АДАПТИВНЫЙ ПРИВОД ГРУППЫ ЗВЕНЬЕВ ЗАХВАТА

Область техники
Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании захватов манипуляторов.
Предшествующий уровень техники
Известен захват манипулятора, содержащий сочлененные с ладонью пальцы, трос, соединяющий пальцы с приводом (см. патент РФ №1237419, B25J 15/12). Концы троса закреплены на конечных элементах пальцев, средняя часть охватывает блок, установленный на выходном звене привода, при этом пальцы захвата выполнены в виде винтовых конических пружин сжатия. Трос расположен внутри пружин со смещением относительно продольной оси в сторону внутренней поверхности.
Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная относительным движением пальцев по захватываемой детали в процессе работы. При натяжении троса пружина подвергается изгибу и сжатию. Имеет место нецентральное сжатие пружины. При этом пружина изгибается, что обеспечивает охват детали, и одновременно сжимается. Расстояние между витками уменьшается. Как следствие, имеет место относительное движение витков по поверхности детали. Результатом этого движения является нежелательное перемещение пальца по поверхности детали, уменьшается длина контакта «палец-деталь», что ведет к снижению устойчивости объекта в захвате. Повышается вероятность его выхода из захвата.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели является исполнительная группа звеньев захвата, имеющая основание, первое, второе и третье звенья, соединенные последовательно между собой вращательными парами с параллельными осями, первое звено соединено вращательной парой с основанием, два параллельных рычажных механизма, каждый из которых включает коромысла, установленные на осях вращательных пар, соединяющих между собой звенья, шатуны, соединенные с коромыслами (см. патент US 5762390, 09.06.1998 B25J 15/10). При этом первый рычажный механизм через коромысло соединен с выходным звеном привода. Коромысло второго рычажного механизма соединено с основанием через пружину. В процессе захвата два рычажных механизма взаимодействуют через звенья исполнительной группы, обеспечивая рациональную последовательность их движения при захвате объекта.
Недостатком известного решения является сложность конструкции и ограниченные функциональные возможности. Наличие двух параллельных рычажных механизмов ведет к увеличению числа шатунов и коромысел практически в два раза. Аналогично увеличивается число вращательных пар. Соосное расположение коромысел на осях вращения ведет к увеличению поперечных размеров исполнительной группы, что создает проблемы при создании захвата, оснащенного несколькими исполнительными группами.
Особенностью известного решения является ограниченные углы относительного поворота выходных звеньев захвата. Как следствие, исключается возможность захвата и удержания объектов с малыми размерами (соизмеримыми с длинами звеньев).
Раскрытие полезной модели
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции исполнительной группы захвата.
Техническая задача решается тем, что в известной конструкции адаптивного привода группы звеньев захвата, имеющего основание, первое, второе и третье звенья, соединенные последовательно между собой вращательными парами с параллельными осями, первое звено соединено вращательной парой с основанием, привод, установленный вне звеньев и соединен с подвижными звеньями через систему, включающую последовательно соединенные двухкоромысловые механизмы, в которых выходное звено предшествующего механизма выполнено входным последующего, коромысла образуют вращательные пары со звеньями с осями вращения параллельными осям вращения звеньев, пружины, на первом звене выполнено два двухкоромысловых механизма, входные коромысла всех механизмов образуют вращательные пары с первым звеном, пружины соединяют входные коромысла со звеньями, во вращательных парах соединяющих звенья установлены ограничители относительного поворота. При этом отношение между длинами входных и выходных коромысел выполнено от 1,5 до 2, исходный угол установки входных коромысел, относительно продольной оси звена выполнен от 120° до 90°, а отношение расстояний между осями вращения входных и выходных коромысел первого и второго двухкоромысловых механизмов выполнено в пределах от 1 до 1,5.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- на фиг. 1 - кинематическая схема адаптивной группы звеньев захвата в исходном положении;
- на фиг. 2 - кинематическая схема адаптивной группы звеньев захвата в положении, соответствующем повороту первого звена;
- на фиг. 3 - кинематическая схема адаптивной группы звеньев захвата в положении, соответствующем одновременному повороту первого и второго звеньев;
- на фиг. 4 - кинематическая схема адаптивной группы звеньев захвата в положении, соответствующая одновременному повороту первого, второго и третьего звеньев.
Варианты осуществления полезной модели
Адаптивный привод группы звеньев захвата включает, подвижные звенья - 1, 2 и 3 (фиг. 1). Звено 1 соединено с основанием 4 вращательной парой 5. Звено 2 соединено со звеном 1 вращательной парой 6, а звено 3 - со звеном 2 вращательной парой 7. Оси вращательных пар 5-7 параллельны.
Привод установлен на основании 4 и вне звеньев 1-3 (на фиг. не показан). Выходное звено привода (например, колесо червячной или зубчатой передачи) соединено с подвижными звеньями через систему, включающую три последовательно соединенных коромысловых механизма 8, 9 и 10. Двухкоромысловые механизмы 8 и 9 выполнены на звене 1 как на опоре.
Первый двухкоромысловый механизм 8 включает входное коромысло 11, жестко соединенное с выходным звеном привода, шатун 12 и выходное коромысло 13. Второй двухкоромысловый механизм 9 включает коромысло 13 (выступает в качестве входного), шатун 14 и выходное коромысло 15.
Третий двухкоромысловый механизм выполнен на звене 2 и включает коромысло 15 (выступает в качестве входного), шатун 16 и выходное коромысло 17. Коромысло 17 жестко соединено со звеном 3.
Коромысла 11, 13 и 15, двухкоромысловых механизмов 8-10, образуют вращательные пары со звеном 1, соответственно 18, 19 и 20. Пара 18 по своему геометрическому положению соосна паре 5. Аналогично, оси вращательных пар 6 и 20 совпадают по пространственному положению. Оси вращательных пар 18-20 параллельны осям вращательных пар 5-7.
Пружины 21 и 22 соединяют соответственно: звено 1 с входным коромыслом 11, а звено 2 с входным коромыслом 15.
Во вращательных парах 5-7 установлены ограничители относительного поворота звеньев 1-3 (на фиг. условно не показаны). Ограничители исключают относительный поворот звеньев 1-3 за пределы исходного положения, представленного на фиг. 1.
Выбор длин коромысел основан на соблюдении соотношения между входным и выходным коромыслом, каждого двухкоромыслового механизма, в пределах от 1,5 до 2.
1
2
3
3
1
Углы, определяющие положение входных коромысел 11, 13 и 15 относительно продольной оси звена 1 (β, β, β), составляют не менее 90° (β) и не более 120° (β).
Отношение k, расстояния , между осями 18 и 19, входного и выходного коромысла первого двухкоромыслового механизма 8, к расстоянию  между осями вращения входных и выходных коромысел второго двухкоромысловых механизмов выполнено в пределах от 1 до 1,5, (фиг. 2).
Исполнительная группа звеньев захвата работает следующим образом.
Для обеспечения обхвата широкой гаммы объектов, в т.ч. с минимальными размерами, необходимо обеспечить относительный поворот звеньев 1-3 на углы, соответствующие углам поворота фаланг пальцев руки человека. Угол порота звена 1 должен составлять не менее 90°, звена 2 - 120°, звена 3 - 40°.
1
При необходимости выполнения обхвата объекта обеспечивается поворот звеньев 1-3 от привода через систему двухкоромысловых механизмов 8-10 (фиг. 1). Движение с выходного звена привода обеспечивает поворот входного коромысла 11 по направлению вращения часовой стрелки. При этом реализуется поворот всей системы и звеньев 1-3, без изменения их относительного положения. Реализуется угол поворота звена 1 совпадающий по величине с углом поворота входного коромысла 11. Требуемый для обхвата минимального размера объекта угол составляет 90° (фиг. 2). Исходный угол β, установки входного коромысла 11 равный 120°, обеспечивает создание достаточной величины крутящего момента.
По результатам графического моделирования установлено, что при начальном угле установки более 120° усилия, возникающие в коромысле 11 недостаточны для обеспечения движения коромысла 12. Снижение угла установки до величины меньшей 90° не обеспечивает реализацию требуемых углов поворота звеньев 1-3.
Поворот звеньев 1-3 осуществляется до достижения звеном 1 поверхности захватываемого объекта или достижения предельного угла поворота (90°) определяемого ограничителем, установленным во вращательной паре 5.
Отмеченный режим движения звеньев 1-3 как одного целого, обеспечивается за счет пружины 21, т.к. пружина 21 создает сопротивление движению входному коромыслу 11 относительно звена 1. Усилие, создаваемое пружиной 21 обеспечивает преодоление инерционных нагрузок, возникающих в результате поворота звеньев 1-3 и системы двухкоромысловых механизмов.
После остановки звена 1, входное коромысло 11 осуществляет относительно него движение - поворот во вращательной паре 18 (фиг. 3). Далее, через шатун 12 обеспечивается поворот выходного коромысла 13. При этом, в силу выполнения соотношения между длинами входного и выходного коромысел в пределах от 1,5 до 2, угол поворота выходного коромысла 13 превышает угол поворота входного коромысла 11. Обеспечивается первая ступень мультипликации движения коромысел двухкоромыслового механизма 8. Увеличение соотношения длин коромысел более 2 ведет к увеличению габаритов двухкоромысловых механизмов из-за сложности размещения трех вращательных пар на одном коромысле 13. В свою очередь увеличение длины коромысла 13 сопровождается увеличением, в данном случае в 1,8 раза, длины коромысла 11. При выборе соотношения между длинами коромысел 11 и 13 меньше 1,5 не достигается требуемая мультипликация достаточная для поворота звеньев 2, 3 на рациональные углы поворота.
1
1
1
Выполнение начального угла установки β до 120° обеспечивает поворот коромысла 11 на угол достаточный для поворота звеньев 1-3 при обхвате объектов малого размера. При величине угла β меньше 90° не обеспечится требуемый угол поворота коромысла 11 необходимый для реализации поворота звеньев 1-3 обеспечивающих обхват малых объектов. При угле β больше 120° не создается достаточное усилие на звене при обхвате объектов с большим размером поперечного сечения (при малом угле поворота звена 1).
2
2
1
Поворот коромысла 13 обеспечивает, через шатун 14 поворот выходного коромысла 15, которое совместно со звеном 2, шатуном 16 и звеном 3 совершает поворот во вращательной паре 6. Угол поворота выходного коромысла 15 превышает угол поворота коромысла 13 в силу выполнения соотношения между их длинами в пределах от 1,5 до 2 Обеспечивается вторая ступень мультипликации движения коромысел через двухкоромысловый механизм 9. Как результат угол поворота звена 2, относительно звена 1 обеспечивается, на величину 120° при повороте входного коромысла 11 на дополнительный угол 45° (фиг. 3). Звено 3, в процессе поворота звена 2, относительно него не поворачивается в силу сопротивления движению коромысла 15 со стороны пружины 22. Движение звена 2 происходит до достижения им поверхности объекта и последующей остановки. Угол начальной установки β коромысла 13 может быть в пределах от 90° до 120°. Угол β может выполняться меньше по величине угла β.
Поворот коромысла 11, во вращательной паре 18, обеспечивает поворот коромысла 15 и далее через шатун 16 поворот выходного коромысла 17 и звена 3 до достижения последним поверхности объекта (фиг. 4). При угле поворота входного коромысла 11 на 8°-9° обеспечивается поворот звена 3 на 35°-45°, за счет тройной мультипликации обеспечиваемой тремя последовательно соединенными двухкоромысловыми механизмами 8-10.
Поворот входного коромысла 11, соединенного жестко с выходным звеном привода, на величину 135°-150° обеспечивает суммарный угол поворота звеньев 1-3 на величину 235°-245°. При этом обеспечивается взаимное положение входных коромысел 11, 13 и 15, относительно шатунов соответственно: 12, 14 и 16 достаточное для передачи усилий. Это обеспечивает эффективную передачу нагрузки с привода на звенья 1-3 захвата.
Отношение расстояний  между осями вращательной пары 18, входного коромысла 11, и вращательной пары 19 выходного коромысла 13 - , к аналогичному расстоянию между осями 19 и 20 - второго двухкоромыслового механизма выбирается в пределах от 1 до 1,5.
В результате графической проработки установлено, что при выполнении соотношения меньше 1, движение шатуна 14 ограничивается из-за наложения на вращательную пару 6, что исключает получение угла поворота звена 2 более 60°. При соотношении более значения равного 1,5, угол между коромыслом 13 и шатуном 14 не обеспечивает передачу усилий достаточных для удержания объекта.
Обратное движение звеньев обеспечивается при реверсивном повороте выходного звена привода и соответственно коромысла 11 против часовой стрелки. Через шатун 12 движение передается на коромысло 13 и звено 1. От коромысла 13 через шатун 14, коромысло 15 на звено 2. И далее через коромысло 15 на шатун 16 и звено 3. Упруго деформированные пружины 22 и 21 способствуют возврату звеньев в исходное положение, фиксируемое ограничителями поворота, установленными во вращательные пары 5-7.
Поворот выходного звена привода (входного коромысла 11) на ограниченный угол (до 135°), обеспечивает поворот звеньев 1-3 на максимальные углы относительного поворота, соответственно 90°, 120°, 40°, достаточные для обхвата объектов малого размера. Как следствие, обеспечивается надежный обхват объектов малого размера всеми тремя звеньями, что повышает надежность удержания и расширяет функциональные возможности заявляемого технического решения.