ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО
GRIPPER

Изобретение относится к приборостроению, а именно к робототехнике и может быть использовано в качестве рабочих органов манипуляторов для захвата и удержания предметов различных типов, пространственных форм и габаритов.
Известно устройство со спирально-реечным приводом ручного типа, описанное в полезной модели по патенту CN 204171902 U МПК В25В 11/00, B23Q 3/00, опубл. 25.02.2015 и содержащее корпус, состоящий из верхней и нижней частей, находящиеся в верхней части зажимный механизм с зажимными кулачками в количестве трех и более, и зажимные направляющие радиального типа, находящийся в нижней части привод с шестерней и находящиеся на поверхности нижней части спиральные канавки, выполненные по спирали Архимеда. Также известно устройство, описанное в изобретении по патенту RU 2218245 С2 МПК В23В 31/12, B23Q 3/12, опубл. 10.12.2003 Бюл. №34, содержащее корпус с размещенным в нем зубчатым колесом с внутренней зубчатой нарезкой и находящиеся в зацеплении с упомянутой внутренней зубчатой нарезкой валы-шестерни, на которых неподвижно установлены зажимные кулачки с выпуклой рабочей поверхностью, при этом валы-шестерни установлены в корпусе, зажимные кулачки смонтированы на валах-шестернях попарно, а рабочие поверхности зажимных кулачков выполнены по спирали Архимеда. Несмотря на то, что эти устройства позволяют обеспечить захват (зажим) изделий в широком диапазоне размеров, они имеют очень ограниченное применение, т.к. предназначены для захвата изделий только одной конкретно определенной формы.
Известно изобретение по патенту RU 2346804 С2 МПК B25J 18/04, опубл. 20.02.2009 Бюл. №5, где в составе манипулятора для передачи изделий используется исполнительный механизм, выполненный в виде кулачково-рычажного многозвенника с ведущим звеном в виде качающегося кулачка, с рабочим профилем которого сопряжено промежуточное звено-толкатель, с которым, в свою очередь, кинематически связаны выходные звенья с губками для захвата изделий, при этом рабочий профиль кулачка выполнен в виде архимедовой спирали. Несмотря на то, что выполнение рабочего профиля кулачка в виде архимедовой спирали обеспечивает движение толкателя с выходными звеньями в интервалах их прямого и обратного ходов с постоянной линейной скоростью, использование этого устройства требует выполнения определенных массогабаритных соотношений для захватываемых объектов, что делает крайне нежелательным использование этого устройства с целью осуществления различных действий с предметами различных типов, формы и габаритов в окружающей среде.
Известно захватное устройство, описанное в патенте на изобретение US 4955653 МПК B25J 15/08, опубл. 11.09.1990, в котором применяется вращающийся (от электропривода) диск со спиральными канавками, используемыми для приведение в действие пальцев для совершения ими движения в радиальном направлении за счет контакта штифтов со стенками корпуса. Из описания к патенту на изобретение следует, что использование изобретения позволяет избежать заклинивания устройства, а само устройство является легким, компактным и адаптируемым к линейке используемых манипуляторов. Однако оно имеет крайне ограниченную область применения, является сложным в изготовлении и требует специально обученного персонала.
Известно устройство, описанное в заявке US 2016/0278872 А1 МПК А61В 34/00, А61В 34/30, А61В 17/29, опубл. 29.09.2016, в котором захват предметов осуществляется двумя парами рабочих элементов, причем каждая пара рабочих элементов приводится в независимые радиальные движения от своих спиральных дисков, каждый из которых, по очереди, приводится во вращение одним и тем же электроприводом, переключаясь между спиральными дисками посредством механического сцепления. Такое разделение движений позволяет управлять каждой парой рабочих элементов захвата раздельно, но при этом возможны захват и удержание только таких предметов, габариты которых не превышают предельного расстояния, на которое могут быть разведены рабочие элементы в каждой паре, что не всегда позволяет осуществлять захват и удержание предметов протяженных форм (при этом вторая пара рабочих элементов может мешать захвату протяженных деталей). Кроме того, устройство не позволяет схватывать и удерживать массивные предметы, отличается сложностью в изготовлении и обслуживании.
Известен трехкулачковый схват серии CGC фирмы CAMOZZI (см. напр. источник http://catalog.camozzi.ru/pdf/series_cgc.pdf), состоящий из корпуса и перемещающихся в нем по трем пазам ползунов (кулачков) с зажимными элементами, приводящихся в движение вращающимся диском с архимедовой спиралью, который, в свою очередь, получает крутящий момент от механизма преобразования с приводом от пневмоцилиндра прямого действия. Его рабочий диапазон захвата ограничен размерами пазов в корпусе (т.е. рабочие элементы, двигаясь по пазам, не могут существенно выходить за внешний габарит корпуса и не могут сходиться на оси схвата), а конструкция позволяет схватывать, в основном, только осесимметричные предметы. Схват обладает значительными массой и габаритами, а при его использовании каждый раз необходима его замена в случае, если размеры схватываемого предмета превышают рабочий диапазон схвата (на каждый диапазон размеров предметов нужен схват соответствующего диапазона размеров).
Наиболее близким по существу техническим решением является захватное устройство, описанное в патенте ЕР 2286964 В1 МПК B25J 15/02, опубл. 21.10.2015, Patentblatt 2015/43, содержащее корпус, электропривод, зажимные рабочие элементы ("губки"), механизм преобразования вращательного движения от электропривода в поступательное движение зажимных рабочих элементов, в свою очередь содержащий с конструктивные элементаы в виде дисков, на которых выполнены спиральные прорези и спиральные пазы, находящиеся в кинематической связи с зажимными рабочими элементами.
Недостатком устройства является наличие сложного механизма преобразования вращательного движения в поступательное движение зажимных рабочих элементов (для открытия и раскрытия "губок"), где, несмотря на большое количество конструктивных элементов со спиральными прорезями и пазами, их наличие не позволяет увеличить рабочий ход "губок", который, как и в трехкулачковом схвате, определяется длиной пазов и прорезей в конструктивных элементах механизма преобразования, которые ограничены снаружи диаметром корпуса и внутри не могут быть прорезаны до оси из конструктивных соображений. Также недостатком устройства является то, что для захвата предметов в широком диапазоне размеров требуется сменяемость захватного устройства (требуется типоразмерный ряд), манипуляции возможны, в основном, с осесимметричными предметами, а захват и удержание предметов, не обладающих осевой симметрией затруднительны (например, протяженных плоских предметов или коробов), устройство обладает значительными массой и габаритами из-за наличия большого количества механических деталей.
Технический результат изобретения заключается в увеличении рабочего диапазона, в обеспечении захвата предметов различных типов, формы и габаритов и удержания их в требуемом пространственном положении, а также в уменьшении массы и габаритов устройства.
Технический результат достигается за счет того, что в захватном устройстве, содержащем неподвижный корпус с радиальными пазами, электропривод, закрепленный посредством кронштейна на неподвижном корпусе устройства, зафиксированный на валу электропривода пазовый спиральный кулачок с рабочей поверхностью в форме спирального диска, ползуны, кинематически связанные с пазовым спиральным кулачком и перемещающиеся по радиальным пазам, рабочие элементы, в качестве рабочих элементов захватного устройства используются четырехзвенные коромыслово-ползунные шарнирные рычажные механизмы, находящиеся в кинематической связи с пазовым спиральным кулачком, при этом ползуны выполняют как функцию толкателей в кулачковых парах с пазовым спиральным кулачком, так и функцию ползунов в четырехзвенных коромыслово-ползунных шарнирных рычажных механизмах, приводящих в движения шатунные звенья каждого из присоединенных рычажных механизмов, а один из рабочих элементов сделан с большей поверхностью контакта по сравнению с остальными рабочими элементами, которые, в свою очередь, развернуты под углом по отношению к перпендикуляру к траекториям движения ползунов.
Изобретение поясняется фигурами:
Фиг. 1 - Изображение захватного устройства в разрезе;
Фиг. 2 - Трехмерное изображение захватного устройства с рабочими элементами в сведенном состоянии;
Фиг. 3 - Трехмерное изображение захватного устройства с рабочими элементами в разведенном состоянии;
Фиг. 4 - Изображение корпуса устройства (вид спереди) для иллюстрации количества и расположения радиальных пазов;
Фиг. 5 - Схема расположения рабочих элементов с угловым разворотом друг относительно друга.
На фиг. 1 показано изображение захватного устройства в разрезе.
Электропривод 1 посредством кронштейна 7 крепится к корпусу 2, выполняющему функцию неподвижной стойки в конструкции устройства. В конструкции корпуса 2 предусмотрены радиальные направляющие пазы для линейного перемещения ползунов 4. На валу электропривода 1 крепится пазовый спиральный кулачок 3, представляющий собой диск, с нарезанным на его рабочей поверхности спиральным пазом. Пазовый спиральный кулачок 3 размещается в корпусе 2 устройства по посадке с зазором, что обеспечивает его вращение на валу электропривода 1 и передачу движения рабочим элементам устройства. Пазовый спиральный кулачок 3 образует кулачковые пары с ползунами 4, которые выполняют функцию толкателей. Кинематическая связь в кулачковых парах обеспечивается за счет профильных выступов (в виде "гребенки"), сделанных на нижней части ползунов 4, посредством которых ползуны контактируют с пазовой спиралью кулачка и получают принудительное перемещение по радиальным пазам. Силовой контакт звеньев в каждой кулачковой паре обеспечивается геометрическим замыканием, обусловленным геометрией "гребенки" ползуна 4 и спирального паза диска. Крутящий момент от электропривода 1 передается за счет силового контакта от пазового спирального кулачка 3 к ползунам 4 по линиям их соприкосновения в кулачковых парах.
Рабочие элементы ("пальцы"), осуществляющие захват и удержание предметов, кинематически связаны с ползунами 4 и образуют четырехзвенные коромыслово-ползунные шарнирные рычажные механизмы, в которых выходные звенья - шатуны 5 - получают принудительные перемещения от радиально перемещающихся ползунов 4 посредством качающихся коромысел 6, присоединенных к шатунам 5 и корпусу 2 (выполняющему роль неподвижной стойки).
Присоединение к кулачковой паре четырехзвенных коромыслово-ползунных шарнирных рычажных механизмов с одной стороны, позволяет сделать рабочий диапазон захвата большим, чем величина хода ползунов 4, за счет геометрических размеров коромысла, шатуна и длины хода ползуна 4.
На фиг. 2 и фиг. 3 показаны трехмерное изображение захватного устройства с рабочими элементами в сведенном и разведенном состоянии, иллюстрирующие возможности осуществления.
Количество рабочих элементов и их расположение в устройстве определяется расположением радиальных пазов в конструкции корпуса 2 (см. фиг. 4) и может варьироваться, исходя из требований, предъявляемых к захватному устройству и из требований к надежности захвата и фиксации предмета (при необходимости, рабочие элементы конструктивно могут повторять антропологические особенности положения пальцев руки человека). Профиль направляющих радиальных пазов в корпусе выполняется таким, чтобы предотвратить выпадение ползунов 4 из корпуса.
Размеры рабочих элементов («пальцев») подбираются так, чтобы обеспечивать захват и удержание предметов различных типов, форм и габаритов в широком диапазоне размеров. С целью более надежного прижима предметов один из рабочих элементов сделан с большей поверхностью контакта ("большой палец", на фиг. 5 - нижний), а остальные два пальца могут быть развернуты на угол а (от 0 до 20 градусов относительно перпендикуляра к линиям движения ползунов, как это показано на схеме, см. фиг. 5) с тем, чтобы в совместной работе с широким рабочим элементом («большим пальцем", который на схеме фиг. 5 расположен внизу) уменьшить общий угол между ними, обеспечивая более надежный захват и удержание как осесимметричных предметов типа цилиндрических или конических, так и предметов с плоскими поверхностями, в т.ч. несимметричных.
Захватное устройство манипулятора работает следующим образом:
Электропривод 1 захватного устройства вращает пазовый спиральный кулачок 3 (спиральный диск) и приводит в движение ползуны 4, которые, благодаря силовому контакту с пазовым спиральным кулачком 3 (спиральным диском), принудительно перемещаются вдоль радиальных пазов корпуса. Направление их перемещения определяется направлением вращения электропривода 1 и является возвратно-поступательным - к центру или к периферии. Ползуны 4, в свою очередь, приводят в движение присоединенные к ним рабочие элементы, которые представляют собой четырехзвенные коромыслово-ползунные шарнирные рычажные механизмы, и приводят в движение выходные звенья механизмов - шатуны 6 - для захвата, удержания или освобождение предметов.
Захват, удержание и освобождение предметов осуществляется синхронным движением рабочих элементов 5 («пальцев»), которые могут, при необходимости, сходиться вплоть до оси (см. фиг. 2), либо расходиться от оси спирального диска к его периферии (см. фиг. 3, при этом угол раскрытия существенно превышает диаметр корпуса), соответственно захватывая и удерживая предметы за счет комбинации сил трения и запирающих усилий пальцев, либо отпуская объект посредством изменения направления вращения электропривода, и, как результат, разведения пальцев.
В отличие от прототипа, в котором рабочий диапазон захвата определяется радиальным ходом рабочих элементов ("губок"), благодаря присоединению к кулачковой паре четырехзвенных коромыслово-ползунных шарнирных рычажных механизмов, рабочий диапазон захвата по сравнению с прототипом существенно увеличивается и определяется геометрией механизма, т.е. размерами звеньев четырехзвенного механизма, а именно длиной хода ползуна, размерами коромысла и шатуна и может обеспечивать захват предметов как с размерами, близкими к нулю, так и с габаритами значительно превышающими внешний диаметр корпуса устройства (см. фиг. 3).