МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к области машиностроения, а именно, к конструкциям манипуляторов и роботов, предназначенных, в частности, для управления технологическими процессами или объектами любого назначения путем воздействия на соответствующие пульты, расположенные дистанционно в экстремальной среде, отличающейся, например, низкими температурами.
Манипуляционные системы, которые могут корректировать свои действия на основе информации о внешней среде и о взаимодействия с нею, принято называть адаптивными. С их применением связано в настоящее время одно из перспективных направлений в автоматизации производства.
Размещение датчиков усилия в руке манипулятора позволяет получать информацию о микроперемещениях рабочего органа манипулятора относительно внешних предметов. Податливость элементов конструкции, расположенных «до» датчика усилия, не снижает точности такого измерения перемещений. Тем самым использование датчиков усилия позволяет в ряде задач снизить требования к жесткости конструкции манипулятора. Следует отметить, что при управлении такими системами как пульты, весьма важна информация о внутренних напряжениях и деформациях.
Оснащенную датчиками усилия манипуляционную систему, при управлении которой используется информация, поступающая от этих датчиков, называют манипуляционной системой с силомоментным (силовым) очувствлением.
В качестве прототипа полезной модели выбран антропоморфный манипулятор с тремя направлениями подвижности, представляющий собой систему, связанных между собой, подвижных звеньев в виде поворотной колонны и двух рычагов, последний из которых несет рабочую головку с ее функциональными элементами и которым в целом обеспечивается пространственное перемещение для выполнения заданной технологической функции. Каждое из звеньев манипулятора приводится во вращение своим электродвигателем. К последнему звену в области рабочей головки крепится устройство регистрации сил и моментов в направлении соответствующей подвижности, представленное в виде многокомпонентного датчика [Гориневский Д.М., Управление манипуляционными системами на основе информации об усилиях, Москва, издательская фирма «Физико-математическая литература», 1994, с. 221].
Типичным для конструкции многокомпонентного датчика является использование упругого элемента, чувствительного сразу к нескольким компонентам силы и момента. Одна из наиболее распространенных и, в частности, примененных в прототипе, конструкций упругого элемента трехкомпонентного тензорезисторного датчика - крестообразный упругий элемент. Он включает два жестких фланца - внутренний и внешний, которые соединены посредством четырех упругих балок с сечением, вытянутым в плоскости датчика. Четыре пары тензорезисторов, наклеенных на противоположные грани каждой балки, включены в четыре полумоста.
Недостатком применения многокомпонентных датчиков в
манипуляционных системах является отсутствие избирательности к действию отдельных компонент нагрузки (силы, момента), что приводит к значительному взаимовлиянию. Другими словами, имеет место перекрестное влияние на показания каждого канала, т.е. влияние не измеряемых компонент может быть весьма значительным, что приводит к необходимости насыщения системы управления (очувствления) манипулятором дополнительными электронными средствами, корректирующими и устраняющими взаимовлияние и, в конечном итоге, усложняющими эту систему управления и снижающими надежность ее работы.
Таким образом, задачей полезной модели является повышение точности управления манипулятором за счет исключения многокомпонентного датчика из системы его управления.
Поставленная задача решается за счет того, что в манипуляторе, содержащем систему, связанных между собой, подвижных звеньев, обеспечивающих пространственное перемещение рабочей головки в виде схвата с подвижными губками, контролируемое устройством регистрации силы в направлениях ее подвижности, устройство для контроля и регистрации силы расположено на головке и выполнено в виде совокупности датчиков, каждый из которых регистрирует силу только в одном из направлений подвижности головки и подвижности губок ее схвата, привод которых включает электродвигатель, установленный в корпусе, на валу которого смонтирована муфта из двух частей, одна из которых выполнена с возможностью перемещения вдоль геометрической оси вала и связана с ходовым винтом, взаимодействующим с ползуном, установленным в линейных направляющих корпуса и связанным с рычажным механизмом, соединенным с губками, при этом на винте со стороны подвижной части муфты установлен подшипник качения с наружной обоймой, несущей упор, взаимодействующий с датчиком силы зажима губок схвата, а корпус в направлении перпендикулярном оси электродвигателя соединен со вторым ползуном, установленным с возможностью линейного перемещения в его корпусе и взаимодействующим с датчиком силы в направлении подвижности по координате Y, при этом второй корпус связан с третьим ползуном, смонтированным в соответствующем корпусе и взаимодействующим с датчиком силы в направлении подвижности по координате X, причем третий корпус связан с планшайбой, несущей консоль, с расположенным на ней датчиком силы, взаимодействующим с поводком, соединенным с зубчатым колесом одноступенчатой передачи, включающей электродвигатель соосным вышеупомянутому электродвигателю, и планшайбе, с которой совместно смонтированы в подшипниках их общего корпуса, связанного с последним из звеньев манипулятора.
Техническая результат полезной модели состоит в том, что система очувствления манипулятора, выполнена в виде системы однокомпонентных датчиков, расположенных на рабочей головке манипулятора и защищенных направляющими корпусами от влияния перекрестных сил и моментов, что ведет к повышению точности управления манипулятором.
На фиг. 1 дано схематическое изображение манипулятора;
На фиг. 2 дано изображение кинематической схемы рабочей головки.
Манипулятор (фиг. 1) содержит звено 1 с приводом его перемещения в виде электродвигателя 2, обеспечивающего перемещение рабочей головки 3 по координате «Z». На направляющей 4 звена 1 смонтировано звено 5, имеющее возможность вертикального перемещения, т.е. перемещения по координате «Y». В свою очередь, звено 5 связано с последним звеном 6, несущим на своем конце рабочую головку 3 и обеспечивающим перемещение головки 3 по координате «X». Звено 5 и звено 6 приводятся в движение соответствующими электродвигателями 7 и 8. Рабочая головка 3 (фиг. 2) снабжена функциональным элементом в виде схвата, представленного подвижными губками 9, закрепленными на каретках 10, смонтированных на корпусе 11 с возможностью встречного линейного перемещения. В корпусе 11 расположен электродвигатель 12, на валу которого установлена муфта, состоящая из двух частей 13 и 14, при этом часть 14 является подвижной по отношению к части 13 и имеет возможность перемещения вдоль геометрической оси вала электродвигателя 12. Подвижная часть 14 связана с ходовым винтом 15, взаимодействующим по принципу «винт-гайка» с ползуном 16, установленным в линейных направляющих корпуса 11. Ползун 16, в свою очередь, через систему шарнирно связанных рычагов 17, образующих рычажную передачу, соединен шарнирно с каретками 10, несущими губки 9. На винте 15 со стороны подвижной части 14 муфты закреплен подшипник качения 18, установленный в корпусе 11 по скользящей посадке. Наружная обойма подшипника 18 связана с упором 19, который имеет возможность взаимодействия с однокомпонентным датчиком силы 20, зафиксированным на корпусе 11, который в направлении перпендикулярном оси электродвигателя 12 закреплен на втором ползуне 21, размещенном в линейных направляющих 22 второго корпуса 23. Ползун 21 упирается корпусом 23 через датчик силы 24, фиксирующий силу в направлении подвижности по координате «Y». Второй корпус 23 связан с третьим ползуном 25, смонтированным в линейных направляющих 26 третьего корпуса 27. Ползун 25 упирается в корпус 27 через датчик силы 28, фиксирующий усилие в направлении подвижности по координате «X». Корпус 27 закреплен на планшайбе 29, установленной в подшипниковой опоре 30 корпуса 31, связанного с концом последнего звена 6 манипулятора. В корпусе 31 расположена одноступенчатая зубчатая передача, включающая шестерню 32, колесо 33 и электродвигатель 34. Колесо 33 смонтировано соосно с электродвигателем 12 перемещения губок 9 схвата, а также оно взаимодействует с соосной ему планшайбой 29 посредством поводка 35, между которым и консолью 36, связанной с планшайбой 29, установлен датчик силы 37. Последний закреплен на консоли 36. Следует отметить, что под каждым из датчиков силы 24, 28 и 37 понимается совокупность двух однокомпонентных датчиков, каждый из которых регистрирует приложенную к нему силу в одном из двух противоположных направлений. Работает манипулятор следующим образом.
Включая в работу электроприводы 2, 7 и 8 (фиг. 1) звеньев 1, 5 и 6, рабочую головку 3 со схватом подводят к объекту манипулирования, например, поворотному регулятору одного из параметров какого-либо технологического процесса. Захват объекта осуществляется сближением губок 9 (фиг. 2) и доведения их до контакта с объектом. Эта операция проводится включением электродвигателя 12, от которого через муфту (части 13 и 14) вращение передается на винт 15, что приводит к движению ползуна направо и его последующее воздействие на систему рычагов 17, перемещающих каретки 10 с губками 9. После контакта губок 9 с объектом ползун 16 останавливается, а винт 15 продолжает поступательное перемещение направо, обеспечиваемое подвижной частью 14 муфты. С винтом 15 перемещается и подшипник 18 и, связанный с ним, упор 19, который взаимодействует с датчиком 20, развивая на него давление с силой заранее установленной величины, при достижении которой по соответствующему сигналу электродвигатель 12 останавливается. Таким образом, фиксируется определенная величина силы сжатия объекта губками 9. Возникающие силы на звенья манипулятора по направлениям подвижности «Y» и «X» лимитируются соответствующими датчиками 24 и 28. Этот процесс является следствием передачи сил, возникающих на головке 3, последовательно с корпуса 11 на ползун 21 и с его корпуса 23 на ползун 25. Передача крутящего момента на схват происходит при включении электродвигателя 34 и подключении, таким образом, к работе зубчатой передачи, колесо 33 которой несет поводок 35, взаимодействующий с консолью 36 планшайбы 29 через датчик 37. Следует отметить, что все элементы схвата, заключенные в корпусах 11, 23 и 27, смонтированы на планшайбе 29. При достижении на схвате крутящего момента некоторой лимитированной величины произойдет увеличение силы давления на датчик 37 со стороны поводка 35. Как только сила достигнет заранее установленной величины, датчик 37 даст команду на остановку электродвигателя 34.
Испытания опытного образца манипулятора полностью подтвердили его эффективность в плане достижения поставленных полезной моделью задач.