УСТРОЙСТВО РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ МАНИПУЛЯТОРОМ

Полезная модель относится к области машиностроения, предназначена для формирования электрических сигналов по четырем каналам управления объекта и может быть использована в ручных электродистанционных системах управления манипуляторами.
Известно устройство ручного управления подвижным объектом (патент №2253593, МПК B64C 13/04, РФ, опубл. 10.06.2005 г), содержащее корпус, рукоятку, кинематически связанную с механическими узлами, обеспечивающими как раздельное, так и одновременное отклонение рукоятки по двум, взаимно перпендикулярным направлениям, а так же пружинные загружатели и электрические датчики положения рукоятки. Механические узлы, обеспечивающие, отклонение рукоятки, выполнены в виде, консольно закрепленных на соответствующих осях вращения двух дуг, одна из которых отклоняется относительно вертикальной оси в канале азимута, а другая- относительно горизонтальной оси в канале угла места, причем они связаны между собой посредством дугообразной стойки, нижний конец которой посредством вертикальной оси подвижно соединен с дугой канала угла места и жестко соединен с кронштейном рукоятки, а верхний конец дугообразной стойки шарнирно соединен с помощью горизонтальной оси вращения с подвижной скобой, выполненной с возможностью скольжения в направляющем пазе дуги канала азимута, при этом вертикальная ось вращения дугообразной стойки совпадает с осью вращения дуги канала азимута, а верхняя горизонтальная ось вращения дугообразной стойки совпадает с осью вращения дуги канала угла места, кроме этого, в корпусе устройства по каждому каналу управления установлен демпфер, кинематически связанный с осью вращения соответствующей дуги.
Недостатками технического решения является искажение восприятия оператором сопротивления на рукоятке, вызываемое нелинейным характером передачи на нее сил трения скобы в направляющем пазу дуги при разных сочетаниях углов поворота рукоятки в каналах азимута и места, а потому невысокая точность управления и утомляемость мышц кисти оператора, невысокая надежность кинематической пары скольжения скоба - направляющий паз из-за противоречия в избавлении от зазора и возможностью заклинивания. В зависимости от области применения, к недостаткам следует отнести и ограниченное двумя значение числа степеней свободы устройства.
Наиболее близким техническим решением является устройство ручного управления манипулятором - триподом, (патент №2501648 МПК B25J 13/02, РФ, опубл. 20.12.2013), содержащее корпус, манипуляционную рукоятку и датчики позиционирования. Манипуляционная рукоятка установлена посредством сферического шарнира на платформе, связанной с рукоятью-подлокотником, а на стержне манипуляционной рукоятки установлена скользящая втулка, на внешней поверхности которой по окружности через 120 размещены сферические шарниры, в которых крепятся штанги датчиков позиционирования, другие концы которых связаны с платформой посредством цилиндрических шарниров.
Недостатками данного технического решения являются невысокая точность управления, связанная с ограниченной возможностью перемещения манипуляционной рукоятки в продольном, по отношению к продольной оси рукояти-подлокотника, направлению. При этом, по отношению к рукояти-подлокотнику, устройство ручного управления обладает всего лишь двумя степенями свободы, что существенно ограничивает управленческие возможности оператора.
Задачей является разработка эффективного устройства ручного управления манипулятором.
Техническим результатом является повышение точности и расширение функциональных возможностей управления манипулятором.
Технический результат достигается тем, что в устройстве ручного управления манипулятором, содержащем манипуляционную рукоятку, рукоять-подлокотник с откидным обхватом для крепления на руке оператора и датчики позиционирования, снабженные ограничителями с возвратными пружинами и демпферами, при этом, манипуляционная рукоятка установлена посредством поступательной пары на трехстепенном поворотном узле, состоящем из направляющей, кронштейна и скобы, соединенных вращательными парами между собой и с рукоятью-подлокотником с возможностью обеспечения манипуляционной рукоятке трех вращательных и поступательного движений, причем оси вращательных пар скобы пересекаются в кинематическом центре лучезапястного сустава оператора.
Установка манипуляционной рукоятки посредством поступательной пары на трехстепенном поворотном узле, а конкретно на его направляющей, обеспечивает устройству возможность управления исполнительным органом в направлении продольной оси, как, например, при управлении инструментом для движения вперед или назад. Крепление самой направляющей на кронштейне посредством вращательной пары обеспечивает устройству возможность управления исполнительным органом в поперечной плоскости, задавая, например инструменту, наклоны влево или вправо.
Крепление кронштейна на скобе посредством вращательной пары обеспечивает устройству возможность управления исполнительным органом в продольной вертикальной плоскости, задавая инструменту перемещение вверх или вниз.
Крепление скобы к рукояти-подлокотнику посредством вращательной пары обеспечивает устройству возможность управления исполнительным органом в продольной горизонтальной плоскости, задавая инструменту перемещение влево или вправо.
Пересечение осей вращательных пар скобы в кинематическом центре лучезапястного сустава оператора обеспечивает совмещение траекторий движения манипуляционной рукоятки относительно рукояти-подлокотника устройства и кисти оператора относительно его предплечья, зафиксированного откидным обхватом рукояти-подлокотника.
Следствием этого является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности управления манипулятором.
Крепление рукояти-подлокотника к предплечью оператора посредством откидного обхвата обеспечивает устройству жесткую фиксацию при сохранении подвижности оператора, а совмещение рукояти-подлокотника с подлокотником кресла оператора в подвижном объекте, где рукоять-подлокотник с откидным обхватом способны воспринимать воздействие колебаний подвижного объекта на самого оператора, позволяют частично демпфировать тряску и вибрации подвижного объекта, тем самым повышая точность управления манипулятором.
На фиг. 1 изображено устройство ручного управления манипулятором на руке оператора, на фиг. 2 общий вид устройства ручного управления манипулятором, на фиг. 3 трехстепенной поворотный узел.
Устройство ручного управления манипулятором состоит из манипуляционной рукоятки 1, рукояти-подлокотника 2 с откидным обхватом 3, для крепления на руке оператора, датчиков позиционирования 4, имеющих ограничители 5 с возвратными пружинами 6 и демпферами 7. Откидной обхват 3 снабжен застежкой «липучка» для фиксации предплечья оператора. На рукояти-подлокотнике 2 посредством вращательной пары 8 установлена скоба 9, которая посредством вращательной пары 10 соединена с кронштейном 11. При этом оси вращательных пар 8 и 10 скобы 9 пересекаются в кинематическом центре лучезапястного сустава оператора. Кронштейн 11 посредством вращательной пары 12 соединен с направляющей 13, образуя вместе со скобой 9 трехстепенной поворотный узел. Манипуляционная рукоятка 1 установлена на направляющей 13 трехстепенного поворотного узла посредством поступательной пары 14. Вращательные пары 8, 10 и 12 обеспечивают манипуляционной рукоятке 1 возможность трех вращательных движений в продольной горизонтальной, продольной вертикальной и поперечной плоскостях, а поступательная пара 14 обеспечивает манипуляционной рукоятке 1 возможность поступательного движения в продольном направлении.
Устройство ручного управления манипулятором работает следующим образом: устройство фиксируется на предплечье оператора с помощью откидного обхвата 3. В исходном состоянии возвратные пружины 6 создают нейтральное положение датчиков позиционирования 4 по всем четырем каналам, которые обеспечивают управление исполнительными органами, при этом манипуляционная рукоятка расположена вдоль оси рукояти-подлокотника.
При повороте манипуляционной рукоятки 1 кистью оператора влево-право или вверх-вниз происходит соответственное изменение сигналов датчиков позиционирования 4, управляющих исполнительными органами, которые обеспечивают соответственное перемещение орудия или инструмента манипулятора. При снижении усилия, прилагаемого к манипуляционной рукоятке 1, происходит плавный, за счет возвратных пружин 6 и демпферов 7, например, в виде фрикционных шайб, возврат ее в нейтральное положение.
Поворот манипуляционной рукоятки 1 вокруг собственной оси обеспечивает изменение сигнала датчика позиционирования 4 во вращательной паре 12 кронштейна 11 и соответственно крен орудия или инструмента манипулятора в поперечной плоскости.
Перемещение манипуляционной рукоятки 1 вдоль направляющей 13 относительно рукояти-подлокотника 2 в направлении ее продольной оси обеспечивает управление перемещением орудия или инструмента в соответствующих направлениях или, при управлении подвижным объектом, изменением скорости перемещения этого объекта.
Таким образом, устройство ручного управления манипулятором обеспечивает повышение точности управления манипулятором, при существенном расширении его функциональных возможностей.