МОДУЛЬНЫЙ МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к области мехатронных изделий и может быть использована в робототехнике общепромышленного и специального применения.
Известен модульный манипулятор с последовательной кинематической структурой, составленный из одинаковых мехатронных модулей с одной вращательной степенью (свободы) подвижности (Wright С., Johnson A., Peck A., McCord Z., Naaktgeboren A., Gianfortoni P., Gonzalez-Rivero М., Hatton R., Choset H. Design of a Modular Snake Robot // In Proceedings of the 2007 IEEE/RSJ Intl. Conference on Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, USA, Oct 29 -Nov 2, 2007, Pages 2609-2614), пространственность движения которого обеспечивается чередованием ортогональных осей вращения последовательных модулей в кинематической цепи, причем модули соединяются между собой механически с помощью резьбовых крепежных элементов, электрически с помощью электрических разъемов. Такая конструкция манипулятора позволяет наращивать число степеней подвижности за счет увеличения числа активных шарниров в кинематической цепи и даже при ограниченном диапазоне угла поворота в отдельном шарнире модуля собирать манипулятор, способный за счет кинематической избыточности функционировать внутри сложных и ограниченных объемов. Модуль содержит электропривод, состоящий из электродвигателя с редуктором, набор датчиков и блок управления двигателем и информационными потоками, поступающими и передаваемыми по общей шине данных.
Известен модульный манипулятор со свойством кинематической избыточности, выбранный за прототип (Yamada H., Chigisaki S., Mori M., Takita К., Ogami К., Hirose S. Development of Amphibious Snake-like Robot ACM-R5 // Материалы конференции International Symposium on Robotics 2005, pp.133, 2005).
Манипулятор содержит корневой и оконечный модули, имеющие фланцы для присоединения мехатронного модуля, и последовательно соединенные между собой мехатронные.модули, каждый из которых состоит из двух вилок-корпусов, соединенных с центральной частью, выполненной в виде крестовины, на перпендикулярных пересекающихся осях которой установлены подшипники выходных ступеней редукторов и зафиксированы секториальные зубчатые колеса. В каждом из корпусов расположен электродвигатель с редуктором, датчики и блок управления поворотом относительно центральной части. На каждом корпусе расположены фланцы модулей, снабженные электрическими разъемами. Модули соединены между собой посредством фланцев с помощью резьбовых крепежных элементов и электрических разъемов. Между корпусами в зоне центральной части установлен гибкий цилиндрический гофрированный элемент для защиты редукторов и электрических кабелей. К корневому модулю присоединяется первый из мехатронных модулей. Оконечный модуль с установленной на нем функциональной полезной нагрузкой, например, охвата, телекамеры и т.д. снабжен фланцем с электроразъемом и закрепляется на фланце последнего в цепи модулей манипулятора мехатронного модуля. Мехатронные модули связаны между собой и с системой внешнего управления общей информационной шиной.
Фактический порядок следования мехатронных модулей в кинематической цепи манипулятора устанавливается в процессе сборки и настройки манипулятора вручную сборщиком.
К недостаткам можно отнести необходимость введения в конструкцию модуля гофрированного защитного элемента, что существенно увеличивает наружный диаметр корпусов модуля и соответственно манипулятора. Недостатком данной конструкции также является невозможность быстрого выполнения процедур сборки манипулятора из разрозненных модулей, замены одного или нескольких модулей, изменения длины кинематической цепи модулей с целью уменьшения или увеличения числа активных подвижных соединений, так как после изменения состава манипулятора или порядка соединения мехатронных модулей необходимо выполнение процедуры явного указания соответствия между уникальным номером (именем) мехатронного модуля и его физическим местом в кинематической цепи, т.е. необходима ручная инициализация распределенной системы управления.
Задачами разработки полезной модели является, во-первых, упрощение конструкции элемента защиты подвижных частей редуктора электропривода и уменьшение размера мехатронного модуля манипулятора, во-вторых, упрощение и сокращение времен первичной сборки и настройки манипулятора из собранных в произвольном порядке разрозненных модулей, замены при необходимости одного или нескольких модулей, наращивания цепи мехатронных модулей для увеличения рабочей зоны манипулятора и адаптивности его к сложной конфигурации пространства функционирования.
Предложен модульный манипулятор, состоящий из корневого модуля, присоединенной к нему цепи последовательно механически, электрически и информационно соединенных одинаковых мехатронных модулей и оконечного модуля, установленного на последнем в цепи мехатронном модуле. Каждый мехатронный модуль состоит из центральной части и двух (правой и левой), подвижных относительно нее вилок-корпусов, поворачивающихся относительно центральной части вокруг перпендикулярных пересекающихся осей. Центральная часть выполнена в виде корпуса, котором размещены компоненты мехатронного модуля: два электропривода (электродвигателя с редуктором), набор необходимых для управления движением и функционирования манипулятора датчиков (датчики угла поворота, угловой скорости, температуры, ускорения и при необходимости другие датчики), блок управления двигателями и информационными потоками данных. Выходные валы электроприводов установлены соосно с осями поворота вилок. Каждая вилка-корпус состоит из объединенных в общем корпусе двух кронштейнов и присоединительного фланца. Один из кронштейнов каждой вилки зафиксирован на выходном валу электропривода. В другом кронштейне установлена цапфа, опирающаяся на подшипники, установленные в корпусе центральной части соосно выходному валу. Присоединительные фланцы правой и левой вилок содержат элементы механического быстроразъемного соединения и электрические разъемы, взаимодополняющие друг друга при соединении парных фланцев модулей в кинематическую цепь манипулятора. На парных фланцах выполнена система шипов и пазов, обеспечивающих однозначное совмещение парных соединений. Электрическая связь разъемов фланцев мехатронного модуля с его центральной частью осуществляется через подвижное кабельное, размещенное в корпусе вилки. Корневой модуль содержит правый унифицированный фланец, обеспечивающий быстроразъемное соединение с левым фланцем мехатронного модуля. Оконечный модуль содержит левый унифицированный фланец, обеспечивающий быстроразъемное соединение с правым фланцем мехатронного модуля. Блоки управления корневого и оконечного модулей содержат по одному блоку коммуникационного интерфейса, а блоки управления мехатронных модулей содержат по два (левый и правый) блока коммуникационного интерфейса, обеспечивающих прямую информационную связь со смежными в кинематической цепи модулями. При соединении электрических разъемов парных фланцев смежных модулей между соответствующими коммуникационными блоками устанавливается проводное соединение.
В состав манипулятора для расширения его функциональных возможностей могут быть включены один или несколько модулей, оснащенных парами унифицированных соединительных фланцев и коммуникационных интерфейсов.
На фиг.1 показан модульный манипулятор в одной текущих конфигураций. На фиг.2 представлены составные части модульного манипулятора, состоящего из корневого модуля 1, цепи одинаковых мехатронных модулей 2 и оконечного модуля 3. Корневой модуль оснащен крепежными позициями для установки на неподвижном основании 4 и фланцем 5 для присоединения к нему первого в цепи мехатронного модуля. Мехатронный модуль, показанный на фиг.3, состоит из центральной части 6 выполненной, в виде коробчатого корпуса и двух корпусов-вилок 7 и 8. На корпусе центральной части 6 размещены соосно перпендикулярным пересекающимся осям 9 и 10 выходные валы 11 и 12 электроприводов и с противоположной стороны подшипники 13 и 14. Внутри корпуса центральной части 6 размещены два электропривода (электродвигатели с редукторами), датчиками и блок управления. Корпус центральной части может быть выполнен в виде защищенной замкнутой коробчатой конструкции, в том числе, при необходимости с обеспечением герметичности внутреннего объема корпуса. Блок управления содержит два коммуникационных интерфейса, электрические цепи которых выведены на электрические контакты разъемов 15 и 16, расположенных на фланцах 17 и 18 корпусов-вилок 19 и 20 (фиг.3 и 4).
Каждая корпус-вилка состоит из фланца и двух кронштейнов 21, 22, один из которых неподвижно соединен с выходным валом одного из электроприводов 23, 24, другой через соосную валу цапфу 25, 26 соединен через подшипник 13, 14 с центральной частью. Фланцы, левый 17 и правый 18 корпусов-вилок 19 и 20 оснащены элементами механического быстроразъемного соединения, выполненными, например, в виде парных защелок 27 и 28 и зацепов 29 и 30, и электрическими разъемами 15 и 16, взаимодополняющими друг друга при соединении парных фланцев модулей в кинематическую цепь манипулятора, при этом на парных фланцах выполнена система парных шипов 31 и пазов 32, для обеспечения неподвижности соединения в плоскости фланца, а также для однозначности и единственности соединения модулей только парными фланцами и только в одном взаимном положении.
Корневой модуль 1 предназначен для обеспечения установки манипулятора на неподвижном основании 4 и присоединения электрических цепей питания от внешнего источника и передачи и приема информации от системы внешнего управления, оснащен правым фланцем парным свободному левому соединительному фланцу первого в цепи мехатронного модуля. Внутри корпуса корневого модуля размещен блок управления с коммуникационным интерфейсом, электрические цепи которого выведены на электрические контакты разъемов фланца.
Оконечный модуль 2 предназначен для размещения полезной нагрузки и оснащен соответственно левым парным фланцем. Внутри корпуса оконечного модуля размещен блок управления с коммуникационным интерфейсом, электрические цепи которого выведены на электрические контакты разъемов фланца.
В состав манипулятора могут быть добавлены промежуточные, размещаемые между модулями, блоки 33 с парами соединительных фланцев и блоками управления с парой коммуникационных интерфейсов (фиг.2).
Манипулятор может быть составлен из произвольного числа мехатронных модулей. Количество мехатронных модулей определяется условиями применения и решаемыми задачами. Предусмотренные в соответствии с описанием свойства быстроразъемных соединений позволяют собрать из корневого модуля, мехатронных модулей и оконечного модуля манипулятор с желаемой подвижностью и длиной.
На фиг.5 приведена схема коммуникационных соединений блоков управления информационными потоками данных 34 модулей манипулятора 34. Предлагаемые в заявке в каждом модуле обязательные интерфейсы 35 и 36, обеспечивающие непосредственную связь двух физически соседних модулей, позволяют выполнить процедуру автоматического определения системой управления порядка следования модулей в кинематической цепи. Процедура инициализации начинает выполняться после включения питания всех блоков модулей, число которых в цепи указывается системе управления верхнего контура. Посылаемая от внешнего контура управления 37 команда инициализации по линии связи 38, подключаемой к корневому блоку, через интерфейс И1 (39) блока управления 40 корневого модуля или непосредственно через разъемы пары фланцев поступает на порты приемо-передатчика коммуникационного интерфейса ИО (36) блока управления 41 первого мехатронного модуля. Поле данных команды содержит номер устройства "1". Контроллер управляющего блока мехатронного модуля 42 сохраняет этот номер во внутренней памяти, увеличивает номер на 1, отсылает по интерфейсу ИО подтверждение приема команды инициализации, передает по интерфейсу И1 (35) команду инициализации блоку управления 41 следующего модуля, который принимает данные через интерфейс ИО, и переходит в режим ожидания подтверждения инициализации по интерфейсу И1 от следующего модуля, получив которое, транслирует признак инициализации через интерфейс ИО предыдущему модулю. Процедура модификации и эстафетной пересылки данных повторяется до достижения блока управления 43 оконечного модуля, который получает порядковый номер на единицу больше числа мехатронных модулей. В блоке управления внешнего контура накапливается число подтверждений инициализации, которое при исправности всех цепей и блоков управления модулей должно совпадать с фактическим числом модулей, включая оконечный. Если за назначенное время процедура инициализации не завершается, то текущее значение накапливаемой во внешнем контуре управления суммы определяет номер последнего исправного модуля.
При добавлении в кинематическую цепь промежуточных модулей в процедуре инициализации участвуют блоки управления этих модулей, нумерация осуществляется с учетом промежуточных модулей.
Описанный алгоритм может быть реализован на парах последовательных интерфейсов (например, RS232 или USART) или на соединении по другому интерфейсу, реализующем безадресную связь "точка-точка".
При штатном выполнении процедуры инициализации и совпадении заданного и вычисленного числа модулей манипулятор готов к работе. Команды управления движением приводов, запроса телеметрических данных и другие данные, обычно предусматриваемые в контуре управления мехатронными системами, могут передаваться и приниматься как с использованием эстафетного канала связи с интерфейсами ИО и И1, так и с использованием альтернативных каналов, например общей шины данных 44, с предусмотренным в ней соответствующим протоколом разрешения конфликтов и ранжирования подключенных устройств.
Задача упрощения конструкции элементов защиты подвижных частей редукторов электроприводов модуля достигается за счет переноса обоих электроприводов, датчиков и управляющей электроники в центральную часть модуля, выполненную в виде защищенного корпуса с выведенными наружу выходными валами электроприводов и подшипниковыми опорами, на которых установлены два корпуса, выполненные в виде вилок с соединительными фланцами. Такая компоновка позволяет исключить защитный гофрированный элемент из конструкции модуля.
Задача упрощения и сокращения времени сборки-разборки манипулятора решается путем установки на соединительных фланцах элементов механического быстроразъемного соединения и электрических разъемов, взаимодополняющих друг друга при соединении парных фланцев модулей в кинематическую цепь манипулятора. При этом на парных фланцах выполнена система парных шипов и пазов, обеспечивающая единственность положения взаимной ориентации фланцев, в котором может быть выполнена стыковка, и исключающая смещение фланцев в плоскости стыка.
Задача упрощения и сокращения времени настройки (инициализации распределенной системы управления) решается включением в коммуникационную структуру блока управления мехатронного модуля двух интерфейсов, электрические цепи которых расположены на противоположных фланцах, что обеспечивает однозначное автоматическое определение места модуля в кинематической цепи манипулятора при выдаче команды инициализации с пульта управления манипулятора.