ЗВЕНО МАНИПУЛЯТОРА

Полезная модель относится к области робототехники, а именно к конструкции манипуляторов, и может быть использована в различных областях техники.
Известен манипулятор, предназначенный для использования в дистанционно управляемых роботах (WO 2009035490 A1, опубл. 19.03.2009). Манипулятор включает шарнирно соединенные плечо, предплечье и рабочий орган.
Известен манипулятор, содержащий шарнирно соединенные плечо, предплечье и рабочий орган (CN 207983376 U, опубл. 19.10.2018). При этом предплечье и рабочий орган соединены с помощью шарового шарнира, а плечо и предплечье - с помощью шарнира, обеспечивающего их вращение вокруг общей оси. Рабочий орган манипулятора снабжен датчиком давления. В процессе работы указанный датчик позволяет определить вес захватываемого предмета и отрегулировать усилие захвата.
Известен манипулятор, содержащий плечо, предплечье и рабочий орган (RU 2616317, опубл. 14.04.2017). Места сочленения плечо-предплечье и предплечье-рабочий орган выполнены в виде рычажных механизмов с возможностью поворота вверх и вниз плеча, предплечья и рабочего органа. При этом плечо и предплечье снабжены индивидуальными управляемыми приводами на основе планетарно-цевочных редукторов.
Недостатком известных манипуляторов является низкая надежность конструкции. Это обусловлено наличием люфтов в редукторах приводов, приводящих к резкому увеличению импульсной нагрузки на приводы в момент начала работы и в период работы манипулятора, что еще больше проявляется, например, при захвате рабочим органом тяжелых предметов, в результате чего приводы выходят из строя. Кроме того, «мертвая зона» привода приводит к снижению точности позиционирования рабочего органа при выполнении сложных, требующих высокой точности работ.
Наиболее близким по технической сущности является манипулятор, содержащий каркас, на котором установлены приводной шкив и приводной двигатель, ремень которого сопряжен с приводным шкивом (RU 170656, опубл. 03.05.2017).
Недостатком известных аналогов-манипуляторов и манипулятора, выбранного в качестве прототипа (RU 170656), является низкая надежность конструкции. Это обусловлено наличием люфтов в редукторах приводов, приводящих к резкому увеличению импульсной нагрузки на приводы в момент начала работы и в период работы манипулятора, что еще больше проявляется, например, при захвате рабочим органом тяжелых предметов, в результате чего приводы выходят из строя. Кроме того, «мертвая зона» привода приводит к снижению точности позиционирования рабочего органа при выполнении сложных, требующих высокой точности работ.
Технической проблемой является создание надежного и долговечного манипулятора.
Технический результат заключается в минимизации нагрузки на приводы в момент начала работы и в период работы манипулятора.
Технический результат достигается за счет того, что звено манипулятора, содержащее каркас, установленные на каркасе приводной шкив и приводной двигатель, ремень которого сопряжен с приводным шкивом, согласно полезной модели снабжено компенсирующим шкивом, расположенным на каркасе соосно с приводным шкивом, и двумя упругими элементами, одним концом закрепленными к каркасу, а другим концом соединенными с концами ремня, сопряженного с компенсирующим шкивом
В частных вариантах реализации полезной модели упругие элементы выполнены в виде пружин растяжения, спиральных пружин кручения или пневматических упругих элементов.
имп
ст
дв
имп
ст
дв
Авторами экспериментально установлено, что заявленные конструктивные особенности выполнения звена манипулятора позволяют снизить нагрузки на приводы в момент начала работы и в период работы манипулятора. Для этого авторами были проведены испытания манипулятора-аналога, конструктивно выполненного как в документе RU 2616317, и манипулятора, в котором звенья выполнены в соответствии с заявленной полезной моделью. Манипуляторами осуществлялся захват предметов с различным весом (100 г, 500 г, 750 г, 1200 г) и их перемещение (при достижении звеньями своих крайних, ненулевых, положений). С помощью муарового датчика момента измерялись импульсный момент нагрузки на привод при переходном процессе в момент остановки двигателя звена (M), статический момент нагрузки после остановки звена (M) и момент нагрузки на привод в процессе движения (M). Кроме того, производилось измерение электрической мощности двигателя и механической мощности двигателя (с помощью датчика углового положения и датчика момента). В результате испытаний было установлено, что момент нагрузки на привод при переходном процессе в момент остановки двигателя звена (M), статический момент нагрузки после остановки звена (M) и момент нагрузки на привод в процессе движения (M) при захвате и перемещении предметов различной массы у заявленного звена манипулятора меньше, чем у манипулятора-аналога RU 2616317. Это обеспечивает надежную работу заявленного устройства в течение длительного времени.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлено звено манипулятора, на фиг. 2 - вариант манипулятора в сборе (шарнирно соединенные два звена и рабочий орган).
Звено манипулятора содержит каркас 1 и соосно расположенные приводной 2 и компенсирующий 3 шкивы, установленные на каркасе 1. Шкивы 2, 3 выполнены зубчатыми для обеспечения лучшего зацепления с ремнями двигателей. Ремни могут быть заменены на цепи или различные механизмы безлюфтовой передачи момента в напряженном состоянии.
Шкивы звена являются осью вращения следующего звена.
На каркасе установлен приводной двигатель 4, ремень 5 которого находится в зацеплении с приводным шкивом 2, передающим вращательное движение следующему звену манипулятора.
Звено содержит также упругие элементы, выполненные, например, в виде пружин растяжения 6, 7, каждая из которых одним концом закреплена к каркасу 1, а другим концом соединена с концами ремня натяжения 8. При этом указанный ремень 8 сопряжен с компенсирующим шкивом 3. Подбор пружин осуществляется с учетом момента силы тяжести, действующей на ненагруженное звено.
Рабочий орган 9 предназначен для выполнения различных манипуляций, например, захвата различных предметов.
Заявленное звено может быть использовано в манипуляторах, применяемых в различных областях техники, например, в детских роботах-конструкторах для обучения конструированию, моделированию и программированию. При этом звено может быть единственным в составе манипулятора (звено и рабочий орган) или может быть использовано несколько одинаковых звеньев (например, звено-предплечье, звено-плечо и рабочий орган).
В процессе работы манипулятора его звенья меняют свое пространственное положение. В качестве отправного (начального) положения принято вертикальное (нулевое) положение звеньев (например, как на фиг. 2). Крайние положения звеньев (соответствующие 0° или 180°) обозначаются как ненулевые. При перемещении, например, второго звена (звена, находящегося между первым звеном и рабочим органом) относительно первого звена из ненулевого положения в нулевое положение пружины 6, 7 растягиваются и сжимаются; при этом разность сил, приложенных к шкивам 2 и 3, создает крутящий момент, частично или полностью компенсирующий момент, который создается силой тяжести второго звена, рабочего органа и предмета, захваченного рабочим органом, снимая часть нагрузки с приводного двигателя 4. Кроме того, обеспечивается нивелирование броска момента и компенсация импульсного момента на первом звене при изменении положения второго звена, которое образуется за счет некоторого растяжения ремня 5 и наличия люфта в редукторе двигателя 4. Дополнительным техническим результатом является повышение точности позиционирования рабочего органа за счет устранения влияния люфта редуктора двигателя, а также устранение «мертвой» зоны манипулятора в районе нулевого положения звена.
В случае если манипулятор содержит одно звено с рабочим органом принцип работы аналогичен описанному выше.
Таким образом, заявленная полезная модель обеспечивает создание надежного и долговечного манипулятора за счет минимизации нагрузки на приводы в момент начала работы и в период работы манипулятора.