Манипулятор

 

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (11) А1 (51) 4 B 25 J 9/06

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЯЬСТВУ

12

Л.

Фие.1

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4080569/31-08 (22) 25.04.86 (46) 30.08.87. Бюл. В 32 (71) Азербайджанский институт нефти и химии им. М.Азизбекова (72) И.А.Набиев, 1().А.Савин и И.И.)Шваченко (53) 62-229.72 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

1171307у кл. В 25 J 9/00, 1983.

-(54) МАНИПУЛЯТОР (57) Изобретение относится к машиностроению, а именно к манипуляторам для механизации основных и вспомогательных технологических операций.

Целью изобретения является повышение надежности за счет уменьшения количества приводов, обеспечивающих перемещение звеньев в одной плоскости. Для этого звенья 1-3 связаны между

1333570 ()

20

30 собой шарнирами 4 и 5, выполненными в виде вращательных кинематических пар. Каждый шарнир содержит корпус 6, в котором установлена ось 7 на подшипниках 8. Причем первое звено кинематической пары жестко закреплено на оси шарнира, а второе звено соединено с корпусом шарнира. Шарниры снабжены устройствами взаимной фиксации звеньев, представляющими собой диски 23-25 из ударопрочного фрикционного материала, причем два крайних диска 23 и 25 размещены на валу с возможностью вращения относительно

Изобретение относится к машиностроению, а именно к манипуляторам для механизации основных и вспомогательных технологических операций.

Цель изобретения — повышение надежности за счет уменьшения количества приводов, обеспечивающих перемещения звеньев в одной плоскости.

На фиг. 1 изображена конструкция манипулятора; на фиг.2 — конструкция фрикционной передачи; на фиг.3— блок-схема управления фиксатором; на фиг.4 — векторная диаграмма действующего динамического усиления (Р).

Манипулятор (фиг.1) содержит звенья .1-3, связанные между собой шарнирами 4 и 5, каждый шарнир содержит корпус 6, в котором установлена ось

7 на подшипниках 8. Сложные звенья и шарнир .образуют кинематическую пару.

Причем первое звено кинематической пары жестко закреплено на оси шарнира а второе звено соединено с корпусом шарнира, например звено 3 закреплено на оси 7 шарнира 5, а звено 2 соединено с корпусом 6 шарнира 5. Шарниры снабжены устройствами для фиксации положения звеньев, каждое из которых содержит фиксаторы 9 и 10, фрикционные элементы 11-13, причем фрикционный элемент 12 жестко закреплен на оси 7, а фрикционные элементы 11 и 13 установлены на оси 7 на подшипниках

8. Между фрикционными элементами 11 и 13 и корпусом 6 шарнира установлены фиксаторы 9 и 10 соответственно. него, а средний 24 связан с валом жестко. На диске 24 закреплены упругие элементы, установленные под определенным углом к поверхности.

Кроме того, устройство взаимной фиксации звеньев содержит фиксаторы 9 и 10, датчики 14 и 15, контролирующие относительное положение звеньев, привод 16 поворота звеньев, выполненный в виде эксцентрикового вибратора. При этом привод 16 поворота размещен на последнем звене, а ось

его эксцентриков параллельна оси шарниров, 1 з.п. ф-лы, 4 ил.. Положение звеньев относительно друг друга контролируется с помощью датчиков 14 и 15, например потенциометрических. Привод 16 поворота звеньев выполнен в виде установленных на звеньях вибраторов, один из которых по крайней мере установлен на крайнем звене 3, а динамическое усилие, развиваемое вибратором, перпендикулярно оси звена. Схват 17 установлен на крайнем звене 3, а звенья установлены на основании 18 и расположены последовательно.

Одна из возможных конструкций привода 16 (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 19 с навинчивающейся крышкой 20. Внутри корпуса 19 установлен вибродвигат ель, представляющий собой двигатель 21, на валу которого установлены эксцентрики 22. Двигатель 21 ,может быть с электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом.

Привод 16 установлен на звене таким образом, что резуг:.ьтирующие направления динамических усилий, развиваемые вибратором, находятся в плоскости, проходящей через ось звена 3 и перпендикулярной оси 7 шарнира 5.

При этом каждый вибратор выполнен с вибрационным усилием, превышающим максимальную грузоподъемность манипулятора (с учетом собственного веса звеньев, вибраторов, захвата„ перемещаемого груза и сил сопротивления движению в опорах и в устройствах для фиксации положения звеньев) .

1333570

Устройство взаимной фиксации звеньев, например фрикционная передача, содержит (фиг.2) фрикционные элементы 11-13, представляющие собой диски

23-25 из ударопрочного фрикционного материала, например фенопласта. На диске 24 фрикционного элемента 12 закреплены упругие элементы 26, например, из стальной проволоки. При этом упругие элементы 26 установлены под определенным углом к поверхностям диска 24 и дисков 23 и 25 соответственно таким образом, что вращение диска 24 относительно диска

;25 (смотря с конца вектора ОХ прямоугольной системы координат !

OXYZ) может осуществляться лишь по часовой стрелке, а вращение диска 24 относительно диска 23 — лишь против 2р часовой стрелки. Противоположные вращения диска 24 относительно дисков

23 и 25 исключаются из-за наличия микронеровностей, соизмеримых с диаметром упругих элементов 26 на 25 фрикционных поверхностях дисков 23 и 25, и упругие элементы 26 изгибаются, например, при вращении диска

24 относительно диска 25 против часовой стрелки, упираясь в микроне- 30 ровности диска 25, и препятствуют вращению диска 24. При вращении, например, диска 24 относительно диска 25 по часовой стрелке происходит беспрепятственное скольжение упругих эле З ментов 26 по поверхностям дисков 23 и 25, не находящихся во фрикционной связи с упругими элементами 26. В устройстве закреплена медная фольга

27, которая устанавливается лишь в 40 случае применения в качестве фиксатора электрореологической жидкости, находящейся в полости корпуса шарнира, так как при этом изменение вязкости жидкости происходит путем пода- 45 чи разности потенциалов между фольгой 27 и корпусом 6 шарнира, а фрикционные элементы 11-13 электрически изолированы между собой и корпусом 6 шарнира 5 и осью 7.

Схемы блоков 28 управления фиксаторами у каждого шарнира одинаковы и содержат, например у шарнира 5 (фиг.3), фиксаторы 9 и 10, датчик 15 положения звеньев, управляемые ключи 29 и 30, элементы И 31 и 32, аналого-цифровой преобразователь (АЦП} ,33, схему 34 сравнения, источник 35 напряжения, адресный вход,36 и выход 37 "Равны" схемы 34 сравнения и вход 38 "Пуск". При этом датчик 15 и АЦП 33 соединены последовательно . между собой, а выход АЦП 33 подключен к информационному входу схемы 34 сравнения, адресный вход 36 которой подключен к соответствующему входу устройства управления манипулятором (не показано), выход 37 "Равны" схемы 34 сравнения подключен к соответствующему входу устройства управления манипулятором (не показано), первые входы элементов И 31 и 32 подключены соответственно к выходам "Меньше и

"Больше" схемы 34 сравнения, вторые входы элементов И 31 и 32 объединены между собой и подключены к входу 38

"Пуск 1, который соединен с соответствующим выходом устройства управления манипулятором (не показано), выходы элементов И 31 и 32 соединены с управляющими входами ключей 29 и 30 соответственно, информационные входы которых объединены между собой и подключены к выходу источника 35 напряжения, а выходы ключей 29 и 30 подключены к входам управления фиксаторов 9 и 10 соответственно. Корпус 6 шарнира 5 соединен с общим выходом блока 28 управления фиксаторами.

Если в качестве фиксаторов используются пьезоэлементы или магнитострикционные элементы, то применяется источник 35 высокочастотного напряжения, и выход соответствующего управляемого ключа 29(30) подключается к одному из элементов пьезоэлемента или выводу обмотки управления магнитострикционного элемента, а другой электрод или вывод обмотки подключается к общему выходу блока 28 управ-. ления фиксаторами. Причем частота колебаний напряжения сО,источника 35 выбирается больше частоты вибратора 16.

Если в качестве фиксаторов используется электрореологическая жидкость, то применяется источник 35 постоянного напряжения, а выход соответствующего управляемого ключа 29(30) соединяется с фольгой 27 соответствующего фрикционного элемента 11(13), а в схеме блока управления фиксаторами 28 вместо элементов И 31 и 32 используются элементы И-HE.

Манипулятор работает следующим образом.

1333570

В положении статического равновесия манипулятора привод 16 отключен, а на вход 38 "Пуск" блока 28 управления фиксаторами с соответствующего выхода устройства управления манипулятором (не показано) подается нулевои сигнал (низкий уровень напряжения). Если фиксаторами являются пье" зо- или магнитострикционные элементы,10 то на выходах элементов. И 31 и 32 устанавливаются нулевые сигналы, которые .закрывают управляемые ключи

29 и 30, и источник 35 высокочастот ного напряжения отключается от фикса-15

1 торов 9 и 10, которые плотно прилегают к поверхности дисков 23 и 25 фрикционных элементов 11 и 13, препятствуя их вращению. Аналогично, если фиксатором является электрореологи- 20 ческая жидкость, то на выходах схемы И-HE 31 и 32 устанавливаются единичные сигналы, которые открывают управляемые ключи 29 и 30, и источник постоянного напряжения 35 подключает- 25 ся к фиксаторам 9 и 10, поэтому вязкость жидкости между фольгой 27 и корпусом 6 шарнира максимальна, и возникающие силы вязкого трения фиксируют положение дисков 23 и 25 фрик- 30 ционных элементов 11 и 13 относительно корпуса 6. Положение диска 24 также фиксировано, так как упругие элементы 26 препятствуют его вращению относительно дисков 23 и 25, поэтому положение оси 7 и звена З,жестко связанных с диском 24 фрикционного элемента 12, также фиксировано.

Для перемещения схвата 17, установленного на звене 3, в заданное по- 40 ложение с соответствующего выхода устройства управления манипулятором на адресный вход 36 схемы управления соответствующего блока 28 управления фиксаторами подается соответствующий . 45 код заданного положения соответствую". щего звена манипулятора. Пусть, нап. ример, необходимо переместить звено . 3 в заданное положение, двоичный код которого с выхода устройства управ- 50 пения манипулятором поступает на адресный вход 36. Аналоговый сигнал текущего положения звена 3, контролируемый с помощью датчика 15, поступает на вход 33 АЦП, с выхода которого двоичный код текущего положения поступает на информационный вход . схемы 34 сравнения, где происходит . сравнение двоичного кода текущего положения звена 3 с заданным. Результат сравнения кодов появляется на соответствующем выходе схемы 34 сравнения в виде единичного сигнала. Так, например, если звено 3 необходимо переместить по часовой стрелке (смотря с конца вектора ОХ), то появляется единичный сигнал (высокий уровень напряжения) на выходе "Меньше" схемы 34 сравнения. Если звено 3 необхо- . димо переместить против часовой стрел ки, то появляется единичный сигнал на выходе "Больше" схемы 34 сравнения, а если звено 3 находится в заданном положении, то появляется единичный сигнал на выходе 37 "Равны" схемы управления. Пусть, например, звено 3 необходимо переместить по часовой стрелке, тогда на выходе "Меньше" схемы 34 сравнения появляется единичный сигнал, поступающий на первый вход элемента И 31, а на остальных выходах схемы. 34 сравнения устанавливаются нулевые сигналы. Нулевой сигнал с выхода 37 "Равны" схемы 34 сравнения поступает на соответствующий вход устройства управления манипулятором и указывает на то, что звено 3 находится не в заданном положении, тогда устройство управления манипулятором формирует на соответствующем выходе единичный сигнал, который подается на вход 38 "Пуск" блока 28 управ ления фиксаторами. На выходе элемента И 31 устанавливается единичный сигнал, который открывает управляемый ключ 29 и источник 35 высокочастотного напряжения подключается к управляющему входу фиксатора 9 (пьезо- или магнитострикционный элемент), который начинает вибрировать с высокой частотой, а поэтому силы сопротивления между фиксатором 9 и диском 23 фрикционного элемента 11 минимальны, и диск 23 совместно с диском 24 может вращаться вокруг оси 7 шарнира 5 по часовой стрелке, так как при этом положение диска 25 фрикционного элемента 13 фиксировано, потому что на выходе элемента И 32 имеется нулевой сигнал и управляемый ключ 30 закрыт, а значит, источник 35 высокочастотного напряжения отключен от фиксатора 10, который препятствует вращению диска 25 фрикционного элемента 13 относительно корпуса 6 шарнира 5.

Аналогично, если фиксатором является электрореологическая жидкость, 1333570

50 то наличие единичных сигналов одновременно на обоих входах элемента

ИЛИ-НЕ 31 приводит к установке нулевого сигнала на его выходе, закрытию ключа 29, и источник 35 постоянного напряжения отключается от фиксатора

9, а значит, электрореологическая жидкость, находящаяся в пространстве между диском 23 и корпусом 6 шарнира

5, имеет небольшую вязкость, т.е. минимальны силы вязкого трения между фиксатором 9 и фрикционным элементом

11, и диск 23 совместно с диском 24 может вращаться вокруг оси 7 шарнира

5 по часовой стрелке, так как при этом положение диска 25 фрикционного элемента 13 фиксировано, потому что на выходе элемента И-НЕ 32 имеется единичный сигнал, и управляемый ключ 30 открыт, а значит, источник 35 постоянного напряжения подключен к фиксатору 10, и электрореологическая жидкость в пространстве между диском 25 и корпусом 6 имеет максимальную вязкость.

Затем по команде от устройства управления манипулятором производится включение вибродвигателя, вызывающего динамическое усилие P = m ° а . r, имеющее две составляющие Р и РУ (фиг.4), где Р = Р + P>, Р =Р sinqсоставляющая вектора Р, направленная вдоль оси звена 3 P = P сов с

Усоставляющая вектора Р, направленная перпендикулярно оси звена 3; ш — масса эксцентриков; я — круговая частота вращения эксцентрика; r — средний радиус вращения центра масс эксцентрика; ср = и t + ср — угол между направлением перемещения конца звена .

3 и направлением динамического уси,лия Р в момент времени t cp, — то же, что (g, при t = 0; А — точка приложения динамического усилия Р к концу звена;  — ось вращения шарнира 5.

Когда направление вект ора Р проУ тивоположно направлению вектора 0 .( (полагают, что система координат

OXYZ жестко связана с подвижным звеI ном 3) то кинетическая энергия звена 3, перемещающаяся с ускорением вибрации, превращается в потенциальную энергию деформации упругих элементов 26,.которые изгибаются. Если направление вектора РУ совпадает с направлением вектора OY и вектор Р превосходит по модулю суммарные силы сопротивления движению звена 3, то конец звена 3 вращается по часовой стрелке с ускорением вибрации. Кроме того, потенциальная энергия деформации упругих элементов 26 при их выпрямлении преобразуется в кинетическую энергию движения звена 3, т.е. конец звена 3 получает дополнительное

10 ускорение, упругие элементы 26 выполняют роль привода, который периодически выдает и аккумулирует энергию. Таким образом происходит микроперемещение конца звена 3 в заданное

"5 положение.

Наличие составляющей Р вектора динамического усилия P приводит к периодическому сжатию или растяжению звена 3 вдоль его оси в зависимости

20 от направления вектора Р, т.е. предлагаемый манипулятор имеет достаточно жесткую конструкцию, что обуславливает его высокую точность позиционирования.

При достижении концом звена 3 заданного положения на выходе 37

"Равны" схемы 34 сравнения устанавливается единичный сигнал, а на выходах "Больше" и "Меньше" устанавливаются нулевые сигналы, поэтому управляемые ключи 29 и 30 закрыты ес9 ли применяются фиксаторы 9 и 10 из пьезо- или магнитострикционных материалов, или открыты, если применяются фиксаторы из реологического вещества, а значит, положение фрикционных элементов 11 и 13 фиксировано относительно корпуса 6 шарнира 5 и звено 3 удерживается в заданном поло40 жении.

Единичный сигнал с выхода 37 "Равны" поступает на соответствующий вход устройства управления манипулятором, после чего на входе 38 "Пуск"

45 устанавливается нулевой сигнал, а вибропривод 16 по команде от устрой.ства управления манипулятором отключается.

Формула изобретения

Манипулятор, содержащий основание, на котором установлены последовательно расположенные и шарнирно связанные между собой звенья, первое из которых также шарнирно связано с основанием, а на последнем смонтирован схват, каждый из указанных шарниров снабжен устройством взаимной

133357 О

7 г7 гу фие.3

Фце. 8 фие. Ф

Составитель И. Вильчинский

Техред И.Попович Корректор М.Шароши

Редактор Л.Повхан

Заказ 3913/17 Тираж 951 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород., ул. Проектная, 4 фиксации положения соединяемых им звеньев, вибрационный привод и система управления с датчиками, о т л и— ч а ю шийся тем, что,с целью повышения надежности за счет уменьшения количества приводов для обеспечения перемещения звеньев в одной плоскости, каждый шарнир выполнен в виде вращательной кинематической пары, состоящей иэ корпуса, закрепленного на предыдущем звене, и вала, жестко связанного с последующим звеном, причеМ оси всех указанных валов параллельны, а устройство взаимной фиксации звеньев в каждом шарнире выполнено в виде трех соосно и последовательно расположенных дисков и двух фиксаторов, причем два крайних диска размещены на валу с возможностью вращения относительно него, а средний диск связан с валом жестко и на торцах этого диска закреплены

5 упругие элементы, контактирующие с соответствующими торцами крайних дисков, а упомянутые фиксаторы смонтированы на корпусе шарнира с воэможностью взаимодействия с боковыми поверхностями крайних дисков, при этом датчики обратной связи по положению звеньев размещены в шарнирах, а привод выполнен в виде эксцентрикового вибратора и размещен на последнем звене так, что ось эксцентриков параллельна осям шарниров.

2. Манипулятор по п.1, о т л и.— ч а ю шийся тем, что фиксаторы выполнены в виде пьезо- или магнито.стрикционного элемента.