Механическая рука

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ РУКА, содержащая подвижные плечевое, локтевое и кистевое звенья, вынолненные в виде цилиндрических нолы.х шарнирно сочлененных корпусов, внутри которых размещены приводные концентрически размещенные трубчатые валы, и кинематическими цепями управления связанных между собой в шарнирах трехзвенных дифференциальных механизмов, и расположенные на основании электродвигатели каждой степени подвижности руки, а также уиругий тореной, отличающаяся тем, что, с целью новыщения точности позициопировапия, она снабжена усилите.юм мощности, иодключенньгм своим вьгчодом к каждому электродвигателю , а входом - к источнику напряжения смещения, и спиральной пружиной , кинематически свизываюи1ей корпус кистево1о звепа с кистевым шарниром, при этом в кинематическую цепь локтевого щарнира включен нредварнтельно закрученный уиругий торсион, а кинематические цени управления остальными звеньями связаны с источником иапряжения смен1.ення.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК з(д1) В 25 ) 3/04

С аО

CO

Сл

4ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3538565/25-08 (22) 11.01.83 (46) 07.05.84. Бюл. ¹ !7 (72) Б. А. Г1етров (71) Завод-ВТУЗ при обьединении «. 1енинградский металлический завод» (53) 62.229.72 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 303463, кл. F 16 Н 1/28, 1969. (54) (57) МЕХАНИЧЕСКАЯ РУКА, содержащая подвижные плечевое, локтевое и кистевое звенья, вьпголненные в виде цилиндрических полых шарнирно сочлененных корпусов, внутри которых размещены приводные концентрически размещенные трубчатые валы, и кинематическими цепями управления связанных между собой

„„Я0„„1090545 Д в шарнирах трехзвенных дифференциальных механизмов, и pdcJJoложенные на основании алектрод13и1атели каждой стсиени ио;1вижности руки, а также уиругий торсион, oT,гачающа»с» тем, что, с цельк> повышения точностll JJO3JJJI JJOJJJJ(>OJ3dJJJJH, она снабжена усилителем мопн1ости, иодключенным своим выходом к каждому злсктродвигатслк>, а входом — к источнику наиря>ксния смещсllèÿ, и спиральной JJð >киной, кинсматически связывающей кориус кистевого звена с кис1свым шарниром, при атом в кинсматичсскуlo цснь ло1сгсво1о шарнира включен ирсдвар1псльно закрученный упругий торсион, и кинсматичсскис цени управления остальными звеньями связаны с источником напряжения смещения.!

090646

Изобретение относится к манипулятороробототехнике и может быть использовано в качестве исполнительных механизмов для роботов универсального типа.

Известна механическая рука, содержащая подвижные плечевое, локтевое и кистевое звенья, выполненные в виде цилиндрических полых шарнирно сочлененных корпусов, внутри которых размещены приводные концентрически размещенные трубчатые валы и кинематическими цепями управ- 10 ления связанные между собой в шарнирах трехзвенных дифференциальных механизмов, и расположенные на основании электродвигатели каждой степени подвижности руки, а также упругий торсион (1).

Недостатками известного устройства являются повышенная потребная мощность электродвигателей, увеличенная нагрузка на элементах кинематических цепей и сложность конструкции, что снижает точность позиционирования. 20

Цель изобретения — повышение точности позиционирования.

Цель достигается тем, что механическая рука, содержагцая подвижные плечевое, 1октевое и кистевое звенья, выполненные в виде цилиндрических полых шарнирно сочлененных корпусов, внутри которых размещены IlpHB03,Hûå концентрически размещенные трубчатые валы, и кинематическими цепями уHpBBëåíèÿ связанных между собой в шарнирах трехзвенных дифференциальных механизмов, и расположенные Hd octloвании электродвигатели каждой степени подвижности руки, а также упругий торсион, снабжена усилителем мощности, подключенным своим выходом к каждому электродвигателю, а входом — к источнику на35 пряжения смещения, и спиральной пружиной, кинематически связывающей корпус кистевого звена с кистевым шарниром, при этом в кинематическую цепь локтевого шарнира включен предварительно закрученный упругий торсион, а кинематпческие 40 цепи управления остальными звеньями связаны с источником напряжения смешения.

На чертеже приведена кинематическая схема предлагаемого устройства.

Механическая рука содержит шарнирно рычажный исполнительный орган с двуосными шарнирами на семь степеней подвижности, состоящий из подвижного основания 1, плечевого звена 2, звена 3 предплечья и кистевого звена 4, семи приводов движений (привод схвата на чертеже не показан), состоящих каждый из согласующих редукторов 5, электродвигателей 6 и усилителей 7 мощности, а также дополнительный дифференциальный механизм 8 с упругим торсионом 9, спиральную пружи- 55 ну 10, один конец которой жестко заделан в корпусе кистевого шарнира, а другой в корпусе кистевого звена, имеющего вращение относительно собственной продольной оси и источника с.мешения 11, вырабатывающего заданные напряжения смещения, подаваемые на входы усилителей 7 мощности.

11одвижные звенья 2 — 4 руки выполнены в виде полых цилиндров с тройниками 12 на концах и зубчатыми венцами 13.

Если нижний и верхний тройники жестко сочленены с цилиндрическим корпусом II03,вижного звена, то это звено имеет только одну степень подвижности, если же нижний тройник образует с цилиндрическим корпусом звена вращательную пару, то такое звено имеет две степени подвижности: изгиб относительно оси шарнира и вращение относительно собственной продольной оси.

Тройники двух соседних звеньев 2, 3 и 3, 4 сочленены друг с другом двумя силовыми пустотелыми водилами 14, расположенными Но торцам тройников 12.

1рубчатые отростки водил 14 образуют с тройниками 12 вращательные пары, осп коlopt>lx являются верхней и нижней осями двуосного шарнира. На цилиндрической части тройников 12 жестко закреплены зубчатые венцы 13 так, что сочленяемые звенья 2, 3 и 3, 4 образуют зубчатые цилиндрические пары.

В цилиндрических корпусах подвижных звеньев 2 — 4 концентрически расположены трубчатые валы с жестко посажеHHbt iil на концах ведущими и ведомыми зубчатыми колесами трехзвенных дифференциальных механизмов (ТДМ) . Са елл итные колеса этих ТЗМ распределены справа и слева от продольной оси звена и трубчатыми валиками, концентрически расположенными по осям шарниров, жестко сочленены с ведущими 15 и ведомыми 16 цилJiндричесhèìll зубчатыми колесами, помещенными в полые силовые водила 14. Ведугцие 15 и ведомые

16 цилиндрические зубчатые колеса входят др г с другом в зацепления либо непосре ктвенно, либо через промежуточную зубчатую пару 17, образуя в ctt;IOBblx волила.;

14 цилиндрические зуочатые передачи, служащие для передачи движений в шарниры последующих звеньев. Таким образом два периферийных 1ДМ, сателлитные колеса которых жестко связаны с трубчатыми отростками силовых водил 14, подводят движения к данному шарниру, а другие (центральные) транзитно передают движения через шарнир к последующим подвижным звеньям.

Трубчатые валы, расположенные в подвижном основании 1, на концах имеют жестко посаженные входные зубчатые колеса, которые кинематически сочленены с выходными валами соответствующих редукторов 5.

Из схемы видно, что подвод движения к каждому шарниру осуществляется llвумя

1090545 з периферийными ТДМ, кинематические цепи которых образуют параллельные ветви.

Отсутствие вращения плечевого звена 2 делает одну параллельную ветвь в локтевом шарнире избыточной, которая используется для принудительной натяжки всех предыдуших звеньев руки. Эти две параллельные ветви на неподвижном основании замыкаются через дополнительный дифференциальный механизм 8, водило которого кинематически сочленено с выходным валом пятого согласующего редуктора 5.

Устройство работает следуюгцим образом.

При врашении периферийных трубчатых валов, подводящих движение к данному 15 шарниру, в разных направлениях и с одной и той же частотой врашения ocóùåñTBëÿется поворот силовых водил 14 относительно верхней оси шарнира, который в свою очередь вызывает поворот примыкающего к шарниру звена относительно нижней оси шарнира. Таким образом, суммарный угол поворота последующего звена относительно предыдущего определяется из выражения

E)E;„= (1+Lr;)/g;j E)E !АД (g

25 где в! — угол поворота силовых водил

i ãо шарнира относительно верхней оси; т(-передаточное число зубчатой пары, i образованной зубчатыми венца- ЗО ми 13 i-го шарнира; — суммарный угол поворота примыкающего к шарниру i+1-го подвижного звена относительно верхней оси шарнира.

Из (1) следует, что при Vj = суммар- 5 ный угол поворота конечного звена равен двойному углу поворота силовых водил, т. е. iE = 2E) II) . Если направления вращений упомянутых трубчатых валов одинаковы, то силовые водила 14 будут стремиться развернуться в противоположных направлениях. Такое движение водил невозможно и поэтому образуется вращающий момент, обеспечиваюший вращение предыдушего звена относительно собственной продольной оси. 45

В шарнирах реализуется принцип суммирования мощности двух приводов, идушей или на изгиб последующего звена относительно осей шарнира, или на вращение предшествующего звена относительно собственной продольной оси.

Входные трубчатые валы, подводящие движение к локтевому шарниру при работе привода 5-го движения, всегда имеют разнополярные вращения. Такое движение им обеспечивает дополнительный дифферен- 55 циальный механизм 8.

Г1ри повороте силовых водил 14, например, плечевого шарнира и остановленных приводах всех остальных движений, IEEIIIрыльные трубчатые валы в подBII)I lloxl основании l заторможены. Следовательно, заторможены ведущие цилиндрические зубчатые колесы 15 транзитных кинсмытичссKlIx цепей. Г1ри этом ведомые зубчытыс колеса 16 совершают обкы тку отцов)пельш) ведущих колес 15. 11овороl ведомых зуб IHTI Ix колес 16 си к!)ызен lloBopol плечевого звена lip)I условии

Uf =- 1 Ц,, (-2) где Ц вЂ” передаточное число зубчатой IIBpû, образованной зубчатыми BE .IIIIJxlll

13 плечевого шарнира; — передаточные числа шпиндричссИ ких зуб Id ãl>lx передач, расположенных в водилах плечевого шарнира.

1ык осушсствляс)ся кпнсмытическ»I развязка транзитных движений относительно движения изгибы звеньев. ! !ри Врашснии подвижного основания 1 вращаются печевой и локтевой шарниры. ! Ip«этом периферийные трубчатые вылы плечевого звена 2 должны быть не)юдвижны о1носипгельно цилиндрическогo корпус;I этого звена 2, что равносильно их cllllxpoflному вращению вместе с корпусом )лсчсвоп) звена 2. Это вра)ценис вызывает аналогичное вращение трубчатых валов нсподви)кного основания, которые подводят движение к локтевому шарниру. Г1ричем вращение этих валов совпадает. При таком вращении входные зубчатые колеса дополнительного дифференциального механизма 8 вращаются в разных направлениях, вызывая врашение сателлитных колес этого механизма относительно собственных осей при остыновленном водиле.

Если входные зубчатые колеса кинематических ветвей локтевого шарнира связаны с индивидуальными приводами, то согласованным вращением этих приводов образуется врашаюший момент относительно продольной оси плечевого звена 2. !1лечевое звено 2 вокруг собственной продольной оси вращаться не может, поэтому образованный вращающий момент вызывает врашение подвижного основания 1. Поэтому предварительная закрутка торсиона 9 вызывает поворот подвижного основания в направлении действия упругого момента торсиона 9. Если при этом на входы усилителей 7 могцности приводов плечевого шарнира подать сигнал смешения от источника 11, то эти приводы создают начальный момент М, направление которого можно выбрать противоположным направлению упругого момента торсиона 9. Тогда обе пары параллельных ветвей, обеспечивающие три степени подьижности (врашение основания 1, изгиб плечевого звена 2 и звена 3 предплечья), натянуты противоположно направленными моментами и зазоры в сочленениях элементов этих ветвей ликвиди1090545 (3) 1Б

Заказ 2993/!4 Тираж 1033 Подписное

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 рованы. Условием отсутствия зазоров является выражение

Мо ™т > 4» где Ят — момент торсиона;

М „ — момент трения холостого хода замкнутых параллельных ветвей отмеченных подвижностей.

Для того, чтобы натянуть ветви замкнутых кинематических цепей остальных трех подвижностей (вращение звена предплечья iO относительно собственной оси, изгиб кистевого звена относительно осей кистевого шарнира и вращение кистевого звена относительно сОосТВсННОН продольной оси) необходимо создать упругий момент на спиральной пружине 10. Действительно, как следует из уравнения (4) при наличии начального упругого момента М аи — — М>о к приводам 2-го, 3-го и 4-го движений со стороны исполнительного органа будут приложены моменты

Мз = Nù, Мз = М4 = — М!Уо (4) Если в усилители 7 этих приводов подать напряжение смещения от источника 11, обеспечивающее появление противодействующих моментов, уравновешивающих дей- 25 ствие упругого момента пружины 10, паступает состояние заторможенного равновесия сил, а все кинематические цепи 2-го, 3-го и 4-го движений натянуты. Причем условием отсутствия люфтов в этих цепях будет условие тождественное равенству (3) .

Натяжку кинематических цепей плечевого и локтевого шарниров можно осуществить и без установки дополнительного дифференциального механизма 8 с упругим торсионом 9. В этом случае необходимо установить дополнительный привод так, чтобы параллельные ветви, подводящие движения к локтевому шарниру, имели индивидуальные приводы. Если подать на усилители 7 этих приводов напряжения смещения, которые образуют на приводах начальный вращающий момент подвижного основания

1, противоположный начальному моменту вращения, образованному приводами плечевого шарнира, то кинематические цепи упомянутых подвижностей окажутся натянутыми этими начальными моментами.

Экономический эффект от внедрения предлагаемого устройства достигается за счет расширения сферы применения роботов и способности обеспечить заданную точность позиционирования и вместе с тем имеют минимальные отношения масса груза масса подвижных частей робота (1:3 — 1:5),