Шарнир манипулятора

Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано в манипуляторах, выполняющих поворот объекта манипулирования по двум независимым угловым координатам, а также в конструкциях пространственных многокоординатных манипуляторов. Шарнир манипулятора содержит два ведущих звена, каждое из которых сопряжено с основанием и с соответствующим ведомым звеном вращательными кинематическими парами, ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, при этом одно из ведомых звеньев является выходным звеном. Оси всех вращательных кинематических пар пересекаются в центре шарнира. В конструкции шарнира также присутствуют дополнительные опорные сферические кинематические пары, образованные сопряжениями вогнутых поверхностей ведущих звеньев с выпуклыми поверхностями ведомых звеньев. Оси кинематических пар, сопрягающих каждое из ведущих звеньев с основанием, расположены на одной прямой. Изобретение позволит повысить жесткость, нагрузочную способность, а также кинематическую точность шарнира. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано в манипуляторах, выполняющих поворот объекта манипулирования (выходного звена) по двум независимым угловым координатам, а также в конструкциях пространственных многокоординатных манипуляторов. Шарнир манипулятора представляет собой сферический механизм и включает в себя два ведущих звена, каждое из которых сопряжено с основанием вращательной кинематической парой и поворачивается соответствующим приводом D₁, D₂ (фиг.1). Каждое ведущее звено сопряжено вращательной кинематической парой с соответствующим ведомым звеном. Ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, одно из ведомых звеньев является выходным.

Ведущие звенья имеют вогнутые сферические поверхности одного радиуса, совместно с выпуклыми сферическими поверхностями ведомых звеньев образующие внутренние сферические опорные кинематические пары шарнира. Если вращательные кинематические пары, сопрягающие каждое из ведущих звеньев с основанием, имеют общую ось, то возможный угол поворота выходного звена вокруг этой оси не ограничен.

Шарнир может иметь подвижную двухзвенную составную оболочку, предохраняющую кинематические пары от попадания пыли и стружки.

Известен двухкоординатный манипулятор поворота объекта манипулирования по двум угловым координатам, выполненный на основе зубчатого дифференциала с коническим зацеплением (патент US 3386694 от 04.06.1968). Такой манипулятор применялся также как составная часть трехкоординатного робота на основе механизма параллельной структуры (патент US 4762016 от 09.08.1988 по классу B 25 J 18/00).

Недостатком данного устройства является применение высших кинематических пар с линейчатым контактом поверхностей, ведущим к низкой жесткости и нагрузочной способности.

Известны также шарниры манипуляторов на основе сферических механизмов параллельной структуры: двухкоординатный шарнир (патент US 5243873 от 14.09.1993 по классу B 25 J 17/00) с ограниченными углами поворота, двухкоординатный шарнир манипулятора на основе карданного шарнира с неограниченным углом поворота выходного звена вокруг оси, имеющей постоянный угол с осью соосных приводов и поворачивающейся вокруг нее (авторское свидетельство SU 1138317 А от 07.02.1985 по классу B 25 J 17/00).

Недостатком данных устройств является использование только вращательных кинематических пар, которые имеют недостаточную осевую длину и диаметр, ведущие к недостаточной нагрузочной способности и жесткости.

Известна конструкция шарнирной муфты для нагружения, содержащая две полумуфты с обращенными друг к другу сферическими поверхностями и промежуточным элементом между ними, каждая из полумуфт сопряжена с промежуточным элементом сферической поверхностью и поверхностью меридиального паза, выполненного ответным меридиальному ребру на промежуточном элементе, меридиальные ребра взаимно перпендикулярны (авторское свидетельство SU 1765569 A1 от 30.09.1992 по классу F 16 D 3/46). Такая муфта кинематически идентична карданному шарниру, но благодаря дополнительным сферическим поверхностям контакта во вращательных кинематических парах может воспринимать повышенную осевую нагрузку.

Недостатком данного устройства является недостаточное число звеньев.

Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному по совокупности существенных признаков является манипулятор на основе сферического пятизвенного механизма (патент US 5966991 от 19.10.1999 по классу G 05 G 11/00). Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является недостаточное количество опорных кинематических пар, а также недостаточная возможная площадь их контактирующих поверхностей по отношению к габаритному диаметру шарнира из условий сборки механизма по предлагаемой схеме, не обеспечивающая требуемую нагрузочную способность и жесткость, а также не обеспечивающая равномерную тепловую деформацию звеньев механизма.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении нагрузочной способности и жесткости шарнира манипулятора, а также в обеспечении более равномерной тепловой деформации его звеньев в условиях наличия источников тепла (высокомоментный привод прямого действия, внешняя среда). При условии равномерной тепловой деформации звеньев сферического механизма их угловые параметры не меняются, поэтому равномерность тепловой деформации ведет к повышению кинематической точности шарнира.

Поставленная задача решается за счет того, что ведущие звенья 1, 2 (фиг.2) имеют вогнутые сферические поверхности. Эти сферические поверхности вместе с выпуклыми сферическими поверхностями деталей ведомых звеньев 3, 4 образуют опорные сферические кинематические пары.

Вращательные кинематические пары выполнены с условием минимизации удельного давления при контакте поверхностей. Первое ведомое звено состоит из детали 3, вкладыша 5 и гайки 7. Второе ведомое звено состоит из детали 4, вкладыша 6 и гайки 8. Первое ведущее звено и первое ведомое звено контактируют по конической или цилиндрической поверхности, передающей силу, перпендикулярную оси вращательной кинематической пары. В случае цилиндрической поверхности контакта не передается сила по оси кинематической пары. В случае конической поверхности контакта осевая сила передается, но существует возможность выбора люфта за счет регулировки осевого положения вкладыша поворотом гайки. Второе ведущее звено и второе ведомое звено также сопряжены вращательной кинематической парой по конической или цилиндрической поверхности.

Ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, имеющей цилиндрическую поверхность, передающую вектор момента и силу перпендикулярно оси кинематической пары и плоскую кольцевую поверхность, передающую осевую силу и вектор момента, перпендикулярный оси кинематической пары. Выходным звеном шарнира может быть любое из ведомых звеньев.

Ведущие звенья могут сопрягаться с основанием вращательными опорами приводов D₁ и D₂ или дополнительными вращательными опорами.

При соосном расположении валов ведущих звеньев 1, 2 эти звенья могут иметь максимальные по площади вогнутые сферические поверхности, а также сопрягаться по плоским кольцевым поверхностям, образующим дополнительную опорную кинематическую пару. Форма звеньев 1, 2 определяется условием их взаимного непересечения, а также их непересечением с валами ведомых звеньев при заданном множестве конфигураций механизма. В частности, при соосном расположении валов каждое ведущее звено имеет форму полусферы с дуговым пазом для перемещения валов ведомых звеньев относительно полусферы. Дугового паза достаточно для этого перемещения, поскольку положение поверхностей валов определяется их общей осью, которая имеет одну вращательную степень свободы относительно каждой полусферы.

Шарнир может иметь составную двухзвенную сферическую оболочку (фиг.3). Первое звено оболочки состоит из сегментов 9, 10 и установлено на ведущем звене 1 шарнира. Первое звено оболочки сопряжено со вторым звеном оболочки (сегменты 11, 12) вращательной кинематической парой. Второе звено оболочки сопряжено с выходным звеном шарнира вращательной кинематической парой, образованной валом ведомого звена 4 и отверстием в сегменте 12.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.

На фиг.1 показан общий вид манипулятора, включающего в себя шарнир, два вращательных привода D₁, D₂ и объект манипулирования, закрепленный на выходном звене.

На фиг.2 показан общий вид деталей шарнира и направление их перемещений при сборке относительно детали 3. Сборка осуществляется в следующей последовательности: в начале деталь 4 цилиндрическим отверстием устанавливается на вал детали 3 до соприкосновения плоских поверхностей деталей 3 и 4. Затем звено 1 надевается отверстием на выступ детали 3 с небольшим поворотом, так, чтобы его вогнутая поверхность касалась выпуклых сферических поверхностей деталей 3 и 4. Звено 2 надевается отверстием на выступ звена 4 с небольшим поворотом, так, чтобы его вогнутая поверхность касалась выпуклых сферических поверхностей звеньев 3 и 4. Выступы звеньев 3 и 4 состоят из некруглой части и цилиндра с резьбой. На некруглую часть выступа звена 3 устанавливается вкладыш 5 и фиксируется гайкой 7, которая завинчивается на цилиндрической части выступа. На некруглую часть выступа звена 4 устанавливается вкладыш 6 и фиксируется гайкой 8, которая завинчивается на цилиндрической части выступа.

На фиг.3 показана сферическая двухзвенная составная оболочка шарнира и направление перемещений ее деталей при сборке относительно шарнира. В начале устанавливаются сегменты 11 и 12, затем - сегменты 9 и 10. После сборки шарнир устанавливается в манипулятор, валы ведущих звеньев присоединяются к валам приводов через шлицевые или шпоночные соединения. Если привод является встраеваемым безредукторным электродвигателем, то его ротор может быть установлен непосредственно на вал какого-либо ведущего звена.

На фиг.4 показана кинематическая схема шарнира, приводные координаты - углы q₁ и q₂, угловые параметры ведомых звеньев α и β, а также направления единичных векторов e₁, е₂, е₃, направленных по осям вращательных кинематических пар.

Шарнир работает следующим образом: привод D₁ поворачивает первое ведущее звено (фиг.4) на угол q₁, а привод D₂ поворачивает второе ведущее звено на угол q₂ относительно горизонтальной плоскости. Углы q₁ и q₂ определяют ориентацию осей вращательных кинематических пар, сопрягающих ведущие звенья с соответствующими ведомыми звеньями и описываемых векторами e₁ и е₂. Ось кинематической пары, сопрягающей ведомые звенья, описывается вектором е₃ и имеет постоянные углы α и β с векторами e₁ и е₂ соответственно и ее перемещение по двум угловым координатам однозначно определяется перемещением этих векторов. Три компоненты вектора е₃ определяются из условий: |е₃|=1; (e₁, е₃)=cos α; (е₂, е₃)=cos β. Если α=β=90°, то е₃=е₁×e₂/|e₁×е₂|. Положение первого ведомого звена (ориентация системы координат, связанной с ним) определяется векторами e₁ и е₃, а положение второго ведомого звена - векторами е₂ и е₃.

Предложенная конструкция шарнира позволяет повысить его жесткость за счет более тесного взаимодействия между звеньями механизма, повысить нагрузочную способность, применяя дополнительные опорные сферические кинематические пары и увеличив поверхность вращательных кинематических пар. Кроме того, создана возможность применения шарнира в условиях наличия источников тепла в окружающем пространстве, например высокомоментных электродвигателей. Более тесное взаимодействие между деталями механизма ведет к более равномерной температурной деформации деталей и повышает кинематическую точность сферического механизма.

1. Шарнир манипулятора, содержащий два ведущих звена, каждое из которых сопряжено с основанием и с соответствующим ведомым звеном вращательными кинематическими парами, ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, при этом одно из ведомых звеньев является выходным звеном, оси всех вращательных кинематических пар пересекаются в центре шарнира, отличающийся тем, что для повышения жесткости, нагрузочной способности и кинематической точности шарнира вогнутые поверхности ведущих звеньев сопряжены с выпуклыми поверхностями ведомых звеньев с образованием в его конструкции дополнительных опорных сферических кинематических пар.

2. Шарнир по п.1, отличающийся тем, что оси кинематических пар, сопрягающих каждое из ведущих звеньев с основанием, расположены на одной прямой.

3. Шарнир по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит составную двухзвенную сферическую оболочку, первое звено оболочки установлено на одном из ведущих звеньев шарнира и сопряжено со вторым звеном оболочки вращательной кинематической парой, при этом второе звено оболочки сопряжено с одним из ведомых звеньев шарнира вращательной кинематической парой.