УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ИНСТРУМЕНТОМ МАНИПУЛЯТОРА

Полезная модель относится к области роботостроения, конкретно к устройствам для управления манипуляторов и может быть использована в различных отраслях для управления перемещением технологического инструмента манипуляторов в автоматизированном и автоматическом режимах с возможностью их «обучения».
Известно устройство управления манипулятором, содержащее рукоятку, соединенную с основанием через упругий элемент, с которого при помощи тензодатчиков снимаются сигналы, пропорциональные приложенному управляющему усилию и моментам (Медведев B.C. и др. Системы управления манипуляционных роботов, Наука, 1978 г., с. 182-183, рис. 3.8). Устройство обеспечивает управление манипулятором в автоматизированном режиме, но имеет нелинейную характеристику рукоятки, что приводит к вероятности появления ошибок в процессе управления им.
Наиболее близким аналогом (прототипом) полезной модели определено устройство управления технологическим инструментом манипулятора, содержащее корпус, рукоятку, подвижную относительно корпуса, и средство контроля управляющего усилия, посредством соответствующего потенциометра, ось которого приводится в движение упругой пружиной кручения, связанной с рукояткой и воспринимающей усилие от руки оператора, и фиксатора, устанавливающего необходимый порог управляющего усилия (SU №996039, В21J 13/10, 1983 г.).
Однако конструктивное исполнение прототипа не предусматривает контроль усилия от объекта на технологический инструмент манипулятора, что ограничивает его возможности по обучению манипулятора.
Задача, решаемая полезной моделью, направлена на создание устройства управления технологическим инструментом манипулятора с расширенными функциональными возможностями.
Технический результат, получаемый при реализации полезной модели, состоит в обеспечении контроля усилия, создаваемого объектом манипулирования на технологический инструмент манипулятора.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство управления технологическим инструментом манипулятора, содержащее корпус, рукоятку, подвижную относительно корпуса, и взаимосвязанное с рукояткой средство, предназначенное для контроля управляющего усилия, в отличие от прототипа, дополнительно снабжено средством, предназначенным для контроля усилия от объекта манипулирования на технологический инструмент, при этом оба средства контроля в нем выполнены в виде измерительных датчиков усилия, и при этом рукоятка размещена внутри корпуса по его вертикальной оси и связана с корпусом посредством упругой диафрагмы, периферийные участки которой жестко закреплены в корпусе, и измерительный датчик управляющего усилия установлен по центру этой диафрагмы над рукояткой, а технологический инструмент размещен на одной оси с рукояткой и установлен на обращенном к объекту манипулирования торце корпуса посредством аналогичной упругой диафрагмы, периферийные участки которой также жестко связаны с корпусом, и измерительный датчик усилия от объекта манипулирования на технологический инструмент установлен над инструментом по центру этой диафрагмы.
На представленном чертеже дан общий вид устройства.
Осуществление полезной модели. Устройство содержит корпус 1, соединенный с рукояткой 2, измерительный датчик 3 управляющего усилия, измерительный датчик 4 усилия от объекта на технологический инструмент, а также две упругие диафрагмы 5 и 6. Рукоятка 2 размещена по оси устройства и связана с корпусом 1 посредством упругой диафрагмы 5, периферийные участки которой жестко закреплены в корпусе 1, и датчик 3 управляющего усилия установлен по центру диафрагмы 5 над рукояткой 2. Технологический инструмент 7 расположен также по оси устройства, установлен на обращенном к объекту манипулирования торце корпуса 1 посредством упругой диафрагмы 6, периферийные участки которой жестко связаны с корпусом 1, и датчик 4 усилия от объекта манипулирования на технологический инструмент установлен по центру диафрагмы 6 над технологическим инструментом 7. Корпус 1 устройства жестко крепится на конечном звене 8 манипулятора.
Датчики усилий 3 и 4 могут быть выполнены любым известным целесообразным образом, например, в виде тензодатчиков, в каждом из них расположены четыре тензометра, которые включены в мостовую систему. Тензодатчики крепятся к диафрагмам путем приклеивания с противоположных сторон от мест связи диафрагм с рукояткой и инструментом.
Предлагаемое устройство управления технологическим инструментом манипулятора имеет два режима работы: первый - автоматизированный, когда задействованы оба датчика усилий с целью одновременного и раздельного измерения действующих усилий, возникающих между объектом манипулирования, технологическим инструментом манипулятора и оператором, и запоминания параметров управляющего усилия, используемого в качестве усилия «обучения» манипулятора от оператора для его дальнейшего воспроизведения (на представленном чертеже показаны проекции усилий в направлении оси Z, характерные для автоматизированного режима управления). При втором - автоматическом режиме задействован один датчик 4 контроля усилия от объекта манипулирования на технологический инструмент манипулятора.
o
r
Действие устройства основано на том, что в автоматизированном режиме оператор управляет движением конечного звена манипулятора 8 через рукоятку 2, воздействуя на корпус 1 и, тем самым, одновременно управляет движением инструмента 7, прикладывая к рукоятке усилие F, определяемое поставленной задачей, например, технолог задает на рукоятке рабочее усилие, с которым фрезерный инструмент воздействует на обрабатываемую поверхность, или врач прикладывает на рукоятку управляющее усилие, с которым массажный инструмент должен воздействовать на тело пациента. В автоматическом и автоматизированном режимах управления со стороны манипулятора 8 на корпус 1 устройства управления прикладывается усилие F. От объекта манипулирования на технологический инструмент 7 прикладывается усилие F.
o
o
r
o
r
o
Направления и величины указанных усилий будут зависеть от выбранной системы направления отсчета. Например, при приложении управляющего усилия F в положительном направлении оси Z от оператора к рукоятке 2, в диафрагме 5 возникают деформации, которые преобразуются на выходе датчика усилия 3 в электрический сигнал пропорциональный проекциям совокупности усилий F=F-F. На технологический инструмент 7 воздействует усилие со стороны объекта манипулирования F в отрицательном направлении оси Z, при этом в диафрагме 6 возникают деформации, которые преобразуются на выходе датчика усилия 4 в электрический сигнал пропорциональный проекциям совокупности усилий F=F+F. Информация с датчиков передается в систему управления манипулятора и хранится в памяти управляющего компьютера с последующим ее использованием в автоматическом режиме работы манипулятора. При взаимодействии технологического инструмента 7 с объектом манипулирования в процессе перемещения устройства направление отсчета усилий от манипулятора, от оператора и от объекта манипулирования на технологический инструмент в динамике будет постоянно меняться, при этом, чем чаще будет происходить опрос усилий, тем точнее они будут записаны и в последующем воспроизведены. На каждом шаге опроса показания датчиков 3 и 4 будут различаться. Из этого следует, что необходимо одновременно и раздельно проводить измерение этих усилий, что обеспечивает дополнительно введенный контроль усилия от объекта. В автоматическом режиме, когда отсутствует управляющее усилие (F=0), показания датчиков 3 и 4 будут практически одинаковыми.
o
r
o
r
Предлагаемая конструкция устройства управления позволяет получать независимую информацию об усилиях F, F, F, благодаря отличительным признакам устройства и, тем самым, выделить, путем вычитания F(t)=F(t)-F(t) сигнал обучения от усилия оператора для его запоминания с целью дальнейшего использования манипулятора без участия оператора. Размещение рукоятки устройства управления на одной общей оси с технологическим инструментом и манипулятором обеспечивает равномерность распределения управляющего усилия от корпуса на объект манипулирования, что позволит повысить удобство управления и снизить ошибки оператора в автоматизированном режиме.
Устройство обладает компактной и технологичной конструкцией. Его изготовление не требует значительных финансовых затрат, т.к. оно может быть изготовлено в условиях действующего производства с использованием широко используемых и доступных материалов и комплектующих.