РОБОТ С СОЧЛЕНЕННОЙ РУКОЙ
ROBOT WITH ARTICULATED ARM

Изобретение касается робота с сочлененной рукой, имеющего последовательную кинематику для позиционирования концевого эффектора согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
Робот с сочлененной рукой, о котором идет речь, находит применение в разных областях техники автоматизации. В настоящем случае на переднем плане стоят задачи автоматизации, касающиеся изготовления структурных конструктивных элементов воздушных средств сообщения (летательные аппараты), при которых на концевом эффекторе возникают технологические силы.
Позиционирование концевого эффектора под воздействием технологических сил ставит особые требования к кинематике робота с сочлененной рукой. Одним из влияющих на точность позиционирования факторов является обусловленный допусками зазор в кинематике робота с сочлененной рукой, который можно уменьшать путем задания узких полей допусков, путем натяжения осей привода и т.п. Другим аспектом, который стоит здесь на переднем плане, является жесткость кинематики робота с сочлененной рукой. При недостаточной жесткости кинематики технологические силы могут приводить к нежелательному отклонению в позиционировании концевого эффектора.
Жесткость кинематики робота с сочлененной рукой существенно определяется трансмиссией, которая осуществляет перестановку кинематики. Трансмиссия, которая, как правило, имеет несколько отдельных ветвей из приводного двигателя и по меньшей мере одной включенной позади приводного двигателя передачи, должна противодействовать технологическим силам таким образом, чтобы получались как можно меньшие отклонения в позиционировании концевого эффектора. Это, в свою очередь, ставит дополнительные требования к жесткости трансмиссии в целом.
В основе изобретения лежит задача, предложить робот с сочлененной рукой, имеющий последовательную кинематику для позиционирования концевого эффектора, который имеет высокую жесткость с учетом возникающих на концевом эффекторе технологических сил.
Сначала исходим из того, что кинематика робота с сочлененной рукой имеет по меньшей мере одну отдельную кинематику, имеющую шарнир робота, расположенное впереди шарнира робота звено робота и расположенное позади шарнира робота звено робота.
Итак, существенным является то принципиальное рассуждение, что при оснащении трансмиссии линейным приводом и предназначенной для линейного привода связью при надлежащем расчете может достигаться, что воздействующие на концевой эффектор технологические силы, который передают вращающий момент на данный шарнир робота, создают только сравнительно низкие силы, действующие на линейный привод по его линейной оси. Этот расчет в соответствии с предложением сделан так, что указанная по меньшей мере одна отдельная кинематика имеет линейный привод с переставляемым вдоль линейной оси элементом привода и связь, имеющую два находящихся на расстоянии друг от друга вдоль протяженности связи шарнира связи, при этом линейный привод расположен на первом звене робота из вышеупомянутых двух расположенных впереди и позади звеньев робота отдельной кинематики, и при этом связь одной стороной шарнирно соединена с указанным элементом привода линейного привода, а другой стороной – со вторым, оставшимся звеном робота из вышеупомянутых двух расположенных впереди и позади звеньев робота отдельной кинематики, находящимся на расстоянии от шарнира робота отдельной кинематики.
В особенно предпочтительных вариантах осуществления по пп.2-4 формулы изобретения линейный привод представляет собой привод с ходовым винтом и ходовой гайкой, причем в других предпочтительных вариантах осуществления по п.3 и 4 формулы изобретения геометрическая ось ходового винта стационарно расположена на первом звене робота упомянутой отдельной кинематики. Это упрощает установку ходового винта и тем самым снижает стоимость изготовления.
Особое значение в настоящем случае имеет предпочтительный вариант осуществления по п.5 формулы изобретения, по которому элемент привода продольной направляющей на первом звене робота в одном из вариантов продольно проведен отдельно от линейного привода в направлении направляющей. При этом у вышеупомянутого привода с ходовым винтом и ходовой гайкой можно достичь, чтобы всяческие воздействующие на концевой эффектор технологические силы не передавали на ходовой винт результирующую силу в направлении поперек геометрической оси ходового винта. Это значит, что не возникает неточность позиционирования, которую мог бы вызывать возможный изгиб ходового винта.
В статическом состоянии отдельной кинематики, то есть при остановленном линейном приводе, шарнир робота и два шарнира связи вместе со связью и соответствующими участками звеньев робота, которые располагаются между шарнирами связи и шарниром робота, образуют систему в виде стержневого треугольника, углы которого заданы шарниром робота и шарнирами связи, при этом поверхность треугольника ориентирована поперек геометрической оси шарнира робота.
Также предпочтительные варианты осуществления по пп.8-11 формулы изобретения касаются робота с сочлененной рукой, который оснащен двумя предлагаемыми отдельными кинематиками. При этом в одном из предпочтительных вариантов по п.8 формулы изобретения предусмотрено, что как первой, так и второй отдельной кинематике принадлежит общее звено робота. В принципе, могут быть также предусмотрены больше двух предлагаемых отдельных кинематик, которые, конечно, могут быть параметрированы различным образом.
Далее изобретение поясняется подробнее с помощью чертежей, изображающего только один из примеров осуществления. На чертежах показано:
фиг.1: предлагаемый изобретением робот с сочлененной рукой на виде сбоку;
фиг.2: кинематическая схема робота с сочлененной рукой в соответствии с фиг.1;
фиг.3: робот с сочлененной рукой в соответствии с фиг.1, в каждом случае на виде в перспективе, a) в направлении IIIa взгляда и b) в направлении IIIb взгляда.
Изображенный на чертежах робот 1 с сочлененной рукой оснащен последовательной кинематикой 2 для позиционирования концевого эффектора 3. На фиг.1 изображена относительная система 4 координат, относительно которой концевой эффектор 3, в частности система 5 координат инструмента, может позиционироваться на концевом эффекторе 2.
Кинематика 2 робота 1 с сочлененной рукой включает в себя в настоящем случае по меньшей мере одну отдельную (частичную) кинематику 6, 7, здесь и предпочтительно ровно две предлагаемые отдельные (частичные) кинематики 6, 7. Эти две отдельные кинематики 6, 7 имеют принципиально идентичную структуру, однако могут быть параметрированы (=выбор параметров) различным образом. Это следует, например, из изображения в соответствии с фиг.1.
Далее в первую очередь поясняется первая отдельная кинематика 6. Все связанные в этим рассуждения соответственно относятся ко второй отдельной кинематике 7. В частности, все поясненные для первой отдельной кинематики признаки и преимущества применимы ко второй отдельной кинематике 7, и наоборот.
Отдельная кинематика 6 оснащена шарниром 6.1 робота, расположенным впереди шарнира 6.1 робота звеном 6.2 робота и расположенным позади шарнира 6.1 робота звеном 6.3 робота. Термины «расположенный впереди» и «расположенный позади» отнесены к направлению 8 движения вперед, которое направлено вдоль последовательной кинематики 2 к концевому эффектору 3. Два звена 6.2 и 6.3 робота связаны друг с другом через шарнир 6.1 робота с возможностью поворота.
Отдельная кинематика 6 для перестановки звеньев 6.2, 6.3 робота друг относительно друга имеет линейный привод 6.4, имеющий переставляемый вдоль линейной оси 6.5 элемент 6.6 привода, а также связь 6.7, имеющую два находящихся на расстоянии друг от друга в протяженности связи шарнира 6.8, 6.9 связи. Связь 6.7 выполнена здесь в виде двойной связи, имеющей две параллельно проходящие отдельные связи, как показано на фиг.3a. Под «протяженностью связи» в настоящем случае подразумевается продольная протяженность связи 6.7.
Линейный привод 6.4 расположен на первом звене 6.10 робота отдельной кинематики 6. При этом первое звено 6.10 робота является одним из двух, расположенного впереди и расположенного позади, звеньев 6.2 и 6.3 робота.
Связь 6.7 одной стороной расположена на элементе 6.6 привода линейного привода 6.4, а другой стороной на втором, оставшемся звене 6.11 робота отдельной кинематики 6, а именно удаленно на расстояние 6.12 от геометрической оси 6.1a шарнира 6.1 робота отдельной кинематики 6. При этом второе звено 6.11 робота является другим из двух, расположенного впереди и расположенного позади, звеньев 6.2 и 6.3 робота.
Из вышеупомянутого следует, что перестановка изображенного на фиг.1 элемента 6.6 привода на звене 6.3 робота вверх вызывает соответствующую перестановку звена 6.3 робота в направлении часовой стрелки, в то время как перестановка элемента 6.6 привода на звене 6.3 робота вниз ведет к соответствующей перестановке звена 6.3 робота против направления часовой стрелки.
Вторая отдельная кинематика 7 имеет соответствующую конструкцию и имеет шарнир 7.1 робота, расположенное впереди звено 7.2 робота, расположенное позади звено 7.3 робота, линейный привод 7.4, элемент 7.6 привода которого может переставляться вдоль линейной оси 7.5, связь 7.7, имеющую два шарнира 7.8 и 7.9 связи, первое звено 7.1 робота и второе звено 7.11 робота, а также соответствующее расстояние между шарниром 7.8 связи и шарниром 7.1 робота. Принцип действия второй отдельной кинематики 7 соответствует принципу действия первой отдельной кинематики 6, так что перестановка элемента 7.6 привода на фиг.1 вверх ведет к соответствующей перестановке звена 7.3 робота в направлении часовой стрелки, а перестановка элемента 7.6 привода на фиг.1 вниз к соответствующей перестановке звена 7.3 робота против направления часовой стрелки.
На фиг.2 показана кинематика 2 предлагаемого робота 1 с сочлененной рукой на схематичном изображении. Здесь становится ясно, что шарнир 6.1 робота, два шарнира 6.8, 6.9 связи вместе со связью 6.7 и соответствующими участками звеньев 6.2, 6.3 робота, которые располагаются между шарнирами 6.8, 6.9 связи и шарниром 6.1 робота, а также вместе с линейным приводом 6.4 образует своего рода кривошипно-шатунную кинематику. При этом кривошип представляет собой, собственно, участок звена 6.2 робота, который располагается между обращенным от линейного привода 6.4 шарниром 6.9 связи и шарниром 6.1 робота.
В изображенном и предпочтительном в этом отношении примере осуществления линейный привод 6.4 представляет собой привод с ходовым винтом и ходовой гайкой, имеющий ходовой винт 6.13 и ходовую гайку 6.14, при этом элемент 6.6 привода включает в себя ходовую гайку 6.14 или ходовой винт 6.13, здесь и предпочтительно ходовую гайку 6.14. В особенно предпочтительном варианте осуществления система из ходового винта 6.13 и ходовой гайки 6.14 выполнена в виде системы шарикового ходового винта или в виде системы планетарного роликовинтового механизма. Именно с помощью системы планетарного роликовинтового механизма возможна перестановка высоких нагрузок с высокой точностью.
Интересным аспектом именно с технологической точки зрения у изображенного робота 1 с сочлененной рукой является тот факт, что ходовой винт 6.13 отдельной кинематики 6 опирается на первое, имеющее линейный привод 6.4 звено 6.10 робота отдельной кинематики 6 так, что геометрическая ось 6.13a ходового винта стационарно располагается на первом звене 6.10 робота отдельной кинематики 6. В частности, здесь и предпочтительно ходовой винт 6.13 неподвижно в осевом направлении, но с возможностью вращения вокруг аксиальной оси 6.13a ходового винта установлен на первом звене 6.10 робота отдельной кинематики 6, при этом ходовая гайка 6.14 с возможностью осевого смещения, но без возможности вращения относительно геометрической оси 6.13a ходового винта установлена на первом звене 6.10 робота отдельной кинематики 6. При этом также предпочтительно предусмотрен привод 6.15 ходового винта для привода ходового винта 6.13, который в особенно предпочтительном варианте осуществления выполнен в виде сервопривода, то есть в виде регулируемого привода. Также в отношении монтажа привода 6.15 ходового винта предпочтительно, чтоб ходовой винт 6.14, как указывалось выше, был расположен на первом звене 6.19 робота отдельной кинематики 6.
Вышеупомянутые рассуждения о первой отдельной кинематике 6, касающиеся варианта осуществления линейного привода 6.4 в виде привода с ходовым винтом и ходовой гайкой, соответственно относятся ко второй отдельной кинематике 7. Здесь также соответственно предусмотрены компоненты ходовой винт 7.13, ходовая гайка 7.14 и привод 7.15 ходового винта, которые вышеупомянутым образом взаимодействуют друг с другом.
На первом звене 6.10 робота отдельной кинематики 6 расположена продольная направляющая 6.16, посредством которой элемент 6.6 привода продольно направляется на первом звене 6.10 робота в направлении 6.17 направляющей. Продольная направляющая 6.16 здесь и предпочтительно выполнена отдельно от линейного привода 6.4. Направляющая в этом смысле не только служит для соблюдения направления движения элемента 6.6 привода в направлении 6.17 направляющей, но также предотвращает отрыв элемента 6.6 привода от направляющей. При этом в особенно предпочтительном варианте осуществления предусмотрено, что продольная направляющая 6.16 передает на элемент 6.6 привода направляющие силы, которые ориентированы как поперек геометрической оси 6.1a шарнира 6.1 робота, так и поперек направления 6.17 направляющей. Здесь и предпочтительно продольная направляющая 6.16 даже передает на элемент 6.6 привода направляющие силы во всех направлениях поперек направления 6.17 направляющей. Здесь и предпочтительно продольная направляющая 6.16 представляет собой плоскую направляющую. Альтернативно продольная направляющая может представлять собой направляющую в форме ласточкина хвоста или призматическую направляющую.
Вторая отдельная кинематика 7 оснащена соответствующей продольной направляющей 7.16, имеющей соответствующее направление 7.17 направляющей, которая, в свою очередь, функционально одинакова с поясненной продольной направляющей 6.16 первой отдельной кинематики 6.
Предпочтительность предлагаемой кинематики 2 можно лучше всего понять при рассмотрении статического состояния данной отдельной кинематики 6, то есть при остановленном линейном приводе 6.4. При этом существенно, что для статического состояния отдельной кинематики 6 шарнир 6.1 робота и два шарнира 6.8, 6.9 связи вместе со связью 6.7 и соответствующими участками звеньев 6.10, 6.11 робота, которые располагаются между шарнирами 6.8, 6.9 связи и шарниром 6.1 робота, образуют систему в виде стержневого треугольника 6.18. Соответствующие этому стержневому треугольнику 6.18 линии действия сил образуют треугольник 6.19 действия сил, углы которого заданы шарниром 6.1 робота и шарнирами 6.8, 6.9 связи. Одна из особенно стабильных систем получается тогда, когда его внутренние углы в рабочей области робота 1 с сочлененной рукой, предпочтительно всегда, каждый больше 15°, предпочтительно больше 20°, более предпочтительно больше 30°. Альтернативно или дополнительно в этом отношении предусмотрено, что внутренний угол у шарнира 6.9 связи, который обращен от элемента 6.6 привода, в рабочей области робота 1 с сочлененной рукой, предпочтительно всегда, составляет меньше 150°, предпочтительно меньше 140°, более предпочтительно меньше 120° и более предпочтительно меньше 100°.
Все рассуждения о первой кинематике 6, касающиеся стержневого треугольника 6.18, соответственно относятся ко второй отдельной кинематике 7, которая тоже образует систему в виде стержневого треугольника 7.18. Соответственно вторая отдельная кинематика 7, наряду со стержневым треугольником 7.18, отличается треугольником 7.19 действия сил, который имеет углы 7.20, 7.21 и 7.22.
Здесь и предпочтительно вторая отдельная кинематика 7 располагается позади первой отдельной кинематики 6, как лучше всего явствует из фиг.1. При этом также предпочтительно расположенное позади звено 6.3 робота первой отдельной кинематики 6 одновременно является расположенным впереди звеном 7.2 робота второй отдельной кинематики 7, так что это звено робота образует общее звено 9 робота двух отдельных кинематик 6, 7. В особенно предпочтительном варианте осуществления линейные приводы 6.4, 7.4 двух отдельных кинематик 6, 7 расположены на общем звене 9 робота. Соответственно здесь и предпочтительно предусмотрено, что ходовые винты 6.13, 7.13, ходовые гайки 6.14, 7.14 и приводы 6.15, 7.15 ходового винта расположены каждый на общем звене 9 робота.
Соответственно, как явствует также из изображения в соответствии с фиг.1, предпочтительно предусмотрено, что первое, имеющее линейный привод 6.4 звено 6.10 робота первой отдельной кинематики 6 одновременно является первым, имеющим линейный привод 7.4 звеном 7.10 робота второй отдельной кинематики 7 и при этом образует общее звено 9 робота обеих упомянутых отдельных кинематик 6, 7.
Первое, имеющее линейный привод 6.4 звено 6.10 робота первой отдельной кинематики 6 расположено позади второго звена 6.11 робота первой отдельной кинематики 6. То есть первое звено 6.10 робота представляет собой вышеуказанное, расположенное позади звено 6.3 робота первой отдельной кинематики 6, в то время как второе звено 6.11 робота представляет собой вышеуказанное, расположенное впереди звено 6.2 робота первой отдельной кинематики 6.
В отличие от этого, у второй отдельной кинематики 7 предусмотрено, что первое, имеющее линейный привод 7.4 звено 7.10 робота расположено впереди второго звена 7.11 робота. То есть здесь первое звено 7.10 робота представляет собой в вышеупомянутом смысле расположенное впереди звено 7.2 робота, в то время как второе звено 7.11 робота представляет собой вышеуказанное, расположенное позади звено 7.3 робота.
В результате это значит, что первая отдельная кинематика 6 работает, собственно, наоборот по отношению ко второй отдельной кинематике 7, вследствие чего получается, в т.ч. показанная на фиг.1, особенно компактная конструктивная форма. Вышеупомянутая компактность дополнительно поддерживается тем, что линейные оси 6.5, 7.5 двух отдельных кинематик 6, 7 расположены на расстоянии друг от друга, однако ориентированы параллельно друг другу.
Геометрические оси 6.1a и 7.1a двух шарниров 6.1 и 7.1 робота здесь и предпочтительно ориентированы параллельно друг другу. Это позволяет получить относительно большую зону досягаемости робота 1 с сочлененной рукой в показанном на фиг.1 направлении X относительной системы 4 координат.
Обе линейные оси 6.5, 7.5 двух отдельных кинематик 6, 7 распространяются также предпочтительно параллельно соединительной линии между геометрическими осями 6.1a и 7.1a двух шарниров 6.1 и 7.1 робота, причем эта соединительная линия распространяется поперек двух осей 6.1a и 7.1a робота. Эту параллельную друг другу ориентацию можно особенно просто реализовать технологически.
Итак, из изображенной на фиг.1 ситуации, технологическая сила в отрицательном направлении Z системы 5 координат инструмента создает вращающий момент вокруг шарнира 7.1 робота второй отдельной кинематики 7, который попирается связью 7.7. Благодаря образованию вышеупомянутого стержневого треугольника 7.18 через связь 7.7 в линейный привод 7.4 через элемент 7.6 привода в направлении линейной оси 7.5 вводится только сравнительно небольшая доля силы, так что линейный привод 7.4 должен затрачивать соответственно небольшую противодействующую силу, чтобы гарантировать высокую жесткость. Оставшаяся доля силы поперек линейной оси 7.5 вводится в продольную направляющую 7.16 и при этом не создает нежелательных деформаций.
Одновременно вышеупомянутая технологическая сила создает в отрицательном направлении Z системы 5 координат инструмента вращающий момент вокруг шарнира 6.1 робота первой отдельной кинематики 6, который подпирается связью 6.7. Благодаря образованию вышеупомянутого стержневого треугольника 6.18 через связь 6.7 в линейный привод 6.4 через элемент 6.6 привода в направлении линейной оси 6.5 вводится только сравнительно небольшая доля силы, так что линейный привод 6.4, в свою очередь, должен затрачивать соответственно небольшую противодействующую силу, чтобы гарантировать высокую жесткость. Оставшаяся доля силы поперек линейной оси 6.5 вводится в продольную направляющую 6.16 и при этом также не создает нежелательных деформаций.
Здесь становится ясно, что особое значение для результирующей жесткости робота 1 с сочлененной рукой в целом имеет наличие продольных направляющих 6.16 и 7.16.
Предлагаемый изобретением робот 1 с сочлененной рукой выполнен предпочтительно в виде шестиосного робота с сочлененной рукой. При этом первая геометрическая ось 10 позиционирования представляет собой ось в направлении Y относительной системы 4 координат. Звено 6.2 робота может поворачиваться относительно основной части 11 вокруг геометрической оси 10 позиционирования. Вторая ось 12 позиционирования и третья ось 13 позиционирования образуются геометрическими осями 6.1a, 7.1a шарниров 6.1, 7.1 робота. К звену 7.3 робота присоединяются также обычным образом четвертая, пятая и шестая ось 14, 15, 16 позиционирования, которые только условно показаны на чертеже, и которые имеют только второстепенное значение для предлагаемой теории.
Для первой оси 10 позиционирования и четвертой, пятой и шестой осей 14, 15, 16 позиционирования предназначены приводы 17-20 осей. Приводы 17-20 осей и/или приводы 6.15, 7.15 ходовых винтов во избежание обусловленного допуском зазора могут быть по меньшей мере отчасти оснащены двумя приводными двигателями, которые всегда немного напряжены друг относительно друга. В принципе, возможны другие альтернативы уменьшения обусловленного допуском зазора.
Предлагаемый изобретением робот 1 с сочлененной рукой применяется предпочтительно в рамках выполнения задач автоматизации, касающихся изготовления структурных конструктивных элементов воздушных средств сообщения. Соответственно концевой эффектор 3 представляет собой предпочтительно узел клепки, узел манипулирования или узел укладки волокон. Возможны другие варианты осуществления концевого эффектора 3.