ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО РОБОТА-МАНИПУЛЯТОРА

Полезная модель относится к области робототехники, в частности, к промышленным манипуляционным роботам (роботам-манипуляторам), применяемым в автоматизированных счетно-сортировальных комплексах (которые также могут называться роботизированными ячейками, системами, участками и т.п.), предназначенных для обработки листового материала, в частности, банкнот или ценных бумаг. Роботы-манипуляторы обеспечивают возможность захватывания и удерживания листового материала (банкнот), а также возможность перемещения удерживаемого объекта из исходной точки в заданную целевую точку.
Полезная модель может быть использована при разработке конструкции рабочего органа робота робототехнической системы, а именно, зажимного механического захватного устройства (схвата) робота-манипулятора.
Захватным устройством промышленного робота (робота-манипулятора) называется рабочий орган промышленного робота для захватывания и удерживания в определенном положении предмета производства [ГОСТ 26063-84 «Роботы промышленные. Устройства захватные. Типы, номенклатура основных параметров, присоединительные размеры», Приложение «Пояснение некоторых терминов»].
Предмет, который захватывается и удерживается захватным устройством, называют объектом манипулирования.
Захватные устройства по принципу действия подразделяют на механические захватные устройства, вакуумные захватные устройства, магнитные захватные устройства, прочие [ГОСТ 26063-84 «Роботы промышленные. Устройства захватные. Типы, номенклатура основных параметров, присоединительные размеры», п. 2].
Рабочим элементом называется элемент захватного устройства, вступающий непосредственно в контакт с объектом [Захватные устройства промышленных роботов. Учебное пособие. К.А. Украженко и др., Ярославль: Изд-во ЯГТУ, 2007, с. 5].
Схватом называется механическое захватное устройство, представляющее собой механизм, удерживающий объект посредством зажима рабочими элементами при их перемещении двигателем. При захватывании объекта зажимные рабочие элементы захватного устройства (схвата) раскрываются и охватывают объект. Зажимные рабочие элементы (губки, пальцы, клещи и т.п.) воздействуют на объект, удерживая его за счет сил трения, возникающих при зажиме, или комбинации сил трения и запирающих усилий.
Механические зажимные захватные устройства получили самое широкое применение в различных отраслях промышленности. Обычно конструкции зажимных захватных устройств предусматривают два положения зажимных рабочих элементов, отрабатываемых по соответствующим командам («открыто» и «закрыто»): в открытом положении рабочие элементы полностью разведены на максимальное расстояние друг от друга для охватывания объекта или после его отпускания, в закрытом положении рабочие элементы сведены для удерживания объекта или сведены до смыкания друг с другом в нерабочем состоянии.
Однако, в современных роботизированных комплексах (ячейках) для обработки банкнот, ценных бумаг, документов и т.п. применяются контейнеры (лотки) загрузки, выгрузки и др., содержащие отсеки, длина которых может быть изменена в зависимости от величины депозита или иных условий. Кроме того следует отметить, что захватное устройство при работе в составе роботизированного комплекса (ячейки) взаимодействует и с другими элементами этого комплекса, например, со счетно-сортировальными машинами (ССМ), шлюзами и пр.
В этой связи конструкции захватных устройств с двумя положениями рабочих элементов (открыто/закрыто) не позволяют корректно работать с подобными контейнерами, входящими в состав указанных комплексов, поскольку для корректной работы необходимо обеспечить раскрытие рабочих элементов на конкретную заданную величину, соответствующую габариту (длине) отсека контейнера и/или габаритам иного оборудования - шлюзам, "карманам" ССМ и пр. В случае невозможности раскрытия рабочих элементов захватного устройства на требуемую величину захватное устройство, в частности, не сможет осуществить захват полной стопки банкнот, находящейся в отсеке контейнера в случае, если длина стопки банкнот превышает величину раскрытия рабочих элементов. Если же величина раскрытия рабочих элементов захватного устройства больше длины отсека контейнера, из которого надо извлечь стопку банкнот, то корректный захват стопки банкнот также будет невозможен по причине захвата вместе со стопкой банкнот стенок контейнера или перегородок между отсеками контейнера. Кроме того, если величина раскрытия рабочих элементов захватного устройства будет превышать соответствующие габаритные размеры шлюзов, карманов ССМ и других устройств, входящих в состав роботизированного комплекса, корректная работа захватного устройства также будет  невозможна.
В связи с указанными факторами актуальна разработка конструкций захватных механических зажимных устройств, в которых обеспечивается возможность раскрытия (разведения) рабочих элементов на конкретную, заданную величину (то есть, иными словами, обеспечивается возможность мультипозиционирования рабочих элементов), при этом предпочтительно, чтобы упомянутая возможность реализовывалась в автоматическом режиме, и регулировка раскрытия зажимных рабочих элементов осуществлялась в зависимости от габаритов объекта, с которым взаимодействует захватное устройство в конкретный момент времени.
Известны конструкции клешневых захватных устройств (захватов) роботов-манипуляторов, используемых в модулях (ячейках) кассового или банковского обслуживания, например, по пат. заявке № JPS62211244A [«Cash transaction device», МПК B65H31/30, B65H5/10, G07D9/00, дата публ. заявки 17.09.1987], по патенту № RU170339U1 [«Роботизированное устройство для кредитного и торгово-розничного обслуживания», МПК G07F19/00, дата публ. 21.04.2017], по патенту № RU2610108C2 [«Устройство киоска банковского самообслуживания», МПК G07F19/00, дата публ. 07.02.2017], в которых рабочие элементы, осуществляющие удерживание объекта манипулирования, шарнирно соединены между собой по одной стороне с возможностью углового раскрытия. В известных технических решениях механический схват осуществляет захватывание и удерживание объекта, перемещается с удерживаемым объектом подвижным средством (рукой робота-манипулятора) внутри корпуса модуля от исходной точки до заданной целевой точки, где освобождает объект, разжимая рабочие элементы, при этом предусмотрена возможность разведения рабочих элементов только в положение полного раскрытия  (на максимальное расстояние друг от друга). В известных технических решениях не предусмотрена возможность промежуточных положений рабочих элементов для осуществления захватывания объекта в зависимости от размера объекта, например, от толщины стопки листового материала, что не позволяет применять известные конструкции, как было описано выше, например, для извлечения листов (банкнот) из контейнеров, в которых депозиты размещаются в отсеках, имеющих различную длину. Также следует отметить, что при удерживании стопки листового материала (стопки банкнот) схватом клешневого типа контакт с удерживаемой стопкой осуществляется по линии, что повышает вероятность выпадения отдельного листа (банкноты) из стопки.
Известна конструкция захватного устройства манипулятора [патент № CN207240229U «A manipulator tail end actuator for ATM software automatically detects quick-wittedly», МПК B65J15/00, дата публ. 17.04.2018], предназначенного для захвата из депозитного порта (загрузочного контейнера) банкомата банкнот или банковской карты. Захватное устройство содержит два зажимных рабочих элемента, выполненных в виде губок, установленных а общем направляющем пазу, а также приводной механизм. Линейное перемещение зажимных рабочих элементов (зажимных блоков) из закрытого положения в открытое, а также в обратном направлении, обеспечивается гидро- или пневмоцилиндром. Однако следует отметить, что в известном техническом решении не предусмотрена реализация возможности задания определенного расстояния между рабочими элементами при их раскрытии и/или сведении, то есть не предусмотрена возможность мультипозиционирования рабочих элементов, в частности, в зависимости от толщины стопки банкнот или длины отсека лотка, что обуславливает невозможность совместной работы с оборудованием требующим изменения величины раскрытия рабочих элементов захватного устройства.
Известна конструкция захватного устройства [патент № CN206108338U «Press from both sides paper money transport mechanism», МПК B65G47/90, дата публ. 19.04.2017], входящего в состав механизма транспортировки банкнот. Захват содержит две вертикально расположенные зажимные пластины (губки), связанные с зажимным цилиндром, управляющим их перемещением. Банкноты, зажатые между губками, удерживаются за счет силы трения. В известном захватном устройстве, также как и в описанном выше захватном устройстве манипулятора по патенту № CN207240229U, не предусмотрена возможность мультипозиционирования рабочих элементов, что обуславливает невозможность совместной работы с оборудованием требующим изменения величины раскрытия рабочих элементов захватного устройства.
Известно захватное устройство для захвата и транспортировки стопки листового материала [патент № RU2614366C2 «Захватное устройство для захвата листового материала», МПК B65H31/30, дата публ. заявки 20.06.2016], обеспечивающее повышение надежности удерживания стопки листового материала (в частности, банкнот, размещенных в контейнере на своих кромках) против силы тяжести при извлечении из контейнера. Известное захватное устройство содержит два рабочих элемента, выполненных с возможностью перемещения друг к другу для захвата стопки листового материала. Один из рабочих элементов выполнен подвижным, другой - фиксированным. Перемещение подвижного рабочего элемента осуществляется с помощью привода. Захватное устройство также содержит остановочный механизм для автоматического выключения привода. Один захватный палец подвижного рабочего элемента выполнен с возможностью наклона из исходного положения (то есть из положения, когда захватный палец ориентирован параллельно поверхности стопки, в положение, когда захватный палец заклонен по отношению к поверхности стопки). Автоматическая остановка перемещения подвижного рабочего элемента осуществляется в тот момент, когда созданная при захватном зажиме сила реакции стопки листового материала превосходит заданную величину. Тем самым обеспечивается воздействие на стопку листового материала предварительно заданного захватного усилия захватного устройства, достаточного для надежного захвата, но не повреждающего стопку. Захватное устройство имеет ремень, который механически соединен с подвижным рабочим элементом для его перемещения относительно другого элемента, и для захвата расположенной между обоими захватными элементами стопки листового материала посредством захватного зажима. Захватный элемент механически выполнен таким образом, что привод перемещения ремня предоставляет также усилие для наклона наклоняемого захватного пальца. Для остановочного механизма натяжение ремня контролирует датчик, обеспечивающий остановку привода перемещения ремня при превышении заданного натяжения ремня. Для этого датчик имеет ролик, прижатый к ремню. При превышении отклонения положения ролика от заданного отклонения датчик выключает двигатель перемещения ремня. Таким образом известное техническое решение обеспечивает возможность мультипозиционирования рабочих элементов. Однако в качестве недостатка известного технического решения следует отметить его высокую конструктивную сложность, которая может оказать негативное влияние на надежность работы устройства и системы обработки листового материала в целом, в составе которой функционирует известное захватное устройство.
В качестве технического решения (прототипа), конструктивно наиболее близкого к заявляемой полезной модели, предлагается захватное устройство робота-манипулятора, известное по патенту № RU184884U1 [«Захват для роботизированного манипулятора», МПК B65J15/00, G07F19/00, G07D11/00, дата публ. 13.11.2018], предназначенное для использования в составе роботизированных манипуляторов, служащих для перемещения денежных банкнот (листового материала), и направленное на повышение надежности перемещения пачек банкнот в любом направлении под любым углом без потери купюр.
Захватное устройство робота-манипулятора содержит верхнюю (подвижную) и нижнюю (неподвижную) губки, являющиеся механическими зажимными рабочими элементами. Перемещение верхней губки (подвижного рабочего элемента) осуществляется с помощью пневмопривода: корпус устройства выполнен в виде первого пневматического цилиндра с жестко закрепленным на его корпусе держателем верхней губки. Верхняя губка захвата, являющаяся подвижным рабочим элементом, закреплена на держателе и имеет треугольную форму. Держатель является основной корпусной частью захвата, на которой закреплены каретки. Каретки установлены на направляющих, соединенных с верхним и нижним торцами первого пневмоцилиндра. Нижняя губка захвата, являющаяся неподвижным рабочим элементом, выполнена в виде фланца с двумя штифтами, заостренными снизу под тупым углом. Устройство также содержит ограничитель раскрытия захвата, связанный со вторым пневматическим цилиндром при помощи вилки, прикрученной к штоку второго пневматического цилиндра и поворачивающейся относительно оси, закрепленной на верхней части захвата. Ограничитель обеспечивает возможность как полного, так и неполного раскрытия зажимных рабочих элементов захвата для захватывания и удерживания банкнот, то есть обеспечивается возможность разведения рабочих элементов на максимальное расстояние между ними (полное раскрытие), а также на промежуточное расстояние - на n миллиметров меньше максимального (неполное раскрытие). Величина неполного раскрытия регулируется заранее, при изготовлении ограничителя, на основании производственных задач и их параметров. Значение неполного (промежуточного) раскрытия рабочих элементов является регулируемым параметром, однако регулировку положения ограничителя раскрытия захвата необходимо осуществлять заранее, как отдельную технологическую операцию, что не позволяет осуществлять раскрытие (разведение) рабочих элементов на конкретную, заданную величину в автоматическом режиме в зависимости от габаритов объекта, с которым взаимодействует захватное устройство в конкретный момент времени.
В качестве недостатка известного технического решения следует отметить его высокую конструктивную сложность, обусловленную выполнением в известной конструкции ограничителя раскрытия рабочих элементов захватного устройства, механизма, соединяющего ограничитель со штоком второго пневмоцилиндра, а также выполнением двух пневматических цилиндров. Кроме того, применение в известной конструкции двух пневматических цилиндров, подача сжатого воздуха в каждый из которых осуществляется с помощью компрессора, не только усложняет конструкцию, но и значительно увеличивает габариты захватного устройства.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается заявляемой полезной моделью, является упрощение конструкции устройства (при одновременном обеспечении возможности раскрытия рабочих элементов на заданную величину в автоматическом режиме).
Для достижения указанного выше технического результата предлагается захватное устройство, которое содержит несущий элемент, линейный штоковый электрический привод, соединенный с несущим элементом, а также зажимные рабочие элементы. Один из зажимных рабочих элементов соединен со штоком упомянутого привода с возможностью линейного перемещения совместно со штоком, а другой неподвижно соединен с несущим элементом. Зажимной рабочий элемент, соединенный со штоком, неподвижно соединен с кареткой, которая установлена на направляющем элементе с возможностью линейного перемещения, при этом направляющий элемент неподвижно соединен с несущим элементом.
Выполнение в заявляемом техническом решении линейного штокового электропривода, связанного с подвижным зажимным рабочим элементом так, как описано выше (через каретку, установленную на направляющем элементе, который закреплен на несущем элементе), обеспечивает возможность заданного перемещения подвижного рабочего элемента для требуемой величины раскрытия (разведения) рабочих элементов в автоматическом режиме (то есть обеспечивается возможность мультипозиционирования рабочих элементов).
В прототипе перемещение подвижного рабочего элемента (верхней губки) осуществляется с помощью первого пневмопривода (верхняя губка закреплена на держателе, на котором закреплены каретки, установленные на направляющих, соединенных с верхним и нижним торцами первого пневмоцилиндра), при этом величина перемещения устанавливается с помощью ограничителя раскрытия захвата, связанного через вилочный механизм со вторым  пневмоприводом, причем величина неполного раскрытия захвата должна быть отрегулирована заранее.
Таким образом, в заявляемом техническом решении реализовано по сравнению с прототипом более простое конструктивное выполнение (упрощение конструкции устройства) при обеспечении возможности раскрытия рабочих элементов на заданную величину в автоматическом режиме. Также следует отметить, что применение в конструкции захватного устройства линейного штокового электрического привода вместо двух пневматических не только упрощает конструкцию устройства, но и существенно уменьшает габариты захватного устройства.
Несущий элемент конструкции устройства должен обеспечивать возможность установки и крепления деталей и узлов устройства, их требуемое взаимное положение. Несущим элементом конструкции устройства обычно является корпус устройства, так как он обеспечивает возможность размещения и закрепления деталей и узлов устройства, а также обеспечивает выполнение таких функций как пыле- и влагозащищенность, восприятие ударных и инерционных нагрузок, силы реакции опор и др. Следует отметить, что также возможно выполнение несущего элемента в виде каркаса, опорной стойки и пр.
Предпочтительным выполнением зажимных рабочих элементов для удерживания листового материала (в частности, банкнот) представляется их выполнение в виде губок, так как в этом случае обеспечивается наибольшая площадь контактной поверхности, что повышает надежность захвата.
Для обеспечения возможности взаимодействия с контейнерами (лотками) и другими элементами роботизированных ячеек, имеющих различные конструктивные параметры, зажимные рабочие элементы могут быть выполнены сменными.
В качестве реализации наиболее простого и отвечающего требованиям надежности конструктивного выполнения направляющего элемента последний может быть выполнен в виде направляющего рельса.
Так как захватное устройство должно быть закреплено к выходному звену руки робота-манипулятора, то несущий элемент может быть дополнительно снабжен переходным фланцем, предназначенным для присоединения к руке робота-манипулятора, что позволит обеспечить повышение надежности крепления, повысить технологичность выполнения сборочных операций.
Графические материалы содержат пример выполнения заявляемого захватного устройства робота-манипулятора.
На фигуре представлено изображение захватного устройства, главный вид, разрез.
Захватное устройство, предназначенное для захватывания и удерживания листового материала (в частности, банкнот), содержит корпус 1, являющийся несущим конструктивным элементом, с которым соединены функциональные элементы (части) устройства. В корпусе 1 установлен линейный штоковый электрический привод - линейный актуатор 2, исполнительным элементом которого является шток 3. Для предлагаемого захватного устройства может быть использован, например, стандартный линейный актуатор SMC привод линейный электрический LEY16RC-150WMU-R8CP17. На корпусе 1 закреплен линейный направляющий элемент, выполненный в виде направляющего рельса 4, продольная ось которого выставлена параллельно оси штока 3. Направляющий рельс 4 соединен со стенкой 5 корпуса 1 с помощью крепежных элементов, например, винтов 6. На направляющем рельсе 4 установлена каретка 7, имеющая возможность линейного перемещения вдоль рельса 4. Со штоком 3 соединена консоль 8, в продольном сечении имеющая Г-образную форму. Корпусные, соединительные, направляющие элементы захватных устройств обычно изготавливают из нержавеющей стали 08Х18Н10 ГОСТ 5582-75 (либо AISI 304). Концевой участок 9 штока 3 выполнен в виде шейки и соединен с полкой 10 консоли 8. Шейка 9 штока вставлена в отверстие 11 полки 10, при этом ступенька (уступ) 12 под шейкой 9, имеющая наружный диаметр больший диаметра отверстия 11, упирается во внутреннюю поверхность полки 10 консоли 8. С помощью гайки 14 обеспечивается прижим полки 10 к торцевой поверхности ступеньки 12 штока 3, тем самым фиксируя положение консоли 8 относительно штока 3. В представленном на фигуре примере выполнения консоль 8 имеет вертикальную стойку 15, с нижней частью которой соединен рабочий элемент захватного устройства, представляющий собой верхнюю губку 16, расположенную с наружной стороны стойки 15 консоли 8. Губка 16 неподвижно закреплена на стойке 15 с помощью крепежных элементов - винтов 17. Со стойкой 15 также неподвижно соединена каретка 7, при этом каретка 7 расположена с внутренней стороны стойки 15. В представленном примере нижняя часть стойки 15 консоли 8 расположена между кареткой 7 и отогнутой установочной частью верхней губки 16. Крепежные элементы - винты 18 - одновременно соединяют друг с другом верхнюю губку 16, стойку 15 консоли 8 и каретку 7, что обеспечивает повышение надежности неподвижного соединения указанных элементов друг с другом, необходимого для передачи линейного перемещения (при работе захватного устройства) от штока 3 к верхней губке 16, являющейся подвижным зажимным рабочим элементом захватного устройства. В представленном примере выполнения нижняя часть стенки 5 корпуса 1 снабжена опорной площадкой 19, расположенной под верхней губкой 16. На площадке 19 неподвижно закреплен другой рабочий элемент - нижняя губка 20 - с помощью крепежных элементов, например, винтов, 21. Таким образом нижняя губка 20 неподвижно соединена с корпусом 1 и является неподвижным зажимным рабочим элементом захватного устройства. Зажимные рабочие элементы могут быть выполнены иной формы, однако для взаимодействия со стопками листового материала, в частности, банкнот, оптимальным является выполнение зажимных рабочих элементов в форме губок, так как они обеспечивают наиболее надежное захватывание листов (банкнот) в силу обеспечения большей площади поверхности контакта. Рабочие элементы, в том числе зажимные губки захватных устройств, обычно изготавливают из нержавеющей стали 08Х18Н10 ГОСТ 5582-75 (либо AISI 304).
Нижняя губка 20 установлена таким образом, что она смыкается с верхней губкой 16 при нахождении верхней губки 16 в своем нижнем положении, которое соответствует полностью втянутому положению штока 3 линейного актуатора 2. Корпус 1 со стороны крепления к руке робота-манипулятора (на фигуре обозначена H) снабжен переходным фланцем 22, выполнение которого позволяет повысить технологичность осуществления сборочных операций при соединении захватного устройства с выходным (последним) звеном руки робота-манипулятора.
Функционирование заявляемого захватного устройства осуществляется при работе робота-манипулятора, входящего в состав роботизированной системы (ячейки, комплекса) для обработки листового материала, в частности, банкнот или ценных бумаг. В состав захватного устройства может входить несколько комплектов рабочих элементов (отличающихся по форме и/или размерам) - для работы с несколькими типами роботизированных систем, компоненты которых могут отличаться геометрией и размерами элементов, с которыми осуществляет взаимодействие захватное устройство. Роботизированная система содержит блок управления, задающий режимы функционирования и обеспечивающий взаимодействие отдельных компонентов системы, в том числе робота-манипулятора, включая захватное устройство. При необходимости осуществить требуемое действие с объектом манипулирования (захватывание, удерживание, перемещение, отпускание) рука робота-манипулятора по команде, получаемой от блока управления роботизированной системы, подводит захватное устройство к объекту. По управляющему сигналу осуществляется раскрытие рабочих элементов на заданную величину: команда поступает в контроллер линейного актуатора 2, шток 3 которого выдвигается на заданную величину, перемещая за собой консоль 8, верхнюю губку 16 и каретку 7, установленную на направляющем рельсе 4, соединенном с корпусом 1. Величина раскрытия захвата задается блоком управления в зависимости от габаритов объекта манипулирования (толщины пачки банкнот) и/или его местоположения (определенный отсек контейнера загрузки,  контейнер выгрузки, карман ССМ и т.д.). Как было описано выше, при перемещении штока 3 выполняется перемещение верхней губки 16, связанной через соединение с консолью 8 и кареткой 7 с направляющим рельсом 4 (такая конструктивная связь верхней губки 16 с направляющим элементом - рельсом 4, исключает возможные отклонения при линейном перемещении губки 16). При достижении заданной величины раскрытия захвата (то есть расстояния между рабочими элементами - верхней губкой 16 и нижней губкой 20) выдвижение штока 3 прекращается. Затем рука робота-манипулятора перемещает захватное устройство в позицию, в которой объект манипулирования оказывается между разведенными рабочими элементами захватного устройства - губками 16 и 20. Затем поступает команда на захватывание объекта (пачки банкнот), при котором линейный актуатор 2 получает управляющий сигнал на обратное перемещение (втягивание) штока 3. Шток 3 начинает втягиваться, при этом движение передается связанной со штоком 3 верхней губке 16, которая начинает перемещаться по направлению к неподвижной нижней губке 20, при этом расстояние между захватными рабочими элементами (губками 16 и 20) сокращается. Губки 16 и 20 сжимают (захватывают) объект до достижения заранее установленного усилия сжатия, задаваемого обратной связью по вольт-амперной характеристике линейного актуатора. При достижении заранее заданного усилия сжатия захватное устройство переводится в режим удерживания объекта, при этом двигатель линейного актуатора останавливается, после чего рука H робота-манипулятора перемещает захватное устройство с объектом манипулирования (стопкой банкнот)  в заданную целевую точку, например, перемещает стопку банкнот из контейнера загрузки во входной карман ССМ. При достижении целевой точки поступает управляющий сигнал на раскрытие рабочих элементов - губок 16 и 20 (на выдвижение штока 3, при котором происходит перемещение верхней губки 16 в противоположную сторону от нижней губки 20). Перемещение верхней губки 16 осуществляется как было описано выше. При увеличении расстояние между губками 16 и 20 объект освобождается захватным устройством робота-манипулятора и остается в целевой точке для дальнейшей обработки, после чего захватное устройство робота-манипулятора готово к выполнению следующей операции.
Таким образом заявляемое захватное устройство робота-манипулятора выполняет захватывание, удерживание и отпускание объекта манипулирования, необходимые для перемещения объекта из исходной точки в заданную целевую точку, обеспечивая возможность раскрытия (разведения) рабочих элементов в автоматическом режиме на установленную величину (то есть обеспечена возможность мультипозиционирования рабочих элементов). При этом по сравнению с прототипом заявляемое техническое решение характеризуется более простым конструктивным выполнением, а также меньшими габаритными размерами.