Манипулятор

Относится к робототехнике, и может быть использован в промышленности, как манипулятор. Технический результат - возможность работы манипулятора, как с малогабаритными, так и с крупногабаритными предметами, увеличение степеней подвижности до 17, увеличение вылета «руки» без сущ. удорожания и усложнения, обеспеч. заданного усилия зажима в любой точке рабоч. поверхностей кожухов, в обеспечен. ориентации предметов в пространстве, увеличен. грузоподъемности. Для этого устройство снабжено модулем раздвоения и двумя полыми, удлиненными защитными кожухами для каждой руки, причем полость каждого кожуха образована днищем и боковыми стенками, симметр. скреплен. с днищем, и выступающ. с образованием проушин. Модуль каждого предплечья закреплен на оси между проушинами соответств. кожуха для размещен. этого модуля в кожухе, кожухи образуют губки гиперсхвата для удержан. и перемещен. крупногабаритн. предметов, а при выходе модуля предплечья из кожухов - для работы с малогабаритными предметами; модуль раздвоения выполн. с ведущим и двумя ведомыми звеньями; ведущее звено консольно скреплено с опорным корпусом, параллельно опорной поверхности платформы и выполн. с двумя встроенными приводами; на выходах которых закреплены и параллельно ориентир., относительно опорной поверхности платформы, соответств. ведомые звенья и, скрепленные с ними, и охватывающ. кожухи с двух сторон, модули плеча, которые закреплен. на нерабочих сторонах боковых стенок кожухов соосными шарнирами, оси которых располож. параллельно опорной поверхности платформы. Опорный корпус выполнен с двумя дополнительными степенями подвижности, оси которых парал. опорной поверхности платформы, и расположены от нее на разных уровнях. На рабоч. поверхности боковой стенки одного кожуха закреплена пластина с двумя парами встроенных в нее тензодатчиков контроля усилий зажима гипрезахвата, которые подключ. ко входам приводов модулей плеча. Привод ведущего звена модуля раздвоения содерж. электродвигат., муфту с конич. редуктором и волновой редуктор, а днища полых кожухов выполнены с равномерно расположен. ребрами жесткости.

Устройство относится к робототехнике, и может быть использовано в промышленности, в качестве манипулятора.

Известны двурукие манипуляторы по пaт. RU 2069146, опубл. 1996 г., (1) пат. RU 2070510, опубл. 1996 (2), пaт. RU 2073602, опубл 1997 г. (3). В этих манипуляторах ведущая и ведомая механические руки состоят из шарнирно скрепленных модулей. Ведущая рука в устройствах имеет форму трубы и выполняет функции подвода в рабочую зону и поддержания ведомой руки. Ведомые руки устройства расположены в пазах трубы (1) или, как в (2), в пазах корпусов, охватывающих трубу, или, как в (3), расположены в корпусах, встроенных в трубу. Подвод ведомых рук к месту работы выполняют их привода. Устройство обеспечивает доступ к труднодоступным рабочим зонам. Устройства (1), (2), (3) сложны, что не оправдывает себя, т.к. они предназначены только для выполнения работ с малогабаритными предметами, и имеют, к тому же, малое число степеней подвижности.

В устройстве по пат. US 4932831, опубл. 1990 г (4) представлен манипулятор для работы с крупногабаритными предметами, который установлен на корпусе самоходного шасси и выполнен с механическими плечом, предплечьем, и со охватом, находящимися в исходном положении в сложенном состоянии. Перемещения и повороты схвата, а также взаимная подвижность плеча и предплечья выполняются в нем специальными дистанционно управляемыми приводами. Последние встроены непосредственно в места сочленения плеча, предплечья и схвата. Это приводит к увеличению изгибающего момента на плечо, воздействующего от груза на схвате, сопровождается повышенными требованиями к прочности плеча и предплечья, ведет к снижению несущих возможностей и, как следствие, снижает грузоподъемность манипулятора.

Известен мобильный робототехнический комплекс (см. пат RU 2241594, опубл. 2004 г. (5) для крупногабаритных предметов. Он установлен на корпусе подвижного транспортного средства и выполнен с антропоморфным манипулятором, включающим плечо, предплечье и схват. В этом устройстве, для увеличения грузоподъемности, перемещение крупногабаритных предметов выполняют на максимальном вылете «руки» манипулятора с расположением плеча и предплечья, параллельно опорной поверхности шасси. Для снижения нагрузочных характеристик на плечо и предплечье наиболее тяжелые компоненты конструкции предельно смещают к опорно-поворотной зоне. Снижения напряжения изгиба наиболее нагруженных узлов выполняют специальными компенсаторами. Момент для перемещения предплечья создается в промежуточном элементе, расположенном в головной части плеча, и выполненным в виде активного шарнира дифференциального типа. Однако сложность устройства снижает надежность его работы, ведет к повышенной стоимости, и ограничивает его применение для промышленных целей.

Известны манипуляторы, содержащие симметрично расположенные, относительно поворотного корпуса, две антропоморфные руки, которые выполнены с возможностью выполнения работ независимо друг от друга (см пат. US 7056080, опубл. 2006 г (6) или http://weber-robotics.ru/stor-age/PDF/roboti/DA20.PDF (2007 г.) (7).

Наиболее близким аналогом предложен манипулятор (6), содержащий две антропоморфные руки и платформу с закрепленным на ней поворотным корпусом, причем каждая рука включает модуль плеча, модуль предплечья и схват, которые выполнены соответственно с приводом модуля плеча и с приводами ротации и качания локтя и охвата, а привода ротации и качания локтя и схвата встроены в модуль предплечья и размещены в этом модуле соответственно со стороны локтя и со стороны схвата, при этом модули плеча и предплечья расположены параллельно опорной поверхности платформы.

Устройство (6), (как и (7), предназначено только для работ с малогабаритными предметами, и, согласно (7), имеет лишь 13 управляемых степеней подвижности. Отсутствие средств для перемещения крупногабаритных предметов повышает трудоемкость и затрудняет обслуживание при использовании манипулятора в сложных автоматизированных системах. В устройстве (6) поворотный корпус может совершать относительно платформы только вращательные движения, что дополнительно ограничивает функции манипулятора.

Задачей предложенного устройства является универсальность манипулятора и возможность его работы, как с малогабаритными, так и с крупногабаритными предметами, обеспечение заданного усилия зажима в любой точке рабочей поверхности кожуха, при надежном удержании, перемещении и обеспечении ориентации крупногабаритных предметов в пространстве, в увеличении степеней подвижности и грузоподъемности манипулятора, в увеличении рабочей зоны манипулятора при работе с малогабаритными предметами.

Для решения этой задачи в предложенном манипуляторе, содержащем две антропоморфные руки и платформу с закрепленным на ней поворотным корпусом, причем каждая рука включает модуль плеча, модуль предплечья и схват, которые выполнены соответственно с приводом плеча и с приводами ротации и качания локтя и схвата, а привода ротации и качания локтя и схвата каждой руки встроены в модуль предплечья и размещены в этом модуле соответственно со стороны локтя и со стороны схвата, при этом модули плеча и предплечья расположены параллельно опорной поверхности платформы, согласно полезной модели, устройство снабжено модулем раздвоения и двумя полыми, удлиненными защитными кожухами, соответственно для каждой руки, причем полость каждого кожуха образована днищем и боковыми стенками, симметрично скрепленными с днищем, и выступающими относительно днища, с образованием проушин, а модуль каждого предплечья закреплен с локтевой стороны на оси, между проушинами соответствующего кожуха, с возможностью поворота и размещения этого модуля в полости соответствующего кожуха, при этом кожухи, с размещенными в них модулями предплечья, обращены друг к другу рабочими поверхностями боковых стенок, с образованием губок гиперсхвата для удержания и перемещения крупногабаритных предметов, или, при выходе модулей предплечий из полостей кожухов, с образованием схвата для работы малогабаритных предметов, причем модуль раздвоения содержит ведущее и два ведомых звена, а его ведущее звено консольно скреплено с поворотным корпусом, расположено параллельно опорной поверхности платформы и выполнено с двумя встроенными приводами, на выходных валах которых закреплены и параллельно ориентированы, относительно опорной поверхности платформы, соответствующие ведомые звенья модуля раздвоения для поворотов и передачи усилий, при этом модули плеча скреплены с соответствующим ведомым звеном модуля раздвоения, размещены с охватом кожухов с двух нерабочих сторон их стенок, и соосно скреплены с кожухами шарнирами, с возможностью создания приводами модулей плеч разнонаправленных усилий зажима крупногабаритных предметов, причем оси шарниров расположены параллельно опорной поверхности платформы. Кроме того, согласно полезной модели, поворотный корпус выполнен с двумя дополнительными степенями подвижности, оси которых параллельны опорной поверхности платформы, и расположены от нее на разных уровнях по высоте. Кроме того, согласно полезной модели, рабочая поверхность боковой стенки одного кожуха выполнена с закрепленной на ней пластиной, и с двумя парами встроенных в пластину и равномерно расположенных на ней один под другим тензодатчиков контроля усилий зажима гипрезахвата, которые соответственно подключены ко входам приводов модулей плеча. Кроме того, согласно полезной модели, привод, встроенный в ведущее звено модуля раздвоения, может быть образован электродвигателем, скрепленным муфтой с коническим редуктором, взаимодействующим с волновым редуктором, который служит выходным валом указанного привода, а днище полого кожуха может быть выполнено с равномерно расположенными ребрами жесткости.

Технический результат предложенной полезной модели заключается в работе с малогабаритными предметами и в дополнительной возможности манипулятора удерживать и перемещать крупногабаритные предметы, с одновременной возможностью регулировать усилия зажима крупногабаритных предметов; в возможности увеличения вылета «руки» до максимального и в увеличении грузоподъемности без существенного усложнения и удорожания манипулятора; в ориентации крупногабаритных предметов в пространстве, в увеличении степеней подвижности; в облегчении использования манипулятора в сложных автоматизированных процессах.

На фиг.1 представлена кинематическая схема предложенного устройства.

На фиг.2 показан поворот предплечья при изменения режимов работы манипулятора.

На фиг.3 показан разрез кожуха (вид сбоку).

На фиг 4 показана конструктивная схема кожуха, с расположенным в нем модулем предплечья со встроенными приводами.

На фиг 5 показан модуль раздвоения (вид сбоку).

На фиг.6 показан вид А модуля раздвоения.

Манипулятор содержит две антропоморфные руки 1, которые скреплены с поворотным корпусом 3 модулем раздвоения 2. Каждая рука 1 содержит модуль плеча 5, модуль предплечья 6 и схват 7. Руки дополнительно содержат два полых, удлиненных, защитных кожуха 8, которые расположены между соответствующими модулем плеча 5 и модулем предплечья 6 и выполнены идентично.

Модули предплечья 6 выполнены со встроенными приводами 9, 10, 11, 12 качания и ротации (см. фиг 4). Привода 9, 10 расположены в модулях предплечья 6 со стороны локтя 13, а привода 11, 12 - со стороны схвата 7.

Кожухи 8 выполнены с полостью 14, образованной днищем 15 и боковыми стенками 16, которые могут быть скреплены с днищем 15 сваркой. Боковые стенки 16 симметрично охватывают днище 15, с выступом относительно днища 15 в виде проушин 17. Проушины 17 выполнены со встроенной осью 18, на которой 13 закреплен со стороны локтя соответствующий модуль предплечья 6, для его поворотов на этой оси 18 (см. фиг.2) и размещения предплечий в кожухах 8 при работах с крупногабаритными предметами. Или при выходе модулей предплечий 6 из кожухов 8 - для выполнения работ с малогабаритными предметами. Кожухи 8 обращены друг к другу рабочими поверхностями боковых стенок 16 и образуют губки 19 гиперсхвата. Днище 15 кожухов 8 выполнено с ребрами жесткости 20, что повышает жесткость конструкции.

На рабочей поверхности боковой стенки 16 одного из кожухов 8 закреплена пластина 21, в которую встроены четыре тензодатчика 22 контроля усилий зажима. Тензодатчики расположены с разных краев пластины, а каждые два из них закреплены на пластине 21 один под другим. Тензодатчики подключены ко входам привода 23 модуля плеча 5 (см. фиг.4).

Модуль 2 раздвоения (см. фиг.5, фиг.6) содержит ведущее 24 и два ведомых звена 25, 26. Ведущее звено 24 консольно скреплено с поворотным корпусом 3, расположено параллельно опорной поверхности платформы и выполнено с двумя встроенными приводами 27, 28. Ведомые звенья 25, 26 закреплены на выходных валах 29 приводов, с ориентацией продольных осей ведомых звеньев, параллельно опорной поверхности платформы. Привода 27, 28 могут быть выполнены с электродвигателем 30, скрепленным муфтой 31 с коническим редуктором 32, взаимодействующим на выходе с волновым редуктором 33. Вал последнего служит выходным валом (29) приводов 27, 28. Такое выполнение приводов 27,28 позволяет уменьшить габариты и массу устройства, повысить точность поворотов и передачи усилий. Ведомые звенья 25, 26 модуля раздвоения скреплены с соответствующим модулем плеча 5 (см. фиг.1). Модули плеч 5 охватывают кожухи 8 с нерабочих сторон боковых стенок и скреплены с соответствующим кожухом 8 соосными шарнирами 34, оси которых расположены параллельно опорной поверхности платформы.

Поворотный корпус 3 выполнен с двумя дополнительными степенями подвижности, оси 35, 36 которых параллельны опорной поверхности платформы 4, и расположены от нее по высотет на разных уровнях («h1» и «h2»).

Устройство работает следующим образом.

Компоновка модулей предложенного манипулятора позволяет выполнить работу с 17 управляемыми степенями подвижности (см. фиг.1), повысив функциональные возможности манипулятора, по сравнению с аналогами, на 4 позиции. При этом работа с крупногабаритными предметами выполняется без использования оснастки, а с малогабаритными предметами - существенно расширяются функциональные возможности устройства. Устройство может работать:

- в режиме удержания и перемещения крупногабаритных предметов (размером до 600×600×600 мм, на фигурах не показаны).

- в режиме выполнения операций с малогабаритными предметами (размером, не большим 75×75×75 мм, на фигурах не показаны).

При работе крупногабаритные предметы зажаты губками 19 гиперсхвата, а именно, размещены и зажаты между боковыми стенками 16 кожухов. Модули предплечий 6, вместе со встроенными в них приводами 9, 10, 11, 12, расположены в полостях 14 кожухов 8, и надежно защищены от внешних механических воздействий. С нерабочих сторон боковых стенок кожухи охвачены модулями плеч 5, которые скреплены с кожухами соосными шарнирами 34, расположенными параллельно опорной поверхности платформы. Этим повышают точность зажима и ориентацию крупногабаритных предметов в пространстве, обеспечивая их надежное удержание в губках 19 гиперсхвата. Для увеличения вылета «руки» кожухи связаны с поворотной платформой модулем раздвоения - ведущим звеном 24 модуля (консольно скрепленным с поворотной платформой) и двумя его ведомыми звеньями 25, 26 (соответственно скрепленными с модулями плеч). Этим повышают грузоподъемность, без существенного усложнения и удорожания манипулятора. Зажим и регулирование усилия зажима крупногабаритных предметов при их удержании и перемещении в пространстве выполняют привода 23 модулей плеч 5 (см. фиг 4). Привода 23, в свою очередь, управляются дистанционно: автоматически от программного устройства или оператором. При регулировании усилия зажима от 4-х тензодатчиков 22 на входы приводов 23 модулей плеч 5 поступают сигналы о текущих значениях усилий зажима. Привода 23 отрабатывают поступившие сигналы и формирует команду, по которой происходит регулируемый зажим крупногабаритных предметов. Равномерное расположение тензодатчиков с каждого края пластины 21, обеспечивает регулирование зажима в любой точке рабочей поверхности боковых стенок кожухов 8.

Выполнение поворотного корпуса 3 с двумя дополнительными степенями подвижности, с осями 35, 36, параллельными опорной поверхности платформы, которые расположены на уровнях по высоте «h1», «h2», создает резерв манипурятора по вылету руки, позволяя увеличить его до максимума, дает возможность дополнительно повысить грузоподъемность, а также увеличить рабочую зону при работе с малогабаритными предметами.

Технологические операции с малогабаритными предметами выполняют после выхода модулей предплечий из кожухов 8. Семнадцать степеней подвижности позволяют выполнять, такие функции, как например, расстегивание замков типа «молния». Выполняется завинчивание и развинчивание резьбовых соединений, открытие замков дипломатов и чемоданов, а также перемещение малогабаритных предметов и др, сохраняя при этом заданную ориентацию предметов в пространстве. Параллельное расположение модулей плеч 5, а также всех звеньев 24, 25, 26 модуля раздвоения, относительно опорной поверхности платформы позволяет «рукам» выполнить работы с малогабаритными предметами независимо друг от друга.

Проведенные испытания манипулятора позволили установить, что повышение грузоподъемности конструкции при работе с крупногабаритными предметами возможно до 40 кг (грузоподъемность при работе с малогабаритными предметами достигает не более 8 кг).

Технике-экономический эффект предложенного манипулятора состоит в расширении его функций и в обеспечении работ с малогабаритными и с крупногабаритными предметами, с одновременным повышением надежности удержания и перемещения крупногабаритных предметов, с сохранением их ориентации в пространстве и с обеспечением заданного усилия зажима в любой точке рабочей поверхности кожуха губок гиперсхвата, в увеличении числа степеней подвижности и с увеличением грузоподъемности манипулятора, и в увеличении рабочей зоны для малогабаритных предметов.

1. Манипулятор, содержащий две антропоморфные руки и платформу с закрепленным на ней поворотным корпусом, причем каждая рука включает модуль плеча, модуль предплечья и схват, которые выполнены соответственно с приводом модуля плеча и с приводами ротации и качания локтя и схвата, встроенными в модуль предплечья и размещенными в этом модуле соответственно со стороны локтя и схвата, при этом модули плеча и предплечья расположены параллельно опорной поверхности платформы, отличающийся тем, что он снабжен модулем раздвоения и двумя полыми, удлиненными защитными кожухами соответственно для каждой руки, причем полость каждого кожуха образована днищем и боковыми стенками, симметрично скрепленными с днищем и выступающими относительно днища с образованием проушин, а модуль каждого предплечья закреплен с локтевой стороны на оси между проушинами соответствующего кожуха с возможностью поворота и размещения этого модуля в полости соответствующего кожуха, при этом кожухи с размещенными в них модулями предплечья обращены друг к другу рабочими поверхностями боковых стенок с образованием губок гиперсхвата для удержания и перемещения крупногабаритных предметов или при выходе модулей предплечий из полостей кожухов с образованием схвата для работы с малогабаритными предметами, причем модуль раздвоения содержит ведущее и два ведомых звена, а его ведущее звено консольно скреплено с поворотным корпусом, расположено параллельно опорной поверхности платформы и выполнено с двумя встроенными приводами, на выходных валах которых закреплены и параллельно ориентированы относительно опорной поверхности платформы соответствующие ведомые звенья модуля раздвоения для поворотов и передачи усилий, при этом модули плеча скреплены с соответствующим ведомым звеном модуля раздвоения, размещены с охватом кожухов с двух нерабочих сторон их боковых стенок и соосно скреплены с кожухами шарнирами с возможностью создания приводами модулей плеч разнонаправленных усилий зажима крупногабаритных предметов, причем оси шарниров расположены параллельно опорной поверхности платформы.

2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что поворотный корпус выполнен с двумя дополнительными степенями подвижности, оси которых параллельны опорной поверхности платформы и расположены от нее на разных уровнях по высоте.

3. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что рабочая поверхность боковой стенки одного кожуха выполнена с закрепленной на ней пластиной и с двумя парами встроенных в пластину и равномерно расположенных на ней один под другим тензодатчиков контроля усилий зажима гиперзахвата, которые соответственно подключены ко входам приводов модулей плеча.

4. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что привод, встроенный в ведущее звено модуля раздвоения, образован электродвигателем, скрепленным муфтой с коническим редуктором, взаимодействующим с волновым редуктором, который служит выходным валом указанного привода.

5. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что днище полого кожуха выполнено с равномерно расположенными ребрами жесткости.