Манипулятор

 

Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в конструкциях манипуляторов с большой грузоподъемностью. Целью изобретения является расширение технологических возможностей за счет обеспечения кинематической развязки движений звеньев. Шарниры 5, 6 и 7 сост;авлены соответственно из корпусов 8, 11 и 14 и скрещивающихся осей 29 31 JO П 23 вращения 9и10, 12и13, и15и16. Движение звеньям 1-3 передается через трособлочные ; передачи 17-22. Все трособлочные передачи выполнены идентично. Так трос 35 трособлочной передачи 22 закреплен одним концом на выходном элементе привода, а другим - на оси блока 37, установленного свободно. Трос 36 огибает блок 37, а каждая из его ветвей 39 и 40, сходяс блока 37, охватывает индивидуальные блоки, установленные на осях шарниров с возможностью свободного вращения. Диаметры блоков, установленных на одной и той же оси охватываемых одним и тем же тросом, выполнены равными между собой. Ветви 39 и 40 охватьшают блоки, установленные на осях во встречных направлениях. Это обеспечивает расположение точек схода ветвей с блоков, установленных на одной оси, с разных сторон от этой оси. Диаметры блоков 43 и 44 выполнены равными расстоянию между блоками, расположенными на другой оси. 3 ил. 6uSf(. П 95 /« ft 5S (Л 4 00 4: Vut.2

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (511 1 B 25 J 1/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ биЮА

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 407957 1/31-08 (22) 23.06.86 .,(46) 23.06.88. Бюл. ¹- 23 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И. Носова и Магнитогорский государственный институт по проектированию металлургических заводов (72) Я,С.,Дорман, Б.И. Крюков, И.M. Кутлубаев, А.Н. Макаров и Ф.Ф. Пономарев (53) 62-229.72(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1225778, кл. В 25 J 1/02, 1984. (54) МАНИПУЛЯТОР (57) Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в конструкциях манипуляторов с большой грузоподъемностью. Целью изобретения. является расширение технологических возможностей за счет обеспечения кинематической развязки движений звеньев. Шарниры 5, 6 и 7 составлены соответственно из корпусов 8, 11 и 14 и скрещивающихся осей

99 3f N 17 б б7 1б вращения 9 и 10, 12 и 13, и 15 и 16.

Движение звеньям 1-3 передается через трособлочные . передачи 17-22. Все трособлочные передачи выполнены идентично. Так трос 35 трособлочной передачи 22 закреплен одним концом на выходном элементе привода, а другим — на оси блока 37, установленного свободно. Трос 36 огибает блок 37, а каждая из его ветвей 39 и 40, сходящих с блока 37, охватывает индивидуальные блоки, установленные на осях шарниров с возможностью свободного вращения. Диаметры блоков, установленных на одной и той же оси охватываемых одним и тем же тросом, выполнены равными между собой. Ветви 39 и 40 охватывают блоки, установленные на осях во встречных направлениях.

Это обеспечивает расположение точек схода ветвей с блоков, установленных на одной оси, с разных сторон от этой оси, Диаметры блоков 43 и 44 выполнены равными расстоянию между блоками, расположенными на другой оси. 3 ил.

1404324

Изобретение относится к области робототехники и предназначено для

У использования в конструкциях манипуляторов с большой грузоподъемностью.

Целью изобретения является расши5 рение технологических воэможностей

sa счет обеспечения кинематической развязки движений звеньев.

На фиг. 1 изображена кинематичес- 10 кая схема манипулятора; на фиг. 2— вид А на фиг. 1; на фиг. 3 — схема проводки трособлочной передачи.

Манипулятор содержит подвижные звенья 1-3 (фиг. 1) и неподвижную 15 стойку, основание 4. Звенья соединены между собой и основанием унйверсальными шарнирами 5-7. Каждый шарнир, например, состоит из корпуса 8 и скрещивающихся осей враще- 20 ния 9 и 10 (фиг. 2). Аналогично шарнир 6 состоит из корпуса 11, скрещивающихся осей 12 и 13, шарнир

7 — из корпуса 14, скрещивающихся осей 15 и 16, т.е. оси вращения 25 каждого шарнира выполнены скрещивающимися. В движение звенья приводятСя приводом, установленным на основании (не показан), через гибкие тяги, например тросы. Движение по 30 каждой степени подвижности шарнира обеспечивается индивидуальным тросом. Движение звену 1 передается через трособлочные передачи 17 и 18, звену 2 — через трособлочные пере35 дачи 19 и 20, звену 3 — через трособлочные передачи 21 и 22 (фиг. 2).

Каждая трособлочная передача, кроме 17, состоит из двух соединенных между собой через блок тросов. Трособлочная передача 18 состоит из тросов 23 и 24, блока 25. Трособлочная передача 19 — из тросов 26 и 27, блока 28. Трособлочная передача 20— из тросов 29 и 30, блока 31. Трособлочная передача 21 — из тросов 32 и 33, блока 34. Тросаблочная передача 22 — из тросов 35 и 36, блока

37. Блоки 25, 28, 31, 34 и 37 установлены свободно над основанием и не имеют точек контакта со звеньямй и шарнирами. Один конец каждого первого троса 23, 26, 29, 32 и 35 соответствующей трособлочной передачи соединен с выходным элементом привода, установленного на неподвижном основании, а другой конец каждого из этих тросов — на оси соот" ветствующего блока 25, 28, 31, 34 или 37, установленного свободно.

Второй трос 24, последующий за тросом 23 в трособлочной передаче .

18, огибает блок 25, установленный свободно. Каждая из ветвей троса 24, сходящих с блока 25, охватывает индивидуальный блок, установленный на оси 9 шарнира, при этом направление охвата ветвями индивидуальных блоков обеспечивает расположение точек схода с блоков с разных сторон от оси 9. Трособлочная передача 17 выполнена в виде одного троса, охватывающего блок 38. Концы троса закреплены на корпусе 8 шарнира 5, а середина троса — на выходном элементе привода. Индивидуальное построение трособлочной передачи 17, отличное от всех остальных тяг, объясняется тем, что эта трособлочная передача обеспечивает движение первого из подвижных от основания корпусов и не проходит через шарниры. Построе-, ние всех остальных трособлочных передач аналогично выполнению трособлочной передачи 18. Число охватываемых ветвями блоков зависит от числа осей шарниров, над которыми проходит передача. Вследствие идентичности выполнения трособлочных передач рассмотрим их выполнение на примере трособлочной передачи 22, обеспечивающей движение вокруг горизонтальной оси

16 шарнира 7 (фиг. 3). Трос 35 трособлочной передачи 22 закреплен одним концом на выходном элементе привода, а другим — на оси блока 37, установленного свободно. Трос 36 огибает блок 37, каждая из его ветвей 39 и

40, сходящих с блока 37, охватывает индивидуальные блоки, установленные. на осях 9, 10, 12, 13,. 15 и 16 шар1 ниров с возможностью свободного аращения. На оси 9 установлены блоки 41 и 42, на оси 10 — блоки 43 и 44, на оси 12 — блоки 45 и 46, на оси 13блоки 47 и 48, на оси 15 — блоки

49 и 50, на оси 16 — блок 51. Ветвь

39 троса 36 охватывает последовательно блоки 41, 43, 45, 47, 49 и 51, ветвь 40 — блоки 42, 44, 46, 48 i и 50. Диаметры блоков, установлейных на одной и той же оси и охватываемых одним и тем же тросом, выполнены равными между собой. Ветви 39 и 40 охватывают блоки, установленные на осях, во встречных направлениях, ветвь 39 — по часовой стрелке при

1404324

50 движении по ветви от блока 37 к звену 3, ветвь 40 — против часовой стрелки. Это обеспечивает расположение точек схода ветвей с блоков, установленных на одной. оси, с раз5 ных сторон от этой оси. Диаметры блоков 43 и 44 выполнены равными расстоянию между блоками 41 и 42, а диаметры блоков 41 и 42 равны расстоянию между блоками 43 и 44, Аналогичные соотношения между диаметрами и расстояниями между блоками выдержаны в шарнирах 6 и 7. На оси 16, относительно которой имеет возможность вращения звено 3 при движении трособлочной передачи 22, установлен блок 5 1, диаметр которого равен расстоянию между блоками 49 и 50. Ветвь 39 закреплена на приво- димом в движение трособлочной передачей 22 звене 3. Ветвь 40 закреплена на корпусе 14 шарнира 7 ° Корпус 14 приводится в движение предыдущей трособлочной передачей 21. 25

Трособлочные передачи 18-22 обеспечивают движение звеньев по каждой степени подвижности только в одном направлении. Обратное движение oGecпечивается за счет упруго деформированных пружин 52-56. Упругая деформация пружины обеспечивается при движении звена под действием гибкой тяги.

При необходимости обратные движе3 ния звеньев можно обеспечить установкой дополнительных тяг, выполненных аналогично обеспечивающим прямое движение и совпадающих с ними по количеству. 40

Трос 24 трособлочной передачи 18 огибает блок 25, установленный свободно, охватывает блоки 57 и 58, выполненные с равным диаметром, установленные на оси 9. Один конец троса 24 закреплен на корпусе 8 шарнира 5, второй — на приводимом во вращательное движение относительно оси 10 звене 1. Ветвь, охватывающая блок 57, охватывает, кроме того, блок 59, установленный на оси 10.

Диаметр блока 59 равен расстоянию между блоками 57 и 58.

Трос 27 трособлочной передачи

19 огибает блок 28, охватывает блоки 60 и 61, установленные на оси 9, блоки 62 и 63, установленные на оси

10. Ветвь троса 27, охватывающая последовательно блоки 61 и 63, охватывает после этого блок 64, установленный на оси 12 и закреплена на корпусе 11 шарнира 6. Второй конец троса 27 закреплен на звене 1. Диаметры блоков 60 и 61, 62 и 63 попарно равны и, кроме того, расстояние между блоками 60 и 61 равно диаметру блока 62, а расстояние между блоками 62 и 63 равно диаметру блока 60.

Трос 30 трособлочной передачи 20 огибает блок 31, установленный свободно, охватывает блоки 65 и 66, установленные на оси 9, после этого— блоки 67 и 68, установленные на оси 10, и блоки 69 и 70, установленные на оси 12. Ветвь троса 30, охватывающая последовательно блоки 65, 67 и 69, охватывает блок 71, установленный на оси 13, и закреплена на прив одим ом э той тра со бло ч ной пе реда- чей во,вращательное движение относительно оси 13 звене 2.

Второй конец трособлочной передачи 20 закреплен на корпусе 11, вращение которого относительно оси 12 обеспечивается предыдущей трособлочной передачей 19. Диаметры блоков

65 и 66, 68 и 67, 70 и 6% попарно равны между собой. Диаметр блока 65 равен расстоянию между блоками 68 и 67, диаметр блока 67 выполнен равным расстоянию между блоками 66 и 65,, диаметр блока 71 выполнен равным расстоянию между блоками 70 и 69. Ветвь троса 30 охватывает блоки 65, 67, 69 и 71 по часовой стрелке, при движении по ветви от блока 31 к звену 2.

Ветвь троса 30 охватывает блоки 66, 68 и 70 против направления часовой стрелки, при движении по ветви от блока 31 к корпусу 11. Это обеспечивает расположение точек схода этих ветвей с блоков, расположенных на одной и той же оси с разных сторон от нее.

Трос 33 трособлочной передачи 21 огибает блок 34, установленный свободно, охватывает блоки 72 и 73, установленные на оси 9, блоки 74 и 75, установленные на оси 10 блоки 76 и

77, установленные на оси 12, блоки

78 и 79, установленные на оси 13.

Ветвь троса 33, охватывающая блоки

73, 74, 77 и 78, охватывает после этого блок 80, установленный на оси

15, и закреплена на корпусе 14, при этом направление охвата при движении вдоль ветви от блока 34 к корпусу 14

24 ние, равное половине диаметра блока

71, то это обеспечивает создание движущегося момента относительно оси

13, обеспечивающего вращение звена 2 относительно этой оси.

При вращении звена 2 относительно звена 1 вокруг оси 13 ветвь 40 троса 36, обеспечивающего передачу движения звену 3, и заключенная между блоками 48 и 50, навивается на блок 48, а аналогичная часть ветви 39 свивается с блока 47 (фиг. 3). Вследствие равенства диаметров блоков 47 и 48 длина свиваемой части ветви 39 равна длине навиваемой части ветви

40. Так как ветви 39 и 40 принадлежат одной и той же трособлочной передаче, то изменение длин ее частей взаимно компенсируется. При этом блоки 47, 48, 45, 46, 44, 43, 41, 42 и 37 вращаются против часовой стрелки. Блоки 49 и 50, а также ось блока 37 остаются неподвижными, что обеспечивает отсутствие вращения звена 3 относительно звена 2 вокруг оси

15. Одновременное навивание и свивание ветвей одного и того же троса обеспечивается за счет того, что точки схода этих ветвей с блоков расположены с разных сторон от оси, на которой установлены блоки, Компенсация изменения длин ветвей троса 33, также проходящей над шарниром 6, в котором обеспечивается движение в данный момент, происходит аналогично компенсации длин ветвей троса 36.

Таким образом, при вращении звена 2 относительно звена 1 вокруг оси

13 положение звена 3 относительно звена 2 не меняется, т.е. обеспечи-. вается развязка движений звеньев, что обеспечивает возможность использования руки манипулятора на технологических операциях, требующих повышенной точности движений.

Развязка движений привода звеньев при вращении звена 2 относительно звена 1, относительно оси 12 приведена на примере трособлочной передачи 22.

Вследствие идентичности выполнения трособлочных передач 20 и 21, 22> проходящих через шарнир 6, в котором совершается движение, процесс компенсации изменения длин ветвей тросов„ обеспечивающий развязку движений, аналогичен.

5 14043 выполнено по часовой стрелке. Ветвь троса 33, охватывающая блоки 72, 75, 76 и 79 закреплена на звене 2, приводимом в Движение предыдущей тросо5 блочнои передачей 20, а направление бхвата блоков при движении вдоль ветви от блока 34 к звену 2 выполнено против часовой стрелки. Диаметры блоков 73 и 72, 75 и 74, 77 и 76, 79 и 78, попарно равны между собой.

Диаметр блока 72 выполнен равным расстоянию между блоками 75 и 74, диаметр блока 74 выполнен равным расстоянию между блоками 73 и 72, диаметр блока 75 выполнен равным расстоянию между блоками ?9 и 78, диаМетр блока 78 выполнен равным расстоянию между блоками 76 и 77, диаметр блока 80 выполнен равным расстоянию между блоками 79 и 78.

Все блоки, установленные на осях, Имеют возможность свободно относи. тельно них вращаться.

В исходном положении все тросо- 25 блочные передачи находятся в подтянутом состоянии, что обеспечивает вы-. бор всех зазоров и исключает провисание тросов.

Манипулятор работает следующим об- ЗО разом.

При необходимости совершить поворот одного звена относительно другого, например звена 2 относительно звена i вокруг оси 13,,включают привод

35 соответствующей степени подвижности.

ПОд действием работающего привода трос 29 трособлочной передачи 20, один конец которой закреплен на выходном элементе привода, движется в направлении от оси 9 (фиг. 1). Движение троса 29 обеспечивает движение в том же направлении блока 31, так как ось блока связана с концом троса 29. Движение блока 31 в направ- 4> ленин от оси 9 сопровождается вращением блока 31 относительно своей оси против направления часовой стрелки, так как ветвь троса 30, охватывающая блоки 65, 67 и 69, закреплена на корпусе 1 1, неподвижном в данный момент. За счет вращения блока 31 происходит перепускание троса 30 относительно этого блока, при этом ветвь, оат ающая блоки 65э 67 и 69 и 71 55 движется вдоль звена 1 в направлении к оси 9, так как конец этой ветви . закреплен на звене 2 и, кроме того, ветвь удалена от оси 13 на расстоя404324 8

Выполнение осей универсального

7

Для обеспечения движения звена 2 относительно звена 1 против часовой стрелки вокруг оси 12 включают привод, обеспечивающий передачу движе5 ния трособлочной передачи 19 (фиг.1).

Движение с выходного элемента привода передается связанному с ним концу троса 26, что обеспечивает движение оси блока 28, с которой связан вто- 1О рой конец троса 26, в направлении от оси 9 (фиг. 2). Движение оси блока обеспечивает движение троса 27, охватывающего блок 28. Конец троса

27, закрепленный на звене 1, остается неподвижным, так как неподвижно звено 1. Второй конец троса, связанный с корпусом 11, соверша.ет движение относительно звена 1 за счет движущегося блока 28. Корпус 11 вместе со звеном 2 поворачивается относительно оси 12.

При вращении корпуса 11 со звеном 2 вокруг оси 12 ветвь 29 троса

36 сматывается с блока 45, а ветвь 25

40 этого же троса намагывается на блок 46. Вследствие равенства диаметров блоков 45 и 46 длина навиваемой части ветви равна длине свиваемой части. Одновременное навивание 30 и свивание ветвей одного и того же троса обеспечивается за счет того, что точки схода ветвей этого троса расположены с разных сторон от оси, на которой установлены блоки. Удлинение

35 ветви 40 и одновременное сокращение на ту же величину ветви 39 ведет к вращению блока 37 против часовой стрелки, При этом положение оси блока

37 относительно неподвижного основания остается неизменным, а трос 35 находится как и до движения звена 2 в натянутом состоянии.

Надежность работы узла развязки движений обеспечивается за счет того, что диаметры блоков 45 и 46 равны расстоянию между блоками 47 и 48, а диаметры блоков 47 и 48— соответственно расстоянию между блоками 45 и 46. Так как в этом случае обеспечивается свивание и навивание ветвей 39 и 40 с блоков

46-48 по касательной к этим блокам, тем самым исключается возможность схода ветвей с блоков.

Процесс развязки движений трособлочных передач 20 и 21 при вращении звена 2 вокруг оси 12 происходит аналогично. шарнира скрещивающимися, а трособлочных передач в виде по крайней мере двух соединенных между собой через блок тросов, первый из которых со стороны привода закреплен одним концом на оси блока, установленного свободно над основанием, а вторым — на выходном элементе привода, а последующий за ним трос огибает блок, установленный свободно над основанием, конец одной ветви закреплен на приводимом в движение звене, а конец второй ветви — на подвижном элементе манипулятора, приводимом в движение предыдущей тягой, при этой каждая ветвь охватывает блоки, установленные с возможностью вращения на осях универсальных шарниров так, что точки схода ветвеп одного »» того же троса с блоков расположены с разных стоpo»: от оси, а диаметры блоков, установленных на одной оси и огибаемых ветвями одного и того же троса, выполнены равными; в пределах каждого универсального шарнира диаметры блоков, установленные на одной его оси и охватываемые одним и тем же тросом, выполнены равными расстоянию между блоками, охватываемыми этим тросом и установленными на другой оси универсального шарнира, позволяет обеспечить кинематическую развязку движений звеньев и надежную работу узла развязки. Это обусловлено тем, что предлагаемое выполнение трособлочных передач обеспечивает компенсацию изменения длины ветви каждого троса, проходящего через универсальный шарнир за счет равного компенсирующего изменения длины другой ветви этого же троса. За счет выполнения блоков, установленных на одной и той же оси и охватываемых ветвями одного троса с равным диаметром, величина навиваемой части ветви, при повороте в шарнире, через который проходит трособлочная передача, равна величине свиваемой при этом части ветви этого же троса. Процесс одновременного навивания и свивания ветвей одного и того же троса обеспечивается за счет того, что точки схода ветвей этого троса с блоков расположены с разных сторон от оси, на которой установлены блоки. Соединение двух тросов, образующих трособлочную передачу, через блок, установленный свободно

1404324

Гч27ЮОЛ 57й Ф bf 7Х J над основанием, обеспечивает возможность перепускания троса, охватывающего блок без изменения положения конца троса, связанного с осью блока. Выполнение троса, последующего

5 за связанным с выходным элементом привода, так, что один его конец закреплен на приводимом в движение;: звене, а другой — на подвижном элементе манипулятора, движение которому передается предыдущей трособлочной передачей, обеспечивает наличие двух ветвей (навиваемой и свиваемой, при движении в шарнире) во всех шарнирах, через которые проходит трособлочная передача и которой принадлежит трос. Выполнение в каждом универсальном шарнире диаметров блоков, установленных на одной его оси и охватываемых одним тросом, равными расстоянию между блоками, охватываемыми этой же трособлочной передачей, позво1 ляет получить надежную работу узла развязки, так как в этом случае сви- 25 ванне и навивание ветвей происходит по касательной к блоку.

Возможен вариант выполнения манипулятора, в соответствии с которым gg ,ось одного или несколько блоков, установленных свободно, связана непосредственно с выходным элементом привода, совершающим поступательное или вращательное движение. Это не влечет за собой никаких изменений в оставшейся части конструкции манипулятора.

Кроме того, в конструкции манипулятора возможно сочетание шарниров 4р с двумя степенями подвижности— универсальные шарниры, и шарниров с одной степенью подвижности.

Формула изобретения

Манипулятор, содержащий ряд последовательно соединенных шарнирами звеньев, кинематически связанных с приводами посредством трособлочных передач, число которых кратно числу шарниров, первый со стороны привода трос каждой трособлочной передачи закреплен одним концом на оси блока, установленного свободно над основанием, другим концом — на выходном элементе привода, на конечном звене закреплен рабочий орган, о т л и ч аю шийся тем, что, с целью расширения технологических возможностей за счет обеспечения кинематической развязки движений звеньев, каждый шарнир выполнен в виде корпуса и установленных в нем двух скрещивающихся осей, а блоки трособлочных передач установлены на осях этих шарниров, при этом второй со стороны привода трос каждой трособлочной передачи огибает блок, свободно установленный над основанием, и блок, закрепленный на оси шарнира, а каждый последующий за ним трос охватывает этот же блок, установленный на оси шарнира, при этом один конец троса закреплен на соответствующем звене, другой — на корпусе шарнира, а каждая ветвь троса охватывает блоки, установленные на осях каждого шарнира, при этом диаметры блоков, расположенных на одной из осей этого шарнира, равны между собой, а диаметр блока,, расположенного на другой оси шарнира, равен расстоянию между последними и точки схода ветвей троса с этих блоков расположены с противоположных сторон относительно оси их вращения.

1404324

Составитель И. Бакулина

Редактор Л. Гратилло . Техред К.Верес Корректор H. Муска

Заказ 3037/17 Тираж 908

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Подписное

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4