СУСТАВ МАНИПУЛЯТОРА

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована в манипуляторах, выполняющих поворот объектом манипулирования (выходного звена) по двум независимым угловым координатам, а также в конструкциях пространственных многокоординатных манипуляторов.
Известен шарнир манипулятора (Авторское свидетельство SU 1502300 А1 от 23.08.89 по классу B25J 17/00), выполненный на основе универсального шарнира и приводов, кинематически связанных с соответствующими звеньями посредством передаточного механизма, имеющего два кривошипа, где привод выходного звена размещен на входном звене и связан с кривошипом выходного звена дополнительно введенной зубчатой передачей. Такой шарнир может быть использован в конструкциях промышленных роботов для перемещения его звеньев.
Недостатком данного устройства является невозможность одновременно менять скорости ведущих приводов в процессе работы, что существенно ограничивает маневренность звена манипулятора и увеличивает время переходных процессов при движении к заданному положению.
Известен также сустав манипулятора (Авторское свидетельство SU 1379109 А1 от 07.03.1988 по классу B25J 17/00), содержащий шарнир, выполненный в виде полой сферы, охватывающей шар, на поверхности которого установлены равномерно шипы, на сфере установлены электромагниты с регулируемым источником питания, электромагниты установлены равномерно с шагом, некратным шагу расположения шипов, полость, образованная поверхностями шара и полой сферы, заполнена магнитной жидкостью и снабжена уплотнением. При переменном запитывании электромагнитов за счет возникновения эффекта выталкивания нелинейных тел, находящихся в магнитной жидкости, которыми в данном случае являются шипы, расположенные на поверхности шара, из области сильного магнитного поля в область слабого на шипы действуют усилия, поворачивающие шар сустава.
Недостатками данного устройства являются низкая нагрузочная способность, высокое энергопотребление и сложность конструкции.
Известен шарнир манипулятора (Патент RU 2 283 217 С1 от 10.09.2006 по классу B25J 17/00), выбранный за прототип и выполненный из двух ведущих звеньев, 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. Шарнир может применяться в манипуляторах, выполняющих поворот объекта манипулирования по двум независимым угловым координатам, а также в конструкциях пространственных многокоординатных манипуляторов.
Недостатками данного устройства являются сложность конструкции и малый размер рабочей зоны манипулятора, ограниченной формой опорных сферических кинематических пар.
Задачей, для решения которой предназначена предлагаемая полезная модель, является упрощение конструкции и увеличение диапазона возможных положений ведомого звена.
Поставленная задача решается достижением технического результата, заключающегося в расширении сферы использования.
Указанный технический результат достигается тем, что в суставе манипулятора, содержащем шарнир, ведомое звено выполнено в виде шара с вогнутыми и выпуклыми поверхностями, которое сопряжено механической передачей в диаметрально противоположных точках поверхности шара с двумя расположенными взаимно ортогонально ведущими звеньями, каждое из которых соединено соосно с валом электроприводов.
Тот же технический результат достигается тем, что в суставе манипулятора наибольший общий делитель числа выпуклых поверхностей у каждого из ведущих звеньев и числа вогнутых поверхностей ведомого звена, пересекающих ведущее звено при вращении, равен единице, отношение радиусов ведущих звеньев к радиусу ведомого звена равно отношению числа выпуклых поверхностей ведомого звена к числу поверхностей ведущих звеньев.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена структурная схема сустава манипулятора, обеспечивающего поворот объекта манипулирования по двум независимым угловым координатам с помощью механической передачи, на фиг.2 изображено ведомое звено с выпуклыми и вогнутыми поверхностями, обеспечивающими механическое сопряжение с ведущими звеньями сустава, на фиг.3 изображена граф-схема алгоритма получения выпуклых и вогнутых поверхностей ведомого звена. Входными величинами алгоритма являются основные конструктивные размеры: диаметр шара, глубина, ширина и радиус скругления вогнутых поверхностей в зависимости от параметров выпуклых поверхностей ведущих звеньев. В качестве заготовки используется монолитный шар. Алгоритм содержит вложенные циклы, которые рассчитывают местоположения вогнутых поверхностей ведомого звена. Внешний цикл рассчитывает количество и расположение плоскостей, проходящих через центр шара. Первый вложенный цикл рассчитывает набор осей вращения в каждой плоскости, заданной внешним циклом. Второй вложенный цикл рассчитывает новый набор плоскостей, проходящих через каждую ось вращения, и определяет итоговое местоположение желобов.
Для примера выполнения сустава с минимальным количеством выпуклых поверхностей ведомого звена, обеспечивающих выполнение технического результата, вырезают на поверхности шара три желоба, каждый из которых лежит на одной из трех взаимно ортогональных плоскостей, проходящих через центр шара. Глубина и ширина желобов выбирается из условия обеспечения механического сопряжения с выпуклыми поверхностями ведущих звеньев. Пересечения трех желобов на поверхности шара формируют три пары диаметрально противоположных перекрестий таким образом, что можно сформировать механическое зацепление выпуклых поверхностей каждого из ведущих звеньев с ведомым звеном, разместив ведущие звенья взаимно ортогонально в диаметрально противоположенных перекрестиях. Каждый из желобов, формирующих перекрестия в местах контакта с выпуклыми поверхностями ведущих звеньев, механически сопряжен с выпуклой поверхностью одного из ведущих звеньев и не сопряжен с выпуклой поверхностью другого ведущего звена. Таким образом, выпуклые поверхности одного из ведущих звеньев будут скользить вдоль вогнутой поверхности ведомого звена при повороте ведомого звена вдоль плоскости вращения второго ведущего звена.
Сустав манипулятора (фиг. 1) содержит два электропривода 1, 2 и взаимно-ортогональные ведущие звенья 3, 4, заключенные в корпусе 5, который удерживает ведомое звено 6 в форме шара с выпуклыми поверхностями 7 и вогнутыми поверхностями 8, соединенного механической передачей с ведущими звеньями 3, 4 в диаметрально противоположных точках поверхности ведомого звена 6, на котором жестко закреплено выходное звено 9. Ведомое звено 6 (фиг. 2, на которой ведомое звено повернуто относительно фиг. 1) обеспечивает механическое сопряжение с ведущими звеньями сустава.
Сустав манипулятора работает следующим образом. Электроприводы 1, 2 независимо друг от друга приводят в движение ведущие звенья 3, 4 соответственно, которые вращаются взаимно ортогонально и через механическое зацепление с выпуклыми и вогнутыми поверхностями 7, 8 приводят в движение ведомое звено 6. Форма выпуклых поверхностей 7 на поверхности ведомого звена 6 обеспечивает независимую работу ведущих звеньев 3, 4. Направление вращения ведомого звена 6 определяется направлением движения ведущих звеньев 3, 4 в точках их касания с поверхностью ведомого звена 6. Вращение ведомого звена 6 определяет траекторию движения выходного звена 9.
Ведомое звено 6 может быть изготовлено с использованием аддитивных технологий, например, при помощи 3-D принтера. Модель сустава может быть получена в программах 3-D моделирования, например, Компас-3D.
Конструкция ведомого звена 6 не требует использования в ведущих звеньях сложных кинематических элементов, что упрощает конструкцию устройства, повышает диапазон возможных положений ведомого звена по сравнению с прототипом и, соответственно, расширяет сферу применения сустава манипулятора.