ШЕСТИОСЕВОЙ РОБОТ С ПЯТЬЮ ВРАЩАТЕЛЬНЫМИ И ОДНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области манипуляторов с программным управлением, в частности к шестиосевым роботам.
Уровень техники.
Известен промышленный робот с заменяемым модулем (US 4829840 A, опубл. 16.05.1989). В этом источнике раскрывается промышленный робот, с линейной вертикальной осью и остальными вращательными осями, однако общее число осей этого робота равно четырем, а не 6-ти как в заявленном роботе, что уменьшает его функциональные возможности. Также движение робота по вертикальной оси реализовано отличным образом: используется телескопический принцип, тогда как в заявленном решении используется принцип движения по опоре.
Известен, выбранный в качестве прототипа, робот с множеством степеней свободы (US 6037733 A, опубл. 14.03.2000). В этом источнике раскрыт шестиосевой робот с вертикальной линейной осью, однако у этого робота отличается конструкция манипулятора, в частности, иначе реализовано движение манипулятора по вертикали, все вращательные оси известного робота обеспечивают вращение в одной плоскости, тогда как у заявленного робота одна из вращательных осей обеспечивает движение в отличной плоскости. Недостатками известного робота являются меньшие функциональные возможности, низкая точность перемещений. Низкая точность перемещений определяется, в том числе тем, что телескопическая конструкция гораздо хуже сопротивляется изгибу и наклону чем конструкция из цельной трубы такой же длины и толщины.
Раскрытие полезной модели.
В одном аспекте полезной модели раскрыт
шестиосевой робот, содержащий:
- основание, представляющее собой нулевое звено;
- прикрепленную к основанию стойку, представляющую собой первое звено робота;
- приводные механизмы, выполненные с возможностью обеспечения движения робота;
- причем стойка прикреплена к основанию с возможностью вращения вокруг своей оси;
- второе звено прикреплено к стойке с возможностью линейного перемещения вдоль стойки;
- третье звено прикреплено ко второму звену с возможностью вращения по существу в горизонтальной плоскости;
- четвертое звено прикреплено к третьему звену с возможностью вращения по существу в горизонтальной плоскости;
- пятое звено прикреплено к четвертому звену с возможностью вращения в плоскости, по существу параллельной вертикальной оси стойки;
- шестое звено прикреплено к пятому звену с возможностью вращения вокруг оси проходящей через продольную ось пятого звена,
причем приводные механизмы робота реализованы на основе серводвигателя.
В дополнительных аспектах полезной модели раскрыто, что шестое звено представляет собой рабочий орган; рабочий орган представляет собой одно из следующего: рабочий орган с поворотным движением пальцев, рабочий орган с плоскопараллельным кинематическим механизмом, рабочий орган с параллельным кинематическим механизмом скользящего типа, трехпалый рабочий орган, рабочий орган на присосках, рабочий орган, основанный на вкручивании внутрь захватываемого объекта.
Основной задачей решаемой заявленной полезной моделью является обеспечение широких функциональных возможностей, высокой точности и большой грузоподъемности при уменьшении требований к приводной части робота.
Сущность полезной модели заключается в том, что первое звено шестиосевого робота представляет собой вращающуюся вокруг своей оси вертикальную стойку, вдоль которой по вертикали линейно перемещается компоновка из остальных звеньев, имеющих возможность вращательного движения. Фактически, разработанный робот представляет собой комбинацию цилиндрического и сферического роботов. При этом дополнительное расширение функциональных возможностей обеспечивается тем, что третье и четвертое звенья, закрепленные на стойке через второе звено, вращаются в горизонтальной плоскости, а пятое звено выполнено с возможностью вращаться в вертикальной оси. Высокая точность обеспечивается тем, что вертикальные перемещения звеньев осуществляются по жесткой стойке, а не с использованием, например, телескопической трубки. Само наличие линейной вертикальной оси у робота обеспечивает более высокую точность позиционирования, так как привод линейной оси обеспечивает высокую точность позиционирования по вертикали.
Технический результат, достигаемый решением, заключается в расширении функциональных возможностей, повышении точности перемещений, расширении арсенала технических средств.
Кроткое описание чертежей.
Фиг. 1 показывает схему сферического робота.
Фиг. 2 показывает схему цилиндрического робота
Фиг. 3 показывает схему заявленного робота.
Осуществление полезной модели.
Полезная модель представляет собой комбинацию робота, показанного на фиг. 1, который представляет собой сферического робота, и робота, показанного на фиг. 2, который представляет собой цилиндрического робота.
Особенностью сферического робота на фиг. 1 является возможность вращения первого вертикального звена вокруг своей оси на основании. При этом второе звено закреплено на первом звене также с возможностью вращения, а третье звено закреплено на втором с возможностью линейного смещения.
Особенностью цилиндрического робота на фиг. 2 является возможность вращения первого вертикального звена вокруг своей оси на основании, при этом второе звено закреплено на первом звене с возможностью вертикального смещения, третье звено закреплено на втором звене с возможностью горизонтального смещения.
Заявленный робот, показанный на фиг. 3, образован комбинацией роботов, показанных на фиг. 1 и 2: на основании 301 закреплено с возможностью вращения первое звено 302, представляющее собой по существу вертикальную стойку. Термин «по существу» в рамках данной заявки означает, что возможны незначительные отклонения от указанного направления/плоскости, связанные с не идеальной точностью элементов объекта (основания, звена, прочего) или связанные с незначительными наклонами из-за веса звеньев и/или перемещаемого груза. Отклонения считаются незначительными, если они не влияют на работу робота, например, находятся в пределах 1 градуса. Под вертикалью (вертикальной осью) понимается направление, совпадающее с направлением силы тяжести.
К первому звену 302 с возможностью линейного перемещения по вертикали прикреплено второе звено 303. Третье звено 304 прикреплено ко второму звену 303 с возможностью вращения в по существу горизонтальной плоскости. Под горизонтальной плоскостью понимается плоскость, проходящая перпендикулярно вертикальной оси первого звена.
К третьему звену 304 с возможностью вращения в по существу горизонтальной плоскости прикреплено четвертое звено 305.
К четвертому звену 305 с возможностью вращения в по существу вертикальной плоскости прикреплено пятое звено 306. Под вертикальной плоскостью понимается плоскость, проходящая параллельно вертикальной оси.
К пятому звену 306 с возможностью вращения вокруг оси пятого звена 306 прикреплено шестое звено 307.
Звенья робота приводятся в движение посредством приводов, которые представляют собой шаговые двигатели или предпочтительно серводвигатели. Для регулирования скорости и точности движения звеньев также используются средства передачи усилия приводов к звеньям, средства передачи представляют собой по меньшей мере одно из: редуктора, зубчатой передачи, ременной передачи. Все звенья робота в некоторых вариантах функционально связаны посредством приводов и/или по меньшей мере одного из редукторов, зубчатых передач, ременных передач.
Все элементы робота функционально связаны друг с другом и образуют единую конструкцию, используемую для автоматизации рутинных процессов.
Работа предложенного робота.
Заявленный робот подключен к блоку управления, выполненному в виде ПК, ноутбука, смартфона, устройства на основе контроллера, процессора или специализированной интегральной схемы. Подключение в разных вариантах осуществления выполнено проводным или беспроводным, реализованным на основе любого известного протокола связи.
Блок управления подает сигналы роботу для перемещения звеньев из начальной точки в конечную, а также для манипулирования рабочим органом, например, для захвата и освобождения переносимого объекта (груза).
В некоторых вариантах осуществления блок управления содержит управляющую программу с графическим интерфейсом, которая служит для того, чтобы оператор робота задавал перемещение звеньев робота/рабочего органа и работу рабочего органа, заданное перемещение преобразуется в управляющий сигнал, который подается на каждый привод робота так, чтобы он переместил рабочий орган из начальной точки в конечную. В конечной точке может быть произведен захват/освобождение объекта или операция с ним, что определяется командами управляющей программы и типом рабочего органа, и затем по команде программы робот движется в новую конечную точку, выполняет там операции и так далее.
Управляющая программа обеспечивает подачу электрических сигналов на электрические приводы робота, командуя им осуществить вращение на заданный угол. Совокупные вращения приводов на заданные углы обеспечивают перемещение звеньев и в конце концов рабочего органа в заданную точку пространства.
В одном из вариантов осуществления робот оборудован датчиками для обеспечения обратной связи от робота к управляющей программе, которая корректирует свои сигналы управления в соответствии с обратной связью, например, регулирует силу сжатия захвата или корректирует перемещение.
В одном из вариантов осуществления робот оборудован камерой/камерами, встроенными в рабочий орган или звено/звенья, сигналы с камер обрабатываются управляющей программой для автоматического или автоматизированного выбора точки для перемещения рабочего органа либо более точного позиционирования робота или более точного захвата объектов, используя машинное зрение.
В одном из вариантов осуществления приводы робота реализованы на базе сервоприводов. Сервоприводы через шестеренчатые и/или ременные передачи обеспечивают поворот звеньев робота на заданный угол. В некоторых вариантах осуществления используются редукторы для понижения скорости движения звеньев и увеличения точности их движений. Точность позиционирования заявленного робота составляет около 0,3 мм.
При необходимости управляющая программа обеспечивает работу робота циклически по заданному алгоритму. Алгоритм может быть настроен так, чтобы изменяться при изменении внешних условий, например, в одном варианте осуществления робот перемещает объект из неизменной точки А в неизменную точку Б, а в другом варианте осуществления робот постоянно меняет точку А и/или точку Б, чтобы сложить объекты рядом друг с другом, друг на друга, чтобы выявить и захватить объект с нового места.
Вариант осуществления полезной модели
Основание 301 робота представляет собой расположенную на полу жесткую опору, на которой закреплена вертикальная стойка 302. Внутри основания 301 находится механизм вращения вертикальной стойки 302 вокруг ее вертикальной оси. Этот механизм представляет собой одно из: сервопривода или шагового двигателя с редуктором, зубчатой или ременной передачей. Механизм вращения стойки вращает вертикальную стойку 302, прикладывая механическое усилие на ось стойки 302, например, посредством зубчатых колес или волнового редуктора. Стойка 302 закреплена в основании так, чтобы сохранять по существу вертикальное положение при вращении.
Стойка 302 (первое звено) робота представляет собой вертикальный выполненный из жесткого материала столб, внутри которого находится механизм шарико-винтовой передачи или ременная передача, с помощью этого механизма и привода второе звено 303 движется вдоль стойки 302 вертикально вверх или вниз. Комбинация по меньшей мере одного из привода, редуктора, шарико-винтовой передачи, ременной, зубчатой передач обеспечивают требуемые параметры перемещения второго звена 303 относительно первого звена.
Второе звено 303 представляет собой жесткий вытянутый элемент, закрепленный на стойке 302 с возможностью движения вдоль нее. Одним концом второе звено 303 по существу перпендикулярно закреплено на стойке 302 с возможностью вертикального перемещения, ко второму концу второго звена 303 прикреплено третье звено 304.
Третье звено 304 представляет собой жесткий вытянутый элемент, одним концом прикрепленный ко второму звену 303. Крепление третьего звена 304 ко второму звену 303 выполнено таким образом, чтобы обеспечивать ему возможность вращаться в горизонтальной плоскости: посредством вертикального вала, проходящего через второе звено 303 и третье звено 304. Этот вал преобразует вращение привода во вращение третьего звена 304 в горизонтальной плоскости. Комбинация по меньшей мере одного из привода, редуктора, ременной, зубчатой передач обеспечивают требуемые параметры перемещения третьего звена 304 относительно второго звена 303.
Четвертое звено 305 представляет собой жесткий вытянутый элемент, одним концом прикрепленный к третьему звену 304. Крепление четвертого звена 305 к третьему звену 304 выполнено таким образом, чтобы обеспечивать ему возможность вращаться в горизонтальной плоскости: посредством вертикального вала, проходящего через четвертое звено 305 и третье звено 304. Этот вал преобразует вращение привода во вращение четвертого звена 305 в горизонтальной плоскости. Комбинация по меньшей мере одного из привода, редуктора, ременной, зубчатой передач обеспечивают требуемые параметры перемещения четвертого звена 305 относительно третьего звена 304.
Пятое звено 306 представляет собой жесткий вытянутый элемент, одним концом прикрепленный к четвертому звену 305. Крепление пятого звена 306 к четвертому звену 304 выполнено таким образом, чтобы обеспечивать ему возможность вращаться в плоскости параллельной вертикальной оси: посредством горизонтально расположенного вала, проходящего через четвертое звено 305 и пятое звено 306. Этот вал преобразует вращение привода во вращение пятого звена 306 в плоскости параллельной вертикальной оси. Комбинация по меньшей мере одного из привода, редуктора, ременной, зубчатой передач обеспечивают требуемые параметры перемещения четвертого звена 305 относительно пятого звена 306.
Шестое звено 307 представляет собой жесткий элемент, прикрепленный к вытянутому пятому звену 306. Крепление шестого звена 307 к пятому звену 306 выполнено таким образом, чтобы обеспечивать ему возможность вращаться вокруг продольной оси вытянутого пятого звена 306: посредством вала, проходящего через шестое звено 307 и пятое звено 306. Этот вал преобразует вращение привода пятого звена 306 во вращение шестого звена 307 вокруг продольной оси пятого звена 306. Комбинация привода, редуктора, ременной, зубчатой передач обеспечивают требуемые параметры перемещения шестого звена 307 относительно пятого звена 306.
В различных вариантах осуществления рабочий орган заявленного робота представляет собой одно из следующего: рабочий орган с поворотным движением пальцев, рабочий орган с плоскопараллельным кинематическим механизмом, рабочий орган с параллельным кинематическим механизмом скользящего типа, трехпалый рабочий орган, рабочий орган на присосках, рабочий орган, основанный на вкручивании внутрь захватываемого объекта.
Рабочий орган, основанный на вкручивании внутрь захватываемого объекта, актуален для подъема тяжелых объектов, например, выполненных из металла. Силы сжатия рабочего органа в виде пальцев или силы присасывания рабочего органа в виде присосок может быть недостаточно для подъема тяжелого объекта, но при вкручивании внутрь него резьбового элемента может быть обеспечена надежная фиксация и дальнейшее перемещение такого объекта. Материал объекта должен иметь достаточную прочность, чтобы не разрушаться в месте вкручивания при подъеме его роботом.
В одном из вариантов осуществления для обеспечения движения в первом звене робота используется серводвигатель, ременная передача 1:1 (здесь и далее таким образом обозначено передаточное отношение), волновой редуктор 1:80; во втором звене робота используется серводвигатель и шарико-винтовая передача 1:10; в третьем звене робота используется шаговый двигатель биполярный, планетарный редуктор 1:10, ременная Передача 38:96; в четвертом звене робота используется шаговый двигатель биполярный, планетарный редуктор 1:10, ременная передача 38:96; в пятом звене робота используется шаговый двигатель биполярный, редуктор планетарный угловой 1:40, ременная передача 20:32; в шестом звене робота используется шаговый двигатель биполярный, планетарный редуктор 1:40.
Варианты осуществления не ограничиваются описанными здесь вариантами осуществления, специалисту в области техники на основе информации, изложенной в описании, и знаний уровня техники станут очевидны и другие варианты осуществления полезной модели, не выходящие за пределы сущности и объема данной полезной модели.
Под функциональной связью элементов следует понимать связь, обеспечивающую корректное взаимодействие этих элементов друг с другом и реализацию той или иной функциональности элементов. Частными примерами функциональной связи может быть связь с возможностью обмена информацией, связь с возможностью передачи электрического тока, связь с возможностью передачи механического движения, связь с возможностью передачи света, звука, электромагнитных или механических колебаний и т.д. Конкретный вид функциональной связи определяется характером взаимодействия упомянутых элементов, и, если не указано иное, обеспечивается широко известными средствами, используя широко известные в технике принципы.
Упомянутые линии связи, если не указано иное, являются стандартными, известными специалистам линиями связи, материальная реализация которых не требует творческих усилий. Линией связи может быть провод, набор проводов, шина, беспроводная линия связи (радиочастотная, инфракрасная, ультразвуковая и т.д.). Протоколы связи по линиям связи известны специалистам и не упоминаются отдельно.
Элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают множественности элементов, если отдельно не указано иное.
Элементы предложенного устройства находятся в общем корпусе, связаны друг с другом конструктивно и функционально посредством монтажных (сборочных) операций.
В заявке не указано конкретное программное и аппаратное обеспечение для реализации блоков на чертежах, но специалисту в области техники должно быть понятно, что сущность полезной модели не ограничена конкретной программной или аппаратной реализацией, и поэтому для осуществления полезной модели могут быть использованы любые программные и аппаратные средства известные в уровне техники. Так аппаратные средства могут быть реализованы в одной или нескольких специализированных интегральных схемах, цифровых сигнальных процессорах, устройствах цифровой обработки сигналов, программируемых логических устройствах, программируемых пользователем вентильных матрицах, процессорах, контроллерах, микроконтроллерах, микропроцессорах, электронных устройствах, других электронных модулях, выполненных с возможностью осуществлять описанные в данном документе функции, компьютер либо комбинации вышеозначенного.
Хотя отдельно не упомянуто, но очевидно, что, когда речь идет о хранении данных, программ и т.п., подразумевается наличие машиночитаемого носителя данных.
Несмотря на то, что примерные варианты осуществления были подробно описаны и показаны на сопроводительных чертежах, следует понимать, что такие варианты осуществления являются лишь иллюстративными и не предназначены ограничивать более широкую полезную модель, и что данная полезная модель не должна ограничиваться конкретными показанными и описанными компоновками и конструкциями, поскольку различные другие модификации могут быть очевидны специалистам в соответствующей области.
Элементы устройства могут быть выполнены из любого подходящего материала, например, не с целью ограничения, из железа, алюминия, меди, нержавеющей стали, титана, углеродных волоконных композитных материалов и т.п. Эти составные части могут быть изготовлены с использованием способов, известных обычным специалистам в данной области, включая, лишь в качестве примера, механическую обработку на станках и литье по выплавляемой модели.