Манипулятор

 

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к устройствам автоматизации и механизации работ в нормальных и экстремальных условиях. Манипулятор включает приводные валы и полые подвижные звенья 1 с зубчатыми венцами и элементами вращения. Приводные ролики 10 тросовой передачи жестко связаны с ведущими зубчатыми колесами, а ведомые зубчатые колеса закреплены на корпусах звеньев. Пары транзитных роликов 11 охвачены соответствующим тросом, пересекающим плоскость расположения центров вращения пар. Силовые водила свободно поворачиваются на осях вращения. 4 ил.

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано в различных областях народного хозяйства для автоматизации и механизации работ в нормальных и экстремальных условиях, в том числе робототехнических устройствах.

Широко известны различные конструкции манипуляторов, решающие задачи повышения грузоподъемности, уменьшения габаритов и упрощения конструкции, увеличения точности движений, выполнения работ в опасных для человека зонах и так далее.

Например, конструкции манипуляторов по а.с. SU N 1006206 А, N 708624 имеют широкие функциональные возможности и обеспечивают высокую точность выполнения траектории манипулятора.

Конструкции манипуляторов по а.с. N 946917, N 998111 обладают повышенной грузоподъемностью и улучшенной управляемостью за счет уменьшения нагрузок на элементы привода и элементы кинематической цепи.

Перечисленные манипуляторы имеют общий недостаток: они громоздки по конструкции, т. к. механизмы компенсации кинематического взаимовлияния перемещений звеньев выполняются в виде сумматоров дифференциалов с согласующими редукторами. Кроме того, в результате больших паразитных пробегов тросов ресурс данных манипуляторов невелик.

Известны также манипуляторы, специально предназначенные для работы в агрессивных средах, например, манипулятор по а.с. N 781050. Недостатком данного манипулятора является то, что заполненная жидкостью проходка в защитной стенке, отделяющей задающий и исполнительный органы манипулятора, способна выдержать небольшой перепад давления и является газопроницаемой.

За прототип принят манипулятор по а.с. SU N 1115898 А (МКИ B 25 J 3/02). Он содержит приводы, приводные валы которых кинематически связаны с полыми подвижными звеньями, соединенными с тройниками, снабженными элементами вращения, выполненными в виде цапф пустотелых силовых водил и гнезд с подшипниками подвижных звеньев. Элементы вращения несут ведущие и ведомые зубчатые колеса, силовые водила, приводные и транзитные ролики тросовой передачи, вращательные пары.

Часть подвижных звеньев манипулятора связана тросо-роликовой передачей с одним приводом, а другая часть кинематически связана с остальными приводами. Приводные ролики имеют жесткую связь с силовыми водилами, а транзитные ролики неподвижно установлены на трубчатых валах в тройниках и жестко связаны с ведущими и ведомыми зубчатыми колесами.

Тросовые передачи внутри каждого звена соединяют транзитные ролики, взаимодействующие с ведомыми зубчатыми колесами, с транзитными роликами, взаимодействующими с ведущими зубчатыми колесами. Передача движений между последовательно расположенными звеньями происходит посредством зубчатых зацеплений ведущих и ведомых зубчатых колес.

Данный манипулятор позволяет осуществить кинематическую развязку движений за счет исполнения силовых водил пустотелыми с зубчатыми передачами внутри, наличия тройников с зубчатыми венцами, жесткой связи транзитных роликов посредством трубчатых валов с ведущими и ведомыми зубчатыми колесами.

Благодаря размещению механизма кинематической развязки движений на элементах вращения звеньев, а не на приводных валах (как в конструкциях, рассмотренных в качестве аналогов), манипулятор имеет для каждой степени свободы один привод.

Недостатками известного манипулятора является громоздкость конструкции, т.к. развязка движения звеньев обеспечивается большим количеством элементов: ролики, трубчатые валы, зубчатые зацепления, пустотелые водила. Кинематическая схема взаимосвязи этих элементов такова, что за пол-оборота приводного ролика подвижное звено совершает полный оборот и крутящий момент на подвижном звене в два раза меньше, чем на приводном ролике. Следовательно, в тросах возникают большие напряжения, что при изготовлении манипулятора с увеличенной грузоподъемностью приводит к интенсивному возрастанию его габаритов, которые в ряде случаев могут оказаться недопустимыми.

Многочисленные зубчатые передачи в пустотелых водилах усложняют конструкцию манипуляторов, увеличивают его габариты и массу, повышают величину зазоров, увеличивают люфты и снижают точность перемещений и позиционирования.

Компенсация зазоров дополнительными параллельными кинематическими цепями еще более усложняет конструкцию и увеличивает габариты манипулятора.

Упругое замыкание кинематических цепей приводит к тяжелому ходу манипулятора и снижению его чувствительности.

Кроме того, большое количество зубчатых передач и наличие параллельных кинематических цепей делают значительной массу манипулятора и увеличивают его моменты инерции.

Использование известного манипулятора для проведения работ в опасных для человека зонах невозможно тогда, когда посадочное отверстие в защитной стенке имеет небольшой размер. Например, в горячих камерах, используемых в атомной промышленности, посадочные отверстия имеют единый параметр 156 мм в диаметре.

Выполнить известный манипулятор с габаритным диаметром в 156 мм, сохранив достаточную его грузоподъемность, нельзя в силу перечисленных выше недостатков.

Использование известного манипулятора в робототехнических устройствах, которые имеют ограничения по массе и габаритам, также недопустимо. Например, в космической технике требования широких функциональных возможностей манипулятора приводят к необходимости решения задач по укладке манипулятора в ограниченном объеме отсека полезного груза, по обеспечению условий транспортировки на орбиту, по приведению манипулятора в рабочее положение и т.д. Известная конструкция не позволяет выполнить эти требования.

В предлагаемом манипуляторе основной целью является расширение технологических возможностей, преимущественно в тех случаях, где требуется обслуживание рабочих зон с агрессивными средами. Одновременно решается задача уменьшения габаритов манипулятора при увеличении его грузоподъемности. Как правило, это зоны с опасной для человека средой, например горячие камеры в атомной промышленности, глубоководные работы и т.п.

Манипулятор в этом случае должен сохранять технические преимущества известных манипуляторов, т. е. обеспечивать кинематическую развязку движений, иметь для каждой степени свободы один привод, обслуживать максимально большую зону, обладать достаточной грузоподъемностью. При использовании предлагаемого манипулятора в устройствах робототехники он должен иметь необходимые каналы управления каждой степенью свободы манипулятора.

Поставленная задача решается тем, что в манипуляторе, содержащем приводные валы, подвижные полые звенья с элементами вращения и зубчатыми венцами, ведущие и ведомые зубчатые колеса, установленные на элементах вращения, приводные и транзитные ролики тросовой передачи, установленные на элементах вращения, силовые водила, расположенные на осях вращения, выполнены согласно изобретению; новые связи между элементами кинематической связи, а именно: приводные ролики тросовой передачи жестко связаны с ведущими зубчатыми колесами, а ведомые зубчатые колеса неподвижно установлены в корпусах подвижных звеньев, транзитные ролики свободно установлены на осях вращения подвижных звеньев, при этом транзитные ролики, установленные на соседних ("i" том и "i+1" ом) подвижных звеньях (i=1.N порядковый номер эвена), образуют пары, через которые пропущены тросовые передачи. При этом тросы, огибающие каждую пару транзитных роликов, пересекают геометрическую плоскость, в которой расположены оси вращения пары, причем пересечение происходит в зоне между роликами; силовые водила установлены на осях с возможностью свободного поворота.

Анализируя признаки, составляющие изобретение, авторы утверждают, что жесткая связь между приводными роликами тросовой передачи и ведущими зубчатыми колесами, неподвижное закрепление ведомых колес в корпусах подвижных звеньев совместно со свободной установкой водил позволяет получить больший крутящий момент на подвижном звене, чем на приводном ролике, т.к. на "n" оборотов приводного вала подвижное звено совершает один оборот ( п>1 передаточное отношение от приводного вала к подвижному звену).

В результате, при диаметре троса, одинаковом с диаметром троса по прототипу, грузоподъемность увеличивается в число раз, равное отношению передаточных чисел от приводного ролика к подвижному звену. Например, экспериментальный образец предлагаемого манипулятора, имеет передаточное число, равное двум. Поскольку в конструкции по прототипу передаточное число равно 0,5, то грузоподъемность заявляемого манипулятора больше в 4 раза при равных диаметрах троса, что уменьшает габариты манипулятора.

Свободная установка транзитных роликов на осях вращения и огибание транзитных роликов тросами с возможностью пересечения плоскости, проходящей через оси роликов, в зоне между ними, обеспечивают высокую плотность компоновки конструкции и кинематическую развязку движений подвижных звеньев. В результате манипулятор имеет простое конструктивное решение, малые габариты.

Таким образом, предложенный манипулятор, при простом и компактном конструктивном решении, имеет широкие технологические возможности и может быть использован в любых отраслях народного хозяйства, преимущественно при работе с агрессивными средами и ограниченными рабочими объемами.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, подробным описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг.1 представляет кинематическую схему манипулятора; фиг.2 схематично конструктивное исполнение двух последовательно расположенных подвижных звеньев; фиг.3,4 - схематично расположение троса между роликами транзитной пары при различных углах поворота подвижных звеньев.

Манипулятор состоит из "N" подвижных звеньев 1, (фиг.1) связанных зубчатыми и тросо-роликовыми передачами с приводными валами 2, установленными на основании 3. Количество приводных валов 2 равно числу степеней свободы манипулятора. Подвижные звенья 1 (фиг.1,2) выполнены в виде полых профилей с тройниками 4 на концах. Тройники снабжены зубчатыми венцами 5, при помощи которых подвижные звенья 1 находятся в зацеплении между собой. В тройниках 4 расположены элементы вращения в виде осей вращения 6 и 7. На осях 6 установлены ведущие зубчатые колеса 8, на оси 7 ведомые зубчатые колеса 9. Ведущие зубчатые колеса 8 предыдущих звеньев 1i и ведомые зубчатые колеса 9 последующих звеньев 1i+1 находятся в непосредственном зацеплении. На осях 6 установлены приводные ролики 10 и транзитные ролики 11. Аналогичные транзитные ролики 12 установлены на осях 7. Ролики 11 и 12 имеют возможность свободного вращения. На торцах осей 6 и 7, примыкающих друг к другу подвижных звеньев 1 (предыдущий 1i примыкает к последующему 1i+1), установлены силовые водила 13, связывающие звенья 1 между собой. Водила 13 расположены снаружи звеньев 1.

Приводные ролики 10 жестко связаны с ведущими зубчатыми колесами 8. Тросы 14 от соответствующих приводных валов 2 через транзитные ролики 11 соответствующих подвижных звеньев неподвижно закреплены на роликах 10.

Ведомые зубчатые колеса 9 жестко закреплены в корпусах звеньев 1 при помощи стержней 15 (фиг.2).

Ролики 11 и 12 образуют транзитные пары, взаимодействующие с соответствующими тросами 14.

Конструктивное исполнение элементов манипулятора и их размещение внутри полых подвижных звеньев 1 представлено на фиг.2, где на примере двух соседних звеньев предыдущего 1i и последующего 1i+1 изображен вариант наиболее рациональной компоновки зубчатых и тросо-роликовых передач, позволяющий получить минимальные габариты манипулятора.

Ведущее зубчатое колесо 8 выполнено как одно целое с осью 6 и размещено в ее средней части. Приводной ролик 10 выполнен монолитным и насажен на ведущее зубчатое колесо 8 звена 1i, например при помощи шлицевого соединения. Наружная поверхность приводного ролика 10 профилирована винтовыми канавками 16 под укладку троса 14. Трос 14 имеет такое количество витков на ролике 10, которое обеспечивает рабочий (заданный) поворот соответствующего подвижного звена 1. Ведомое зубчатое колесо 9 установлено; в корпусе эвена 1i+1 неподвижно при помощи запрессованного в нем стержня 15. Для обеспечения более плотной компоновки элементов манипулятора ведомое зубчатое колесо 9 разделено кольцевым пазом 17 на два параллельных зубчатых венца, которые находятся в непосредственном зацеплении с ведущим зубчатым колесом 8. При этом часть приводного ролика 10 заключена в пазу 17, не имея с ведомым зубчатым колесом 9 никакой механической связи.

Тросы 14 (фиг.1) с входных роликов 18, установленных на соответствующих приводных валах 2, огибают транзитные ролики 11 и 12, обеспечивая кинематическую развязку движений звеньев 1.

На фиг.3,4 на примере одной пары транзитных роликов, образованных роликами средних "i"-го и "i+1"-го подвижных звеньев, схематично показано, как трос 14 контактирует с роликами пары: трос 14 при сгибании пары транзитных роликов 11 и 12 пересекает геометрическую плоскость "А", в которой лежат центры вращения осей 6 и 7 вращения роликов 11 и 12, причем пересечения плоскости происходит в зоне между роликами (между точками С и D). При огибании роликов, трос 14 находится в постоянном контакте с ними: с роликом 11 контакт проходит по дуге ВС, длиной L11, c роликом 12 по дуге DE, длиной L12.

Для осуществления поворота подвижного звена 1i (фиг.1,3) на угол ϕ движение соответствующего приводного вала 2 через входной ролик 18 передается на соответствующий трос 14. На приводной ролик 10, установленный на основании 3, трос идет непосредственно с входного ролика 18. На все последующие звенья 1i+1 тросы 14 с соответствующих входных роликов 18 идут к приводным роликам 10 через пары транзитных роликов 11 и 12 предыдущих звеньев 1.

Поворот звеньев манипулятора друг относительно друга поясняется при помощи фиг.2.

Приводной ролик 10 приводит в движение ведущее зубчатое колесо 8, которое передает вращение ведомому зубчатому колесу 9. В силу жесткой связи ведомого колеса 9 с корпусом звена 1, происходит обкатывание зубчатых венцов 5, находящихся в зацеплении соседних звеньев 1i и 1i+1. При этом силовые водила 13 свободно вращаются на осях 6 и 7. Передача движения через свободно установленные транзитные ролики 11 и 12 построена по схеме, обеспечивающей кинематическую развязку движений звеньев: трос 14 (фиг.3) при огибании транзитных роликов 11 и 12 находится с ними в контакте по дугам ВС и DE соответственно.

При повороте звена 1i (фиг.4) относительно звена 1i+1 и уменьшении угла v до значения v₁, длина дуги L11, по которой происходит контакт троса 14 с роликом 11, увеличивается на величину L1, а длина дуги L12, по которой происходит контакт троса 14 с роликом 12, уменьшается на эту величину L1. Причем выполняется равенство L11+L1=L12-L1, где L1 изменение дуги контакта троса 14 с роликами 11 и 12 звеньев 1i и 1i+1.

Очевидно, что CD= C1D1 является постоянной величиной, тогда B1E1= B1C1+C1D1+D1E1=(L11+L1)+C1D1+(L12-L1)=L11+C1D1+L12=BC+C1D1+DE, следовательно длина участка троса BE=B1E1=L постоянна.

Аналогичная ситуация происходит при увеличении угла ϕ. Отсюда, при изменении угла v участок троса 14, расположенный между роликами 11 и 12 и измеряемый по крайним точкам В и Е (фиг.3 и 4) касания тросом роликов, остается неизменным.

Следовательно, если на звене, не меняющем своего положения, трос 14 является неподвижным, то из-за постоянства длины L, трос на движущемся звене 1i+1 также будет неподвижным, т.е. взаимовлияние тросов при движении звеньев исключено.

Кинематическая схема манипулятора обеспечивает минимальные люфты в подвижных звеньях.

Люфт для любого подвижного звена 1 (фиг.2) манипулятора определяется суммой зазоров в зубчатых зацеплениях в кинематической цепи: приводной вал 2, тросо-роликовая передача, состоящая из троса 14 и роликов 10,11,12, ведущее зубчатое колесо 8, ведомое зубчатое колесо 9, зубчатые венцы 5, т.е. люфт определяется суммой зазоров двух зацеплений ведущего зубчатого колеса 8 с ведомым зубчатым колесом 9 и зубчатых венцов 5 двух смежных звеньев 1. Зазор в зацеплении ведущего зубчатого колеса 8 с ведомым зубчатым колесом 9 входит в эту сумму уменьшенным в число раз, равное передаточному отношению от ведущего зубчатого колеса 8 к подвижному звену 1, связанному с ведомым зубчатым колесом 9. В опробованном манипуляторе указанный зазор равен 0,2 мм, а ощущаемый люфт равен 0,04 мм, что является малой величиной и не сказывается на точности манипулятора. Зазор в зацеплении зубчатых венцов 6 двух смежных звеньев 1 может быть сведен к нулю, т.к. в зацеплении участвуют две пары зубчатых секторов, зазоры в которых могут быть выполнены с разноименных сторон зубьев. Следовательно, люфты в звеньях манипулятора являются незначительными, и нет необходимости введения параллельных кинематических цепей, как в прототипе, для их компенсации.

Отсутствие параллельных кинематических цепей исключает необходимость их упругого замыкания, что приводит к легкому ходу манипулятора, обеспечивает ему высокую чувствительность и уменьшает габариты манипулятора.

Предложенный манипулятор прошел успешную экспериментальную отработку. Таким образом, предложенный манипулятор позволяет значительно расширить технологические возможности, например, за счет малых габаритов, применять манипулятор для прохода через отверстия небольших сечений с целью обеспечения работ в опасных зонах; использовать манипулятор в объемах ограниченного действия; применять его в робототехнических устройствах.

Манипулятор обладает высокой чувствительностью, имеет легкий ход.

По сравнению с известными источниками манипулятор при тех же габаритах имеет большую грузоподъемность. Более простое конструктивное решение позволяет повысить надежность работы манипулятора.

Перечисленные свойства позволяют использовать манипулятор в самых разнообразных сферах народного хозяйства.

Формула изобретения

Манипулятор, содержащий приводные валы, полые, последовательно расположенные подвижные звенья, снабженные зубчатыми венцами и элементами вращения, на которых установлены ведущие и ведомые зубчатые колеса, приводные и транзитные ролики тросовой передачи и силовые водила, отличающийся тем, что приводные ролики тросовой передачи жестко связаны с ведущими зубчатыми колесами элементов вращения, а ведомые зубчатые колеса элементов вращения неподвижно связаны со звеньями, при этом транзитные ролики тросовой передачи свободно установлены на элементах вращения, которые выполнены в виде осей вращения подвижных звеньев, причем каждая пара смежных транзитных роликов, образованная роликами " i "-го и "i + l"-го подвижных звеньев, охвачена соответствующим тросом, расположенным в плоскости, пересекающей плоскость, в которой расположены центры вращения указанных роликов, в зоне между ними, а силовые водила установлены на осях вращения подвижных звеньев с возможностью свободного поворота.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4