Захватное устройство
Захватное устройство относится к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам робототехники и предназначено для захвата и удержания предметов разнообразной формы, в том числе такелажных элементов, для выполнения различных технологических операций, автоматизации высокоточных сборочных операций, требующих «очувствления» и визуальной информации в ходе операции.
Захватное устройство состоит из основного корпуса, зажимных элементов - губок, где верхняя губка состоит из двух фаланг. В промежуточном корпусе установлены: электромеханическая сборка, состоящая из бесколлекторного электродвигателя постоянного тока 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. Зубчатый венец рейки входит в зацепление с цилиндрическим зубчатым сектором, вращающимся на неподвижной оси, закрепленной в замыкающем корпусе. Зубчатый цилиндрический сектор образует с двумя коническими зубчатыми секторами и центральным коническим зубчатым колесом дифференциальный механизм, который приводит в движение первую фалангу верхней губки и связанную с ней нижнюю губку, вращающиеся на осях, установленных в замыкающем корпусе. Зубчатый дифференциальный механизм через рычаг передает усилие на вторую фалангу верхней губки, установленную на неподвижной оси, закрепленной в первой фаланге. В промежуточном корпусе и в замыкающем корпусе установлены датчики для измерения величины раскрытия губок. На контактной поверхности губок, а так же на торце замыкающего корпуса со стороны губок, установлены тензорезистивные датчики касания. Около платы управления захватным устройством с микропроцессорным контроллером и электромеханической сборкой размещены резистивные нагревательные элементы и датчики температуры. На торце основного корпуса захватного устройства расположен конусный фланец с электрическими соединителями. Между основным и замыкающим корпусами захватного устройства встроен шестикомпонентный датчик сил и моментов. Телекамеры установлены снаружи на основном корпусе захватного устройства по обе стороны плоскости движения губок и направлены в сторону губок. Рядом с телекамерами установлены осветители, по два на каждую камеру.
Захватное устройство относится к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам робототехники и предназначено для захвата и удержания предметов разнообразной формы, в том числе такелажных элементов квадратного сечения, 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 позволяет повысить точность и надежность захватывания и удержания объектов различной формы, расширяет технологические возможности схвата по перемещению объектов.
Недостатками данного схвата манипулятора являются: низкая информативность захвата и невозможность использования его в автоматическом режиме, поскольку отсутствуют средства измерения ширины раскрытия зажимных элементов; 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 схвата; низкая надежность захвата, связанная с высокой вероятностью заклинки механизма при зажиме предмета; низкая безопасность использования захвата по отношению к окружающим объектам, обусловленная 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 необходимостью дополнительных средств контроля.
Известен 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 являются: невозможность его использования при выполнении технологических операций, связанных с контролем и регулировкой сил и моментов из-за отсутствия шестикомпонентного 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 схватом.
За прототип выбрано захватное устройство, патент РФ 118579, относящееся к мехатронным, «интеллектуальным» устройствам робототехники и предназначенных для захвата и удержания предметов разнообразной формы, для выполнения различных технологических операций, автоматизации высокоточных сборочных операций, требующих «очувствления» и визуальной информации в ходе операции.
Захватное устройство состоит из корпуса, с установленными в нем: электромеханической сборкой с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока со встроенным датчиком Холла и планетарным редуктором; встроенной системы управления, состоящей из платы управления захватным устройством с микропроцессорным контроллером, плат обработки сигналов шестикомпонентного датчика сил и моментов, плат обработки сигналов тензорезистивных датчиков касания. Захватное устройство оснащено датчиками температуры и нагревательными резистивными элементами, шестикомпонентным датчиком сил и моментов, датчиком измерения ширины раскрытия губок, тензорезистивными датчиками касания. Снаружи корпуса установлены две телекамеры и четыре осветителя. Движение губок захвата осуществляется от электромеханической сборки через передачу винт-гайка, зубчатую рейку, цилиндрические зубчатые сектора, систему рычагов. На торце захватного устройства расположен конусный фланец с электрическими соединителями, с помощью которых осуществляется механическая и электрическая стыковка захватного устройства. Электрический информационный и питающий кабель проложен внутри корпуса.
Недостатками данного захватного устройства являются: невозможность охвата такелажного элемента квадратного сечения со всех четырех сторон с созданием контролируемого усилия сжатия с каждой стороны. Это может привести к проскальзыванию такелажного элемента в захватном устройстве, либо его полному отпусканию во время проведения технологических операций.
Задачами предложенной полезной модели являются: повышение надежности захвата и удержания предметов квадратного сечения, в том числе такелажных элементов и повышение безопасности использования захватного устройства.
Это достигается тем, что в отличие от прототипа, в предложенном захватном устройстве верхняя губка состоит из двух фаланг, первая фаланга вращается вокруг оси, закрепленной в замыкающем корпусе, фаланги связаны между собой через конический зубчатый дифференциальный механизм, центральное зубчатое колесо которого, вращается вокруг оси, закрепленной в зубчатом секторе, входящем в зацепление с зубчатой рейкой, один конический сектор зубчатого дифференциала закреплен на первой фаланге верхней губки, второй конический сектор зубчатого дифференциала связан рычагом со второй фалангой верхней губки, нижняя губка связана с первой фалангой верхней губки через зубчатое зацепление. Для определения угла поворота первой фаланги верхней губки в замыкающий корпус установлен датчик угла поворота. Контактные поверхности губок и замыкающего корпуса снабжены накладками, предохраняющими захватываемый предмет от повреждения. Вторая фаланга верхней губки позволяет обеспечить схватывание предмета с четырех сторон. Конический зубчатый дифференциал позволяет адаптировать положение фаланг верхней губки к форме захватываемого предмета и равномерно распределить сжимающее усилие по захватываемому предмету.
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 зубчатым сектором 14, вращающимся вокруг неподвижной оси 15. Также на оси 15 установлены два конических зубчатых сектора 16 и 17, которые вместе с сектором 14 и коническим зубчатым колесом 18 образуют дифференциальный зубчатый механизм. Дифференциальный зубчатый механизм позволяет создавать усилия сжатия поручня одного порядка в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Конический сектор 16 жестко связан с первой фалангой 19 верхней губки и зубчатым сектором 20. Конический сектор 17 передает момент на кронштейн 21, который через рычаг 22 вращает вторую фалангу 23 верхней губки, вокруг оси 24. В корпусе 8 закреплена ось 25 нижней губки 26, жестко связанной с зубчатым сектором 27, который находится в зубчатом зацеплении с зубчатым сектором 20. Зубчатый венец 13 входит в зацепление с трибкой 28, с установленным на ней магнитом, который вместе с датчиками Холла 29 и 30, дает величину ширины раскрытия губок. На контактной поверхности губок, а так же на торце замыкающего корпуса 8 со стороны губок, установлены тензорезисторные датчики касания 31, дающие информацию о факте касания губкой предмета, о величине усилия в контакте и ориентации предмета относительно губок. Конструкция губок обеспечивает механическую защиту датчиков касания и их проводов, а также придает конструкции захватного устройства необходимую жесткость. Телекамеры 32 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 33, 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 34 и датчики температуры 35. На торце основного корпуса 7 захватного устройства расположен конусный фланец 36 с электрическими соединителями 37, 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 шестикомпонентного 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 зубчатый цилиндрический сектор, и коническое зубчатое колесо движение с зубчатого венца рейки передается через один из конических секторов на первую фалангу верхней губки, или через другой конический сектор и рычаг на вторую фалангу верхней губки. Нижняя губка вращается синхронно с первой фалангой верхней губки, и связана с ней с помощью зубчатого сектора.
Задача повышения надежности захвата и удержания предметов квадратного сечения, в том числе такелажных элементов и повышения безопасности использования захватного устройства решается тем, что верхняя губка состоит из двух фаланг, обе фаланги связаны между собой через конический зубчатый дифференциальный механизм, а нижняя губка связана с первой фалангой верхней губки через зубчатое зацепление.
Захватное устройство, содержащее основной корпус, промежуточный корпус, замыкающий корпус, зажимные элементы в виде губок, кинематически связанных между собой зубчатой передачей, в промежуточном корпусе захватного устройства установлена электромеханическая сборка с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока со встроенным датчиком Холла и планетарным редуктором, 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, на контактной поверхности 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, зубчатая рейка совершает возвратно-поступательное движение от передачи винт-гайка, зубчатый сектор входит в зацепление с зубчатой рейкой, отличающееся тем, что верхняя губка состоит из двух фаланг, первая фаланга вращается вокруг оси, закрепленной в замыкающем корпусе, фаланги связаны между собой через конический зубчатый дифференциальный механизм, центральное зубчатое колесо которого вращается вокруг оси, закрепленной в зубчатом секторе, входящем в зацепление с зубчатой рейкой, причем нижняя губка связана с первой фалангой верхней губки через зубчатое зацепление, один конический сектор зубчатого дифференциала закреплен на первой фаланге верхней губки, второй конический сектор зубчатого дифференциала связан рычагом со второй фалангой верхней губки, а в замыкающем корпусе установлен датчик угла поворота первой фаланги верхней губки.
