МАНИПУЛЯТОР МР-48 ДЛЯ АТОМНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Полезная модель относится к машиностроению, а именно к роботам-манипуляторам, предназначенным для работы с радиоактивными материалами на предприятиях атомной промышленности при проведении лабораторных исследований и в производственном цикле изготовления соответствующей продукции. При этом исполнительный орган робота-манипулятора размещается в герметичной камере, где по команде оператора, расположенного перед камерой, выполняет технологические операции с радиоактивными материалами.
Известен манипулятор KR6 R700 FIVVE (KR AGILIUS), производитель KUKA Robotics, Германия (http://www.kuka-robotics.com/russia/ru/products/industrial_robots/small_robots/kr6_r700_fivve/start.htm, дата обращения 09.04.2016), который характеризуется высокой рабочей скоростью, стабильностью повторяемости заданных траекторий движения и возможностью монтажа в напольном или в потолочном положении. К недостаткам указанного манипулятора относится относительно небольшая полезная нагрузка (6 кг) при общей массе манипулятора равной 48 кг, ограниченный радиус действия (706,7 мм) и наличие 5 степеней подвижности, что снижает функциональные возможности его применения.
Известен также манипулятор UR10, производитель Universal Robots Ltd, Дания (http://www.universal-robots.com/products/ur10-robot, дата обращения 09.04.2016), который обеспечивает автоматизацию технологических процессов и характеризуется более высокими технологическими характеристиками по сравнению с вышеуказанным аналогом: полезная нагрузка составляет 10 кг, максимальный радиус действия - 1300 мм, а число степеней подвижности равно 6. Однако применение данного манипулятора на объектах атомной промышленности практически невозможно, поскольку локальные системы управления приводами манипулятора расположены непосредственно внутри его звеньев, и в условиях радиоактивного излучения внутри герметичных камер электроника систем управления быстро выйдет из строя.
Наиболее близким по функциональному назначению и технической сущности к заявляемой полезной модели является электромеханический манипулятор МЭМ-10 (Юревич Е.И. Основы робототехники. - СПб.: БХВ - Петербург, 2005 г., стр. 63), широко применяемый в настоящее время в атомной промышленности. 6-степенной исполнительный орган манипулятора МЭМ-10 размещается внутри герметичной камеры, как правило, в потолочном положении, а кинематически подобный задающий орган - на рабочем месте оператора. Передача управляющих воздействий от задающего органа, который вручную перемещает оператор, к исполнительному органу производится по кабельной связи между ними с использованием системы сельсин-датчик - сельсин-приемник. При этом внутри герметичной камеры нет никаких электронных устройств (они расположены снаружи), а перемещение звеньев исполнительного органа осуществляется механическими передачами. К недостаткам данных манипуляторов относятся негерметичность узлов манипулятора, ограниченные функциональные возможности, не позволяющие обеспечить автоматический режим работы исполнительного органа по заданной траектории движения, и наличие кинематически подобного задающего органа, который, кроме затрат на его приобретение, требует дополнительных эксплуатационных расходов на его ремонт и техническое обслуживание.
Кроме того, манипуляторы МЭМ-10 эксплуатируются на предприятиях несколько десятков лет, морально и физически устарели, а завод-изготовитель прекратил производство как самих манипуляторов, так и запасных частей к ним.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей манипулятора, обеспечивающее оператору выбор режима работы манипулятора, а также повышение надежности и снижение эксплуатационных расходов.
Поставленная техническая задача достигается тем, что манипулятор содержит пульт управления оператора и исполнительный орган, соединенный с пультом управления посредством кабельной связи и имеющий шесть степеней подвижности с активным радиальным двупалым схватом. В состав пульта управления входит вычислительное устройство, реализующее один из трех режимов управления исполнительным органом по выбору оператора.
Также исполнительный орган может быть выполнен герметичным и оснащен датчиками углов и угловых скоростей, сигналы с которых по кабельной линии связи подаются в вычислительное устройство пульта управления оператора для последующей отработки.
При этом задание уставок по углам поворота и угловым скоростям звеньев исполнительного органа производится посредством двух джойстиков, расположенных на пульте управления оператора.
Сущность предлагаемого решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена 3D-модель исполнительного органа манипулятора, на фиг. 2 приведена функциональная схема манипулятора, на фиг. 3 представлен трехстепенной джойстик, на фиг. 4 - четырехстепенной джойстик: а) в режиме управления «Схват», б) в режиме ручного управления, на фиг. 5 представлен внешний вид исполнительного органа манипулятора, на фиг. 6 - внешний вид пульта управления.
На фиг. 1 приведена 3D-модель исполнительного органа манипулятора, которая представляет собой разомкнутую механическую цепь, состоящую из 6 твердых тел (звеньев), последовательно соединенных вращательными соединениями и приводимых в движение силовыми приводами. Один конец этой цепи (на фиг. 1 - верхний) крепится к потолку герметичной камеры, а другой остается свободным и оснащается рабочим инструментом (схватом), позволяющим воздействовать на объекты манипулирования и выполнять различные транспортные и технологические операции. В конструкции исполнительного органа предлагаемой полезной модели использованы электродвигатели фирмы «Maxon» и планетарно-циклоидные передачи, что позволяет обеспечить необходимые массогабаритные характеристики устройства при заданных моментах на приводах его звеньев и, как следствие, заданную полезную нагрузку. Герметичное исполнение всех звеньев исполнительного органа (в отличие от прототипа) дополнительно повышает надежность работы манипулятора в агрессивных средах. Электронные блоки системы управления (вычислительное устройство и органы управления и индикации) конструктивно вынесены из звеньев исполнительного органа, размещены в пульте управления оператора вне рабочей зоны герметичной камеры и соединены с электроприводами соответствующим кабелями, т.е. указанные блоки не подвергаются воздействию радиационного излучения в процессе работы.
На фиг. 2 приведена функциональная схема манипулятора, в состав которого входит пульт управления 1 и исполнительный орган 2. Пульт управления 1 содержит органы управления и индикации 3 и вычислительное устройство 4 (выполнено на базе промышленного герметичного персонального компьютера с сенсорным экраном), а исполнительный орган 2 - электроприводы 5, звенья манипулятора 6 и датчики углов и угловых скоростей 7. Оператор управляет исполнительным органом 2 при помощи двух джойстиков, расположенных на пульте управления 1:
- трехстепенной (левый) джойстик (фиг. 3) - 8;
- четырехстепенной (правый) джойстик (фиг. 4а, б) - 9.
Система управления манипулятора реализует три основных режима работы:
- режим ручного управления, когда оператором последовательно задается управляющее воздействие на один из электроприводов 5, в результате чего перемещается соответствующее звено 6. На фиг. 3 и 4а показаны движения джойстиков, задающие уставки по соответствующим осям (звеньям). Сигналы от джойстиков интерпретируются вычислительным устройством 4 как уставки по скорости, которые отрабатываются системой управления на основе ПИД-регулятора и затем поступают на электроприводы 5;
- режим «Схват», в котором управляющая программа, с использованием представления Денавита-Хатенберга, решает обратную задачу кинематики обеспечивает пространственное и угловое перемещение полюса схвата. При этом вычислительное устройство 4 формирует команды на электроприводы 5 с учетом текущих значений углов поворота звеньев 6 и угловых скоростей движения каждого звена. Уставки по линейной (фиг. 4б) и угловой (фиг. 3) скорости схвата могут задаваться как в базовой системе координат, так и в подвижной системе, связанной непосредственно со схватом. В зависимости от выполняемых действий оператор выбирает наиболее удобную ему в данный момент систему.
- режим «Траектория», в котором формируется набор опорных точек в системе координат, связанной с углами поворота звеньев 6 исполнительного органа 2, затем выполняется аппроксимация опорных точек и производится отработка траектории по заданному алгоритму.
Таким образом, предложенная полезная модель манипулятора отличается от прототипа более широкими функциональными возможностями (за счет реализации трех режимов управления), повышенной надежностью (за счет замены кинематически подобного задающего органа на джойстики и герметичного исполнения звеньев манипулятора) и, как следствие, снижением расходов на ремонт и техническое обслуживание.
В настоящее время спроектирован, изготовлен и передан предприятию-заказчику робот-манипулятор МР-48 для работы в герметичных камерах с радиоактивными и другими агрессивными средами. Внешний вид исполнительного органа манипулятора представлен на фиг. 5, пульт управления - на фиг. 6.