МАНИПУЛЯТОР ДЛЯ МОБИЛЬНОГО МИКРОСИСТЕМНОГО РОБОТА

Полезная модель относится к робототехнике, а именно к манипуляционным системам мобильных роботов, и предназначена для осуществления работ в экстремальных ситуациях, преимущественно в условиях открытого космоса.
Известен манипулятор, предназначенный для выполнения сборочных и различных других технологических операций (RU 94008956 [1]). Манипулятор содержит основание, ведущую и ведомые руки. Звено ведущей руки выполнено в виде зубчатой рейки, по которой перемещается корпусное звено, на котором закреплена ведомая рука. Корпусное звено снабжено соответствующим приводом, соответствующими приводами снабжены и ведомые руки. Недостатками известного устройства являются его значительные массогабаритные характеристики и сложная кинематическая схема, что затрудняет его использование в условиях космического пространства.
Известен мобильный робототехнический комплекс, в состав которого входит манипулятор, имеющий пять степеней подвижности, с активным радиальным двупалым охватом (RU 56996 U1 [2]). Недостатком известного манипулятора являются его значительные массогабаритные характеристики и сложная кинематическая схема, что затрудняет его использование в условиях космического пространства.
Известен манипулятор, являющийся составной частью мобильного робота, который характеризуется тем, что имеет две руки разной грузоподъемности (RU 129041 U1 [3]). Манипулятор имеет кинематическую цепь из шести вращательных кинематических пар и фиксирующее крепление на конечном звене для сменного инструмента. Приводом кинематических пар являются гидроцилиндры. Недостатком известного манипулятора являются его большой вес, габариты и необходимость использования для обеспечения его функционирования гидроцилиндров, гидромотора и соответствующих рабочих жидкостей, что исключает возможность его использования при осуществлении напланетных миссий.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является входящий в состав промышленного робота манипулятор, концевое звено которого обладает несколькими (шестью) степенями свободы и представляет собой последовательно соединенные с помощью шарниров актюаторы (EP 2767371 [4]).
Недостатком известного устройства является то, что каждый актюатор имеет индивидуальный привод, в качестве которого используется электромотор, что усложняет конструкцию манипулятора и существенно повышает его вес, что приводит в свою очередь к невозможности его использования при проведении напланетных миссий. Кроме того, известный манипулятор может выполнять ограниченное число функций, в частности только перемещать предметы, а в случае его использования для забора грунта или его перемещения он должен быть снабжен дополнительными навесными орудиями.
Заявляемый в качестве полезной модели манипулятор для мобильного робота направлен на снижение его массы, расширение функциональных возможностей и обеспечение использования при осуществлении напланетных миссий.
Указанный результат достигается тем, что манипулятор для мобильного микросистемного робота содержит не менее трех последовательно соединенных между собой звеньев с индивидуальным управляемым приводом каждого из них, при этом каждое звено выполнено из деформируемого под внешним воздействием пластинчатого элемента.
Указанный результат достигается также тем, что каждое звено выполнено в виде микромеханических актюаторов из биморфных элементов.
Указанный результат достигается также тем, что биморфные элементы выполнены в виде тепловых микромеханических актюаторов
Указанный результат достигается также тем, что каждое звено выполнено в виде микромеханических актюаторов на основе материалов с обратимым эффектом памяти формы.
Указанный результат достигается также тем, что каждое звено выполнено в виде микромеханических пьезоэлектрических актюаторов.
Указанный результат достигается также тем, что манипулятор снабжен средством для сбора грунта, выполненным в форме ковша.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- выполнение каждого звена из деформируемого под внешним воздействием пластинчатого элемента;
- выполнение каждого звена в виде микромеханических актюаторов из биморфных элементов;
- выполнение биморфных элементов в виде тепловых микромеханических актюаторов;
- выполнение каждого звена в виде в виде микромеханических актюаторов на основе материалов с обратимым эффектом памяти формы;
- выполнение каждого звена в виде микромеханических пьезоэлектрических актюаторов;
- снабжение манипулятора средством для сбора грунта, выполненным в форме ковша.
Выполнение каждого звена из деформируемого под внешним воздействием пластинчатого элемента позволяет существенно снизить массу мобильного робота, поскольку отпадает необходимость в наличии приводов, осуществляющих механическое смещение звена. В данном случае само звено начинает выполнять и функцию привода, поскольку происходит изменение его формы при приложении внешнего воздействия. Таким воздействием может являться нагрев, подведение электрического потенциала, пропускание тока и т.д.
В частных случаях реализации возможно выполнение каждого звена в виде микромеханических актюаторов из биморфов, т.е. составленных из двух элементов, один из которых под внешним воздействием будет расширяться, а другой - сжиматься, что приводит к изгибу такого устройства. Соответственно, в зависимости от поставленных задач и наличия соответствующих комплектующих, возможно использование различных биморфов - тепловых (например, микромеханических актюаторов, известных из RU 2448896 [5] или биметаллических, известных из RU 2417878).), на основе материалов с обратимым эффектом памяти формы (RU 2259914, 2367573), пьезоэлектрических (RU 2175601).
В случае использования биморфных элементов в виде тепловых микромеханических актюаторов внешним воздействием будет являться нагрев элемента за счет нагревателя, которым он снабжен. Из-за разности КТР составляющих его элементов будет происходить деформация актюатора (изгиб).
При использовании актюаторов на основе материалов с обратимым эффектом памяти формы внешним воздействием будет нагрев звена, который может быть осуществлен с помощью нагревателя, охватывающего звено.
При использовании актюаторов в виде биморфных пьезоэлементов будет подаваемое на элемент электрическое напряжение. В этом случае биморфный актюатор представляет собой две пьезоэлектрические пластины, жестко соединенные между собой.
При подаче напряжения на электроды биморфного актюатора одна из пластин будет расширяться, а другая - сжиматься, что приведет к изгибу всего элемента.
В частных случаях реализации для выполнения напланетных миссий, когда необходимо обеспечить сбор грунта на исследуемой планете, целесообразно снабжать манипулятор средством для сбора грунта, выполненным в форме ковша. При этом ковш может быть закреплен на конце манипулятора в виде законченного изделия с неизменяемой формой, а может формироваться из звеньев, входящих в состав манипулятора, при подаче соответствующих воздействий на каждое звено
Использование перечисленных выше вариантов реализации актюаторов позволяет существенно снизить вес и размеры манипулятора, а учитывая, что рабочий диапазон их использования простирается от температур жидкого азота и до 250-350°C, это позволяет использовать манипулятор в составе мобильных роботов при работе в условиях открытого космоса и осуществлении напланетных миссий.
Сущность заявляемого манипулятора поясняется примером реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема манипулятора (а-манипулятор в исходном состоянии, 6- после подачи внешнего воздействия на отдельные звенья).
Манипулятор содержит соединенные между собой деформируемые под внешним воздействием звенья 1 и соединенные с ними источники внешнего воздействия 2. Звенья между собой соединены с помощью шарниров 3. При этом разделение на отдельные звенья может быть чисто условным и весь манипулятор может либо состоять из нескольких отдельных актюаторных элементов, либо представлять собой один элемент, например, полосу с размещенными на ней источниками внешнего воздействия, в качестве которых могут выступать резистивные нагреватели, соединенные с источниками тока, или электроды, соединенные с источником напряжения, в зависимости от типа используемых актюаторных элементов. В частности, в случае использования биморфных элементов в виде тепловых микромеханических актюаторов набор звеньев можно выполнить в виде ленты и обеспечивать внешнее воздействие за счет нагрева отдельных участков этой ленты. Соответственно, за счет деформации отдельных участков ленты она может принимать различную форму.
Устройство функционирует следующим образом. Манипулятор закрепляется на мобильной платформе робота известными методами. При приближении мобильного робота к объекту исследования на отдельные звенья 1 манипулятора подается внешнее воздействие на источники 2. Соответственно, отдельные звенья (участки полосы), деформируются (изгибаются), и манипулятор принимает требуемую форму. Таким же образом происходит изменение формы манипулятора, необходимое для осуществления комплекса работ. Управление внешним воздействием на каждое звено может осуществляться с помощью контроллера, содержащего в памяти соответствующий алгоритм работы устройства, либо с помощью персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением.