АНТРОПОМОРФНЫЙ МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании антропоморфных манипуляторов с дистанционным управлением копирующего типа.
Известен задающий орган манипулятора, содержащий основание, ложемент под локоть оператора и рукоятку для кисти, при этом ложемент и рукоятка между собой и основанием кинематически связаны рычажно-шарнирным механизмом с возвратными пружинами, а каждый механизм представляет собой рычаг с двумя взаимно перпендикулярными шарнирами. Ложемент, кроме того, дополнительно соединен с основанием шарнирным параллелограммом (см. а.с. СССР №1546248, B25J 3/04).
Недостатком известного решения является сложность конструкции в силу избыточного количества звеньев - элементов шарнирно-рычажных механизмов и кинематических пар.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является копирующий манипулятор (см. ПМ РФ №135956, B25J 3/00). В соответствии с известным решением антропоморфный манипулятор, содержит задающее и исполнительное устройства, выполненные с возможностью закрепления соответственно на корпусе оператора и основании, и выполненные по схеме, включающей плечо, предплечье, кисть, соединенные между собой вращательными парами, на предплечье задающего устройства размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, при этом плечо задающего устройства выполнено в виде двух звеньев, соединенных между собой поступательной парой и с возможностью соединения с корпусом и предплечьем оператора через карданы, причем одна из осей кардана, предназначенная для соединения с предплечьем, соосна оси вращательной пары плечо - предплечье, а оси карданов и поступательная пара оснащены приборами замера относительного движения звеньев.
Недостатком известного устройства является сложность в реализации отдельных узлов. В частности, размещение кардана в зоне соединения с предплечьем оператора требует дополнительного пространства. Это увеличивает габариты задающего устройства и ограничивает возможности работы оператора, особенно при наличии препятствий в окружающем его рабочем пространстве. Техническая реализация поступательной пары так же сопряжена с оснащением дополнительными элементами, или же использования специальных профилей, обеспечивающих реализацию только поступательного движения между звеньями, образующими плечо.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции задающего устройства.
Техническая задача решается тем, что в известном манипуляторе, содержащем исполнительное и задающее устройства, реализованных с возможностью закрепления соответственно на основании и корпусе оператора, задающее устройство, выполненное по схеме, включающей плечо, предплечье, кисть, на предплечье размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, плечо образовано двумя звеньями, с возможностью соединения первого из них с корпусом оператора через универсальный (карданный) шарнир, а второго с предплечьем, приборы для замера относительного движения звеньев задающего устройства, при этом звенья, образующие плечо, соединены между собой цилиндрической парой, второе звено соединяется с предплечьем через вращательную пару, ось которой соосна оси локтевого сустава оператора.
На фиг.1 представлены кинематические схемы задающего и исполнительного устройств.
1И
1И
2И
x
y
z
Антропоморфный манипулятор содержит задающее устройство 1 (фиг.1) и исполнительное устройство 2. Задающее устройство 1 имеет подвижные звенья 4, 5 и 6. Исполнительное устройство 2 включает в себя звенья: плечо 7, предплечье 8, кисть 9 и закреплено на основании 10. Основание 10 и звенья 7, 8 и 9 соединены между собой кинематическими парами 11…15. Кинематическая пара 11 образована основанием 10 и звеном 7 и обеспечивает движение типа ротация с углом α. Кинематическая пара 12, обеспечивает поворот на угол β вокруг оси перпендикулярной звену 7. Кинематическая пара 13 образована звеном 7 и дополнительным звеном 16 и обеспечивает движение типа ротация с углом α. В совокупности три кинематические пары обеспечивают движение по трем обобщенным координатам аналогичное тому, что реализовано в суставе 17, соединяющем плечо 18 и корпус 19, и являющимся сферической парой. При этом положение плеча в пространстве определяется углами γ, γ, γ.
13
23
2И
33
33
лок
Плечо задающего устройства 1 образовано двумя подвижными звеньями 4 и 5. Звено 4 выполнено с возможностью соединения с корпусом оператора 19 универсальным (карданным) шарниром 20. Положение звена 4, относительно корпуса 19, определяется двумя углами относительного поворота: β, β. Звено 5 соединяется со звеном 4 цилиндрической парой 21, допускающей вращательное и поступательное (вдоль оси вращения) движения, определяемые соответственно обобщенными координатами α и h. Звенья 5 и 6 соединены между собой вращательной парой 22. Движение в ней характеризуется координатой β. При этом ось вращения вращательной пары 22 - β, соосна оси локтевого сустава 23 - γ. Звено 6 через ложемент 24 соединяется с предплечьем 25.
13
23
2И
33
лок
3З
Все кинематические пары 20, 21, 22 задающего устройства 1 оснащены приборами для замера относительного движения звеньев (на фиг.1 условно не показаны) и регистрации значений обобщенных координат β и β - универсальный шарнир 20, α и h - цилиндрическая пара 21, β - вращательная пара 22. Выполнение плеча задающего устройства 1 в виде двух звеньев 4 и 5 с образованием цилиндрической пары 21 и соединение с основанием через универсальный (карданный) шарнир 20, предплечьем через вращательную пару 22, обеспечивает пространственную ориентацию звена 6. При этом звенья задающего устройства 1 не ограничивают движения плеча 18 и предплечья 25 оператора. Сохраняется полная свобода движений руки оператора. Соосность оси вращательной пары 22 с осью локтевого сустава 23 совместно с соединением предплечья 6, задающего устройства 1 с предплечьем оператора 25 через ложемент 24 обеспечивает равенство углов γ=β.
Соединение звеньев 4 и 5 цилиндрической парой 21 позволяет конструктивно исключить использование дополнительных деталей. Например, звено 4 выполняется в виде охватывающей детали с цилиндрическим отверстием, в котором перемещается поступательно и вращается звено 5 цилиндрической формы. Уменьшение количества деталей, входящих в состав задающего устройства 1, обеспечивает упрощение его конструкции.
Вращательная пара 22 имеет небольшие габариты, в силу того, что имеет только одну ось вращения. При этом реализует только движение звена 5 в плоскости, параллельной плоскости движения плеча 18 и отсутствует движение в плоскости его пересекающей. Это позволяет размещать звенья 4, 5 и 6 задающего устройства 1, в непосредственной близости с рукой оператора. Как следствие, при размещении на руке оператора задающего устройства 1, незначительно увеличиваются ее естественные габариты. Это позволяет реализовывать управляющие движения антропоморфным манипулятором при наличии в непосредственной близости с рукой оператора внешних объектов.
1З
2З
3З
x
y
z
лок
лок
3З
x
y
z
1З
2З
3З
Задающее устройство 1 кинематически связано с рукой оператора и имеет с ним общее звено - предплечье 25, пространственное положение которого определяется параметрами β, β, β, h с одной стороны и углами поворота γ, γ, γ, γ в плечевом суставе 17. При этом γ=β, а три угла поворота γ, γ, γ, определяющие положение плеча оператора 17, вычисляются через замеренные величины: β, β, β, h. Это позволяет определять абсолютные значения углов поворота в суставе 17 с точностью, совпадающей с точностью замера приборами относительного движения звеньев 4, 5 и 6.
Антропоморфный манипулятор работает следующим образом.
При необходимости задать управляющие сигналы для выполнения движений в кинематических парах 11, 12, 13 и 14 исполнительного устройства 2 оператор выполняет повороты в движении в суставе 17 и 23.
3З
лок
3З
3З
лок
При этом поворот предплечья 25 обеспечивает поворот ложемента 24 и вращение во вращательной паре 22 на угол β. В силу соосности оси вращательной пары 22 и оси поворота в суставе 23 обеспечивается равенство углов γ=β. При этом приборы замера угла поворота размещенное во вращательной паре 22 обеспечивают фиксацию угла β, а следовательно, и угла поворота предплечья 25 относительно плеча 18 - γ. Далее управляющий сигнал используется для формирования движения в кинематической паре 14 исполнительного устройства 2.
1З
2З
2З
3З
13
23
33
x
y
z
Структурная схема задающего механизма 1, в силу выполнения плеча в виде соединенных цилиндрической пары 21 звеньев 4 и 5 и соединения звена 5 со звеном 6 через вращательную пару, обеспечивает число степеней подвижности равное 4. За счет этого рука оператора имеет возможность свободно выполнять движения, не ограничиваемые задающим устройством 1. Движение руки оператора сопровождается поворотами в кинематической паре 20 - измерение величин углов β и β, движением в цилиндрической паре 21 - изменение величины β и h, поворотом во вращательной паре 22 - измерение величины угла β. Т.к. все кинематические пары 20, 21, 22 оснащены приборами замера относительного движения звеньев их образующих, то обеспечивается фиксация величин β, β, β, h. По их численным значениям углы поворота в плечевом суставе 17: γ, γ, γ
x
y
z
1И
2И
1И
Значения углов поворота γ, γ, γ, плеча оператора 18 и предплечья 25 являются достаточными для задания соответствующих углов поворота α, α, β исполнительного механизма 2.
13
23
33
1И
2И
1И
В силу свободного движения руки оператора, замер величин β, β, β, h определяется только точностью приборов, т.е. обеспечивается получение информации, достаточной для управления движением исполнительного устройства 2: α, α, β.
Таким образом, заявляемый антропоморфный манипулятор обладает более простой конструкцией, размещается в непосредственной близости с рукой оператора, не ограничивает ее движения и обеспечивает формирование управляющих сигналов, необходимых для функционирования исполнительного устройства, за счет определения через задающее устройство значений углов поворота в плечевом 17 и локтевом 23 суставах оператора.