работе. Оператор, в ручном режиме работы, имея видеоизображение рабочей зоны от двух телекамер, производит наведение и ориентацию захватного устройства на захватываемый предмет. В процессе наведения и ориентации, при касании предмета любым элементом захватного устройства шестикомпонентный датчик сил и моментов, после обработки данных платой, выдает в CAN сеть информацию о величине и направлении контактных сил и моментов. При касании предмета внутренней поверхностью губок либо торцевой поверхностью замыкающего корпуса, в том числе при зажиме губок, сигнал с датчиков касания обрабатывается соответствующей платой и в CAN сеть выдается информация о факте касания, величине контактного усилия и номере датчика касания. На основе этих данных оператор корректирует положение и ориентацию захватного устройства, а также управляющий сигнал, поступающий по CAN шине в микропроцессорный контроллер платы управления захватным устройством, выдающий широтно-модулированный сигнал на электродвигатель электромеханической сборки через усилитель с контролем фазного тока. С вала двигателя момент передается на планетарный редуктор электромеханической сборки, откуда через согласующую пару зубчатых колес и передачу винт-гайка преобразуется в прямолинейное движение зубчатой рейки. Через зубчатые цилиндрические сектора, вращающиеся вокруг осей, закрепленных в замыкающем корпусе, поступательное движение рейки преобразуется во вращательное движение пары рычагов. Вторая пара рычагов обеспечивает плоскопараллельное движение губок захватного устройства.

Задача повышения надежности захвата и удержания предметов разнообразной формы решается использованием плоскопараллельного движения губок захватного устройства с контролем фазного тока двигателя платой управления захватом исключающем заклинивание механизма, введением датчика ширины раскрытия губок охвата, позволяющим оператору оценить завершенность процесса захвата предмета, а также установкой датчиков касания в губках и на торцевой части замыкающего корпуса захватного устройства позволяющих оценить достаточность развитого захватным устройством зажимного усилия для удержания предмета и его распределение по губкам.

Задача расширения рабочего температурного диапазона захватного устройства решена введением нагревательных элементов рядом с платой управления захватным устройством и электромеханической сборкой, осуществляющих их нагрев при низких температурах, датчиков температуры, позволяющих контролировать момент включения и отключения нагревателей, момент подачи питания на захватное устройство, а также использованием микропроцессорного контроллера в составе платы управления захватом для опроса датчиков температуры и выдачи информации о необходимости подогрева в CAN сеть.

Задача ускорения выполнения технологических операций решается за счет предоставления оператору более полной информации о процессе захвата и удержания предмета, включающей видеоинформацию с двух телекамер, величины и направления сил и моментов, определяемых соответствующим датчиком, величины сил удержания предмета в губках, ширину раскрытия губок. Применение микропроцессорного контроллера в плате управления захватным устройством и высокоскоростной обмен информацией по CAN шине с центральным контроллером изделия позволяют автоматизировать операцию позиционирования захватного устройства, его ориентацию и захват предмета.

Захватное устройство, содержащее основной корпус, зажимные губки, кинематически связанные между собой зубчатой передачей, отличающееся тем, что в промежуточном корпусе захватного устройства установлена электромеханическая сборка с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока со встроенным датчиком Холла и планетарным редуктором, при этом в основной корпус встроена система управления, состоящая из платы управления захватным устройством с микропроцессорным контроллером, установлены платы обработки сигналов шестикомпонентного датчика сил и моментов, платы обработки сигналов тензорезистивных датчиков касания, на торце основного корпуса установлен конусный фланец с электрическими соединителями, между основным и замыкающим корпусами установлен шестикомпонентный датчик сил и моментов, в промежуточном корпусе установлен датчик измерения ширины раскрытия губок, на контактной поверхности зажимных губок и торце замыкающего корпуса установлены тензорезистивные датчики касания, на основном корпусе снаружи установлены две телекамеры и четыре осветителя, около платы управления захватным устройством с микропроцессорным контроллером и электромеханической сборкой размещены резистивные нагревательные элементы и датчики температуры, а плоскопараллельное движение зажимных губок осуществляется двумя парами рычагов, на одной из которых закреплены цилиндрические зубчатые сектора, входящие в зацепление с зубчатой рейкой, совершающей возвратно-поступательное движение от передачи винт-гайка.