КОПИРУЮЩИЙ МАНИПУЛЯТОР

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании манипуляторов с дистанционным управлением.
Известен задающий орган манипулятора, содержащий основание, ложемент под локоть оператора, и рукоятку для кисти, при этом ложемент и рукоятка между собой и основанием кинематически связаны рычажно-шарнирным механизмом с возвратными пружинами, а каждый механизм представляет собой рычаг с двумя взаимно перпендикулярными шарнирами. Ложемент, кроме того, дополнительно соединен с основанием шарнирным параллелограммом (см. а.с. СССР №1546248, B25J 3/04).
Недостатком известного решения является сложность конструкции в силу избыточного количества звеньев - элементов шарнирно-рычажных механизмов и кинематических пар.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является копирующий манипулятор (см. а.с. СССР №1646842, B25J 3/00). В соответствии с известным решением, манипулятор содержит задающий и исполнительный органы, закрепленные на основании, и выполнен по единой схеме, состоящей из трех звеньев: плеча, предплечья и кисти, которые соединены между собой посредством промежуточных элементов, имеющих универсальные шарниры. При этом на задающем органе расположен ложемент для руки оператора, отличающийся тем, что он снабжен пружиной растяжения, установленной между основанием и плечом задающего органа, а ложемент расположен на предплечье и имеет U образную форму.
Недостатком известного устройства является неточность определения углов поворота плеча оператора задающим устройством и, как результат, ненадежность работы исполнительного устройства. Это обусловлено тем, что одна из осей универсального шарнира задающего устройства не соосна оси сустава, соединяющей плечо оператора с корпусом. В результате углы поворота по этой оси, задаваемые оператором, не совпадают с углами поворота задающего устройства. Имеет место расхождение между углом поворота плеча оператора и формируемым сигналом на поворот плечевого звена исполнительного устройства. Кроме того универсальный шарнир смещен относительно сустава, соединяющего плечо оператора с корпусом, что так же ведет к расхождению углов поворота в плечевом шарнире оператора и задающем устройстве. Плечевой сустав оператора имеет три степени подвижности, а задающее устройство способно «считывать только» два угла поворота, что не позволяет сформировать управляющие сигналы в полном объеме, в частности нет угла ротации. Перечисленные особенности известного решения ведут к тому, что задающее устройство формирует управляющие сигналы с искажением величин углов поворота руки оператора. Задающее устройство не обеспечивает точного формирования управляющих сигналов исполнительному устройству и не обеспечивает точности его работы.
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности работы исполнительного устройства, за счет формирования задающим устройством значений углов поворота, совпадающих с плечом оператора.
Техническая задача решается тем, что в известном копирующем манипуляторе, содержащем задающее и исполнительное устройства, закрепленные соответственно на корпусе оператора и основании, выполненные по схеме, включающей: плечо, предплечье кисть, соединенные между собой вращательными парами, при этом на предплечье задающего устройства размещен ложемент, соединяющий его с предплечьем оператора, плечо задающего устройства выполнено в виде двух звеньев соединенных между собой поступательной парой, а с корпусом и предплечьем оператора через карданы, причем одна из осей кардана соединяющего с предплечьем соосна оси вращательной пары плечо предплечье. Кроме того, оси карданов и поступательная пара оснащены приборами замера относительного движения.
На фиг. 1 представлены кинематические схемы задающего устройства, установленного на операторе и исполнительного устройства.
И1
1И
1И
x
y
z
Копирующий манипулятор содержит: задающее устройство 1 (фиг. 1) и исполнительное устройство 2. Задающее устройство 1 имеет подвижные звенья 4, 5 и 6. Исполнительное устройство 2 включает в себя звенья: плечо 7, предплечье 8, кисть 9 и закреплено на основании 10. Звенья 7, 8 и 9 соединены между собой кинематическими парами 11, 12 и 14. Кинематическая пара 11 образована основанием 10 и звеном 7 и обеспечивает движение типа ротация α. Кинематическая пара 12, обеспечивает движение типа качание β. Кинематическая пара 13 образована звеном 7 и дополнительным звеном 15 и обеспечивает движение типа ротация α. В совокупности три кинематические пары обеспечивают движение по трем обобщенным координатам аналогичное тому, что реализовано в суставе 16, соединяющем плечо 17 и корпус 18, и являющегося шаровым шарниром. При этом положение плеча в пространстве определяется углами γ, γ, γ.
Кинематическая пара 14, образована дополнительным звеном 15 и звеном 8.
1З
1З
3З
4З
4З
Подвижное звено 4, задающего устройства 1, соединено с корпусом оператора 18 вращательной кинематической парой IV класса 19 (типа кардан). Положение звена 4, относительно корпуса 18, определяется двумя углами относительного поворота: β, β. Звено 5 соединяется со звеном 4 поступательной парой 20. Звенья 5 и 6 соединены между собой вращательной кинематической парой IV (типа кардан) - 21. Поворот звена 6 относительно звена 5 определяется углами β, β. При этом ось вращения по углу β соосна углу поворота в суставе 22, соединяющем плечо оператора 17 и предплечье 23. Звено 6 через ложемент 24 соединяется с предплечьем 23.
1З
2З
Кинематическая пара 19 оснащена приборами (на фиг. условно не показаны), регистрирующими величину угла поворота β и β, в качестве которых могут быть использованы: потенциометры, оптические энкодеры и др. В поступательной паре 20 установлены прибор (на фиг. условно не показаны), обеспечивающие замер относительного движения звена 5 вдоль звена 4 - h.
ПР.
4З
Выполнение плеча задающего устройства 1 в виде двух звеньев 4 и 5, соединенных между собой поступательной парой 20, а с основанием и предплечьем через вращательные пары (карданы) 20 и 21, обеспечивает пространственную ориентацию ложемента 24. При этом звенья задающего устройства не ограничивают движения плеча 17 и предплечья 23 оператора. Сохраняется полная свобода движений руки оператора. Соосность оси кардана 21 с углом поворота с осью вращательной пары плечо-предплечье обеспечивает равенство углов γ=β·
1З
2З
1З
2З
4З
x
y
z
ПР.
ПР
4З
x,
y
z
1З
2З
При этом наличие поступательной пары 20 и вращательных пар 19 и 21 позволяет точно замерять величины относительного движения: углы относительного поворота β и β, h. Задающее устройство 1 кинематически связано с рукой оператора и имеет с ним общее звено - предплечье 23, пространственное положение которого определяется параметрами β, β, h, β с одной стороны и углами поворота в плечевом суставе 16: γ, γ, γ, γ При этом γ.=βб а три угла поворота, определяющие положение плеча оператора 17: γ γ, γ, вычисляются через замеренные величины β, β, h. Это позволяет определять абсолютные значения углов поворота в суставе 16 с точностью, совпадающей с точностью замера приборами относительного движения, установленными в кинематических парах 19, 20 и 21.
Копирующий манипулятор работает следующим образом.
При необходимости задать управляющие сигналы для выполнения движений в кинематических парах исполнительного устройства 2: 11, 12, 13 и 14, оператор выполняет повороты в движении в суставе 22 и 16.
4З
ПР.
4З
4З
ПР
При этом поворот предплечья 23 обеспечивает поворот ложемента 24 в кардане 21, а именно поворот вокруг оси по углу β. В силу соосности оси кардана 21 и оси поворота в суставе 22 обеспечивается равенство углов γ=β. При этом устройство фиксации угла поворота, размещенное в кардане 21, обеспечивает замер угла β, а следовательно, и угла поворота предплечья 23 относительно плеча 17 - γ. Управляющий сигнал при полной линейной зависимости с углом поворота предплечья передается двигателю, формирующему движение в кинематической паре 14 исполнительного устройства 2.
1З
2З
3З
1З
2З
3З
x
y
z
Поворот в суставе 22 приводит к движению в задающем устройстве 1, в силу соединения его с корпусом оператора 18 через вращательную пары 19 и предплечьем 23, через звено 6. Структурная схема задающего механизма 1, в силу выполнения плеча в виде двух звеньев 4 и 5 и соединения их карданами 19, 21 соответственно с корпусом 18 и звеном 6, обеспечивает число степеней подвижности равное 4. В связи с этим рука оператора имеет возможность свободно выполнять движения, не ограничиваемые задающим устройством 1. Движение в задающем устройстве 1 сопровождается поворотами в кинематической паре 19 (изменение величин углов β, β), поворотом в кинематической паре 21 (изменение величины угла β) и движением в поступательной паре 20 (изменение величины h). Т.к. все кинематические пары 19, 20, 21 оснащены приборами фиксации относительного движения, обеспечивается фиксация величин β, β, β, h. Их численные значения соответствуют углам поворота в суставе 16: γ, γ, γ, что позволяет определить их численные значения по замеренным параметрам относительного движения.
x
y
z
1И
2И
1И
Значения углов поворота плеча оператора 17 и предплечья 23: γ, γ, γ, являются достаточными для задания соответствующих углов поворота исполнительного механизма 2: α, α, β.
1З
2З
3З
1И
2И
1И
В силу свободного движения руки оператора замер величин β, β, β, h определяется только точностью приборов, т.е. обеспечивается требуемое значение, достаточное для формирования управляющих движений обеспечивающих поворот звеньев исполнительного устройства 2: α, α, β.
Таким образом, заявляемый копирующий манипулятор, обеспечивает повышение точности работы исполнительного устройства за счет определения через задающее устройство абсолютных значений углов поворота в плечевом 16 и локтевом 22 суставах оператора.