РОБОТ-МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к области промышленной робототехники, а именно к конструкции промышленного робота-манипулятора, предназначенного для установки на горизонтальную или вертикальную поверхность (пол, стену, потолок, иные несущие конструкции), или для установки робота-манипулятора на передвижных платформах для работы в труднодоступных и опасных для присутствия человека местах в дистанционном режиме.
Известен промышленный робот-манипулятор (Патент РФ №2205745, опубл. 10.06.2003, бюл. №16, МПК B25J 11/00, 13/00), содержащий основание, на основании установлен первый привод поворота, с ним последовательно соединены с помощью валов второй привод поворота, первый привод крена, второй привод крена, первый привод подъема, второй привод подъема и платформа.
Недостатком данного промышленного робота, манипулирующим с платформой, является низкое быстродействие, обусловленное большим значением присоединенных масс, особенно магнитных систем двигателей.
Известен робот-манипулятор (Авторское свидетельство СССР №1556898, опубл. 1990 г., бюл. №14, МПК B25J), содержащий руку с рабочим органом, установленную на колонне с возможностью вращательного и поступательного движения посредством приводов, и устройство компенсации деформации элементов манипулятора с базирующим узлом и фиксатором для повышения точности позиционирования рабочего органа.
Недостатком данного робота-манипулятора состоит в том, что он обеспечивает позиционирование рабочего органа только в одной плоскости, а также в его громоздкости.
Известен робот-манипулятор (Авторское свидетельство СССР №1342723, опубл. 07.10.87, бюл. №37), содержит внешнюю магнитную систему с обмотками, выполненную в виде индуктора с цилиндрическим зазором, в котором перемещаются закрепленные на вращающемся основании якори, соединенные с редукторами и далее со звеньями робота. Имеется поворотное основание (колонна с приводом поворота), рука со схватом, цилиндрический кольцевой зазор образован полюсными наконечниками, имеется также привод поворота плеча, на плече установлен блок приводов поворота локтя, поворота схвата, ротации схвата.
Недостатком данного робота-манипулятора являются низкие функциональные возможности и относительно низкая надежность, обусловленная малой маневренностью кинематической цепи.
Наиболее близким аналогом данного робота-манипулятора является промышленный робот (Патент РФ №2248270, опубл. 20.03.2005, МПК B25J 11/00), содержащий поворотное основание, на котором установлена колонна с приводом поворота плеча, на плече установлен блок приводов поворота локтя, поворота схвата и ротации схвата, при этом робот снабжен дополнительным приводом вращательного действия, выходное звено дополнительного привода установлено соосно с осью вращения блока приводов, на выходном звене закреплен рычаг, на конце которого размещена магнитная система с зазором, причем якори двигателей блока приводов установлены с возможностью размещения в воздушном зазоре магнитной системы при позиционировании.
Недостатком данного робота-манипулятора является низкое быстродействие, обусловленное большим значением присоединенных масс, особенно магнитных систем двигателей, т.е. громоздкость.
Технический результат полезной модели заключается в упрощении конструкции, что, в свою очередь, увеличивает массу полезной нагрузки (КПД)) при уменьшении общей массы конструкции.
Технический результат достигается тем, что заявленный робот-манипулятор содержит последовательно соединенные между собой: опорно-поворотное устройство (ОПУ) с фланцем, плечо и предплечье, снабженные индивидуальными управляемыми приводами каждого из них, при этом заявленный робот-манипулятор дополнительно содержит: уголковый кронштейн, расположенный между плечом и предплечьем и снабженный индивидуальным управляемым приводом; приводы выполнены в виде сервоприводов переменного тока с мотор-редукторами и системой обратной связи, обеспечивающей позиционирование ОПУ, плеча и предплечья робота-манипулятора; указанный первый фланец имеет круглую форму с монтажными отверстиями для его закрепления на опорной поверхности; ОПУ выполнено в виде цилиндра с проушинами, расположенными в его верхней части, причем ось отверстий проушин перпендикулярна оси цилиндра, а в проушинах устанавливаются металлические подшипники, обеспечивающие жесткость шарнира между ОПУ и плечом; плечо выполнено в виде усеченного конуса, имеющего две концевые зоны и место под сервопривод уголкового кронштейна, при этом в концевой зоне, расположенной вблизи ОПУ, устанавливается первый вал, приводящий во вращение плечо при помощи сервопривода плеча, а в концевой зоне, расположенной вблизи уголкового кронштейна, имеются места под подшипники, в которые устанавливается передний конец второго вала, приводящего в движение уголковый кронштейн, причем вращающий момент с сервопривода уголкового кронштейна на указанный второй вал передается посредством ременной передачи с зубчатым ремнем; уголковый кронштейн имеет первую концевую зону, в которой закреплен задний конец второго вала, приводящий в движение уголковый кронштейн, и вторую концевую зону, в которой закреплен сервопривод предплечья, причем ось вращения привода предплечья перпендикулярна оси вращения уголкового кронштейна; предплечье выполнено в виде двух концентрических цилиндрических валов, выполненных из композиционного материала, в крайних зонах которых установлены подшипники, обеспечивающие жесткость робота-манипулятора и разгрузку вала сервопривода предплечья; причем в верхней части внутреннего цилиндрического вала установлен второй фланец, имеющий монтажные отверстия для закрепления схвата или другого рабочего инструмента робота-манипулятора; сервоприводы плеча, уголкового кронштейна и предплечья, закрыты обтекателями, представляющие собой тонкостенные оболочки; причем эти обтекатели и корпусы последовательно соединенных между собой ОПУ, первого фланца, плеча, уголкового кронштейна и предплечья выполнены из термопласта или композиционного материала, выполненного в виде стеклопластика и/или углепластика.
В предпочтительном варианте указанный первый фланец выполнен с возможностью крепления робота-манипулятора на горизонтальную или вертикальную опорную поверхность.
В предпочтительном варианте указанный первый фланец выполнен с возможностью крепления робота-манипулятора на передвижных тележках, подъемниках и других транспортных средствах.
В предпочтительном варианте сервопривод ОПУ расположен внутри опорно-поворотного устройства.
В предпочтительном варианте первый концентрический цилиндрический вал является внутренним и выполняет функцию упругой муфты и торсионного вала, а второй концентрический цилиндрический вал является внешним и выполняет функцию корпуса.
В предпочтительном варианте диаметр цилиндрической части ОПУ превышает диаметр большего основания плеча, а диаметр меньшего основания плеча превышает диаметр внешнего цилиндра предплечья.
Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в различных отраслях промышленности, строительства, транспорта, в коммунальном и сельском хозяйствах, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Заявляемое техническое решение поясняется фигурой 1, на которой изображен робот-манипулятор.
Робот-манипулятор (1) предназначен для захвата, перемещения и позиционирования произвольной полезной нагрузки в границах своей рабочей области. Робот-манипулятор (1) может применяться в операциях сборки, сортировки, перемещения и аналогичных.
Робот-манипулятор (1) закрепляется на несущем основании (вертикальном или горизонтальном) посредством первого фланца (3). В первом фланце (3) имеются отверстия, через которые он может быть закреплен с помощью крепежных соединений относительно основания.
Заявленный робот-манипулятор (1) содержит последовательно соединенные между собой: опорно-поворотное устройство (ОПУ) (2) с первым фланцем (3), плечо (4) и предплечье (5), снабженные индивидуальными управляемыми приводами (2а, 4а, 5а) каждого из них. Заявленный робот-манипулятор (1) дополнительно содержит уголковый кронштейн (6), расположенный между плечом (4) и предплечьем (5) и снабженный индивидуальным управляемым приводом (6а).
Все приводы (2а, 4а, 5а, 6а) заявленного робота-манипулятора (1) выполнены в виде сервоприводов переменного тока с мотор-редукторами и системой обратной связи, обеспечивающей позиционирование ОПУ (2), плеча (4) и предплечья (5) робота-манипулятора (1). Мощность сервоприводов (2а, 4а, 5а, 6а) и передаточное отношение мотор-редукторов определяются потребными моментами, и изменяются от ОПУ (2) с первым фланцем (3) до предплечья (5). Сервопривод ОПУ (2)конструктивно расположен внутри конструкции, а остальные сервоприводы (4а-6а) устанавливаются непосредственно в ответные детали через согласующие упругие муфты, например разрезные, или сильфонные, или звездчатые с полиуретановым упругим элементом. Сервоприводы (4а-6а) закрыты обтекателями, представляющими собой тонкостенные оболочки, выполненные из легкого материала, например термопласта или композиционного материала, например стеклопластика, или углепластика, или их композиции.
Первый фланец (3), соединенный с ОПУ (2), имеет круглую форму с монтажными отверстиями для его закрепления на опорной поверхности. В заявленном роботе-манипуляторе (1) опорно-поворотное устройство (2) является наиболее нагруженным и имеет максимальный диаметр и толщину стенки. Оно представляет собой короткий цилиндр с проушинами, расположенными в его верхней части, причем ось отверстий проушин перпендикулярна оси цилиндра, т.е. оси опорно-поворотного устройства. В проушинах устанавливаются металлические подшипники, обеспечивающие жесткость шарнира между ОПУ (2) и плечом (4), и обеспечивающие разгрузку сервопривода (4а) от всех сил, кроме вращающего момента. Корпус опорно-поворотного устройства выполнен из композиционного материала, например углепластика, или нескольких материалов, в том числе углепластика, или металла, например алюминиевого сплава.
Плечо (4) расположено в центральной зоне робота-манипулятора (1) и представляет собой усеченный конус. Кроме того, оно имеет две концевые зоны и посадочное место под сервопривод (6а) уголкового кронштейна (6). В концевой зоне, расположенной вблизи ОПУ (2), устанавливается первый вал (7), приводящий во вращение плечо (4) при помощи сервопривода (4а) плеча (4). В концевой зоне, расположенной вблизи уголкового кронштейна (6), имеются места под подшипники. В этих подшипниках устанавливается передний конец второго вала (8), приводящего в движение уголковый кронштейн (6). Вращающий момент с сервопривода (6а) на передний конец второго вала (8) передается посредством ременной передачи с зубчатым ремнем, при этом данная передача имеет понижающее передаточное отношение со значением отношения от 1,5 до 2. Диаметр плеча (4) уменьшается от нижней к верхней концевой зоне. Причем диаметр цилиндрической части ОПУ (2) превышает диаметр большего основания плеча (4), а диаметр меньшего основания плеча (4) превышает диаметр внешнего цилиндра предплечья (5). Основная часть корпуса плеча (4) выполняется из композиционного материала, например углепластика.
Уголковый кронштейн (6) также как и плечо (4) имеет две концевых зоны. В первой концевой зоне закреплен задний конец второго вала (8), приводящий в движение уголковый кронштейн (6). Во второй концевой зоне уголкового кронштейна (6) закреплен сервопривод (5а) предплечья (5). Причем ось вращения сервопривода (5а) предплечья (5) перпендикулярна оси вращения уголкового кронштейна (6).
Предплечье (5) представляет собой два концентрических цилиндрических вала (9-внутренний вал и 10-внешний вал), выполненных из композиционного материала, например углепластика. В крайних зонах концентрических цилиндрических валов (9, 10) установлены подшипники, обеспечивающие жесткость робота-манипулятора, а также разгрузку сервопривода (5а) предплечья (5) от всех нагрузок, кроме вращающего момента. При этом внутренний вал (9) выполняет функцию упругой муфты и торсионного вала, за счет того, что подобранная специальным образом укладка армирующих слоев композиционного материала обеспечивает высокую жесткость на кручение и низкую жесткость на изгиб. Внешний вал (10) выполняет функцию корпуса и за счет другой схемы укладки армирующих слоев композиционного материала обеспечивает высокую жесткость на изгиб. Внешний вал (10) неподвижно закреплен на уголковом кронштейне (6), а внутренний вал (9) закреплен непосредственно на выходном валу мотор-редуктора (5а) предплечья (5). Причем в верхней части внутреннего цилиндрического вала (9) установлен второй фланец (11), имеющий монтажные отверстия для закрепления схвата или рабочего инструмента робота-манипулятора.
Исполнительным устройством робота-манипулятора (1) является схват, закрепляемый на втором фланце (11). Конструкция схвата выбирается исходя из типа выполняемых операций и особенностей полезной нагрузки. Помимо схвата, на втором фланце (11) может быть закреплено иное исполнительное устройство, например координатно-измерительная головка, устройство неразрушающего контроля и т.п., что расширяет диапазон возможных применений робота-манипулятора (1).
Робот-манипулятор (1) выполнен с возможностью подключения к программно-аппаратному интерфейсу пользователя (не указан на фиг. 1). Исходные команды для управления роботом-манипулятором (1) задаются в ручном или автоматическом режиме с помощью указанного программно-аппаратного интерфейса пользователя. На основе этих команд блоки управления сервоприводами (2а, 4а, 5а, 6а) формируют конкретные управляющие сигналы, приводящие в движения нужные сервоприводы (2а, 4а, 5а, 6а), что обеспечивает соответствующее команде управления положение звеньев (ОПУ, первый фланец, плечо, уголковый кронштейн, предплечье, второй фланец) робота-манипулятора (1). Каждое кинематическое звено робота-манипулятора (1) может приводиться в движение независимо от остальных.
Сигналы обратной связи, получаемые от сервоприводов (2а, 4а, 5а, 6а), обрабатываются в блоках управления, и в установленном формате передаются в программно-аппаратный интерфейс, где они могут быть использованы для уточнения положения робота-манипулятора (1) и коррекции команд управления.
Для того чтобы привести в движение одно из звеньев, необходимо подать управляющий сигнал в виде импульсов переменного тока на соответствующий сервопривод (2а, 4а, 5а, 6а) робота-манипулятора (1), что приведет к вращению вала сервопривода (2а, 4а, 5а, 6а). Вращательное движение передается через мотор-редуктор кинематическому звену, и это звено начинает совершать вращательное движение относительно звена, на котором оно закреплено (ОПУ (2) может вращаться относительно первого фланца (3), плечо (4) - относительно ОПУ (2), уголковый кронштейн (6) - относительно плеча (4), внутренний вал (9) предплечья (5) - относительно уголкового кронштейна (6). Когда вал сервопривода (2а, 4а, 5а, 6а) вращается, на блок управления подаются сигналы обратной связи, которые позволяют определить как взаимное относительное перемещение всех звеньев робота-манипулятора (1), так и пространственное положение второго фланца (11) в рабочей области робота-манипулятора (1).
Благодаря использованию описанной выше простой и несложной в изготовлении и сборке конструкции робота-манипулятора, а также отсутствию громоздких магнитных систем двигателей, значительно упрощает конструкции заявленного робота-манипулятора.
Кроме того, за счет того, что сервоприводы плеча, уголкового кронштейна и предплечья, закрыты обтекателями, которые, как и корпусы ОПУ, первого фланца, плеча, уголкового кронштейна и предплечья выполнены из термопласта или композиционного материала, выполненного в виде стеклопластика и/или углепластика, увеличивается масса полезной нагрузки, что, в свою очередь, позволяет существенно снизить массу робота-манипулятора, т.е. упростить конструкцию.
В качестве основного материала подвижных звеньев (ОПУ, первый фланец, плечо, уголковый кронштейн, предплечье, второй фланец) робота-манипулятора (1) выбран композиционный материал, в частности направленно армированный углепластик или стеклопластик. Это обусловлено следующими особенностями конструкции и применения изделия, для реализации которых оказываются хорошо применимы характерные особенности данного класса материалов.
Во-первых, материалы с направленным армированием имеют анизотропию свойств, т.е. их поведение зависит от характера и направления приложения нагрузки. Звенья робота-манипулятора (1) имеют четко определенный набор действующих силовых факторов (в первую очередь изгиб и кручение), что позволяет спроектировать материал с укладкой, наиболее подходящих именно для этих нагрузок. При этом, по сравнению с аналогичными конструкциями, выполненными из традиционных (изотропных) материалов снижается вес конструкции.
Во-вторых, робот-манипулятор (1) имеет ограничение по жесткости конструкции, что обусловлено требованиям к точности позиционирования схвата или иного исполнительного устройства. Вместе с тем, звеня робота-манипулятора (1) в процессе эксплуатации испытывают значительные ускорения, что приводит к возникновению инерционных сил, которые тем больше влияют на конструкцию, чем она тяжелее. Направленно армированные композиционные материалы, по сравнению с традиционно применяемыми анизотропными материалами (металлами, пластиками), обладают более высокими показателями удельной прочности и удельной жесткости, т.е. они одновременно легче и жестче, по сравнению с аналогичными, по функции конструкциями из традиционных материалов, что также приводит к снижению веса и более точному позиционированию звеньев конструкции.
В-третьих, углепластик, в отличие от термопластов, обладает электропроводными и радиоэкранирующими свойствами, что способствует более высоким показателям по электромагнитной совместимости и расширяет диапазон возможных применений робота-манипулятора (1). Кроме того, снижение веса конструкции робота-манипулятора (1), помимо преимуществ по п. 1 формулы, упрощает его эксплуатацию, транспортировку, обуславливает возможности мобильного применения изделия (закрепление на колесном шасси различных типов).
Звенья робота-манипулятора (1) представляют собой несущие оболочки различной формы (тела вращения, поверхности сложной формы). Изделия такого рода при изготовлении из традиционных материалов требуют сложной оснастки, дорогостоящего оборудования и заготовок, которые могут быть произведены только на узкоспециализированных предприятиях. Производство такого класса изделий из композиционных материалов требует менее сложной оснастки, процесс переработки данных материалов оказывается менее затратным, коэффициент использования материала выше, при создании изделия с сопоставимыми показателями качества. Это дополнительно позволяет снизить рыночную стоимость изделия и ускорить сроки постановки на производство.
Внешний вид композиционных материалов имеет узнаваемые характерные особенности, в силу традиционных областей применения (аэрокосмическая, военная отрасли, высокотехнологичный и спортивный сегменты автомобилестроения, спорт высоких достижений) вызывает от изделия ощущения высокого качества, прорывных технологических решений, визуально высокой стоимости. Изделие, преимущественно выполненное из углепластика, не нуждается в нанесении декоративных лакокрасочных покрытий и отлично вписывается в облик высокотехнологичных производств, что является также дополнительным преимуществом, повышающим привлекательность изделия для конечного пользователя.