Устройство для оперативного программирования манипуляционного робота

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована для оперативного программирования c возможностью автоматического измерения нормали и зазора с измеряемой поверхностью при создании и корректировке управляющей программы при роботизированной обработке манипуляционным роботом.
Манипуляционные роботы широко используются для различных задач, при которых все операции выполняются по заранее составленной программе. Однако существуют задачи, при которых необходимо регулярно создавать или корректировать управляющую программу, часто такие задачи встречаются при мелкосерийном или единичном производстве. Примером таких задач является обработка полимерных композиционных материалов, чья фактическая геометрия часто не совпадает с математической моделью и необходимо корректировать траекторию обработки.
Для решения таких задач необходимо иметь возможность оперативной корректировки управляющей программы и обеспечить высокую производительность труда оператора.
Известно портативное устройство для управления движением робота или конца его инструмента, содержащее съемно закрепленное инерциальное измерительное устройство (ИИУ), датчики которого позволяют определить его перемещение и угловое положение, эти входные данные об относительном движении ИИУ поступают в блок управления для расчета смещения текущего абсолютного положения робота (см. патент Германии № 202008014481 на полезную модель, МПК B25J13/02, дата публикации 15.01.2009).
В качестве ближайшего аналога принято устройство для оперативного программирования манипуляционного робота, включающее элемент ручного управления, выполненный в виде пары отдельных джойстиков, один из которых предназначен для управления положением в пространстве центральной точки инструмента, а другой для управления ориентацией указанной точки, а также блок управления (см. международную заявку PCT № 2017088888, МПК G05B19/421, G05B19/423, G05B19/427, дата публикации 01.06.2017).
Недостатком аналогов является отсутствие возможности автоматического измерения нормали и зазора с измеряемой поверхностью.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка конструкции устройства с автоматическим удержанием нормали и необходимого зазора с измеряемой поверхностью.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности оперативного программирования манипуляционного робота с автоматическим измерением нормали и необходимого зазора с измеряемой поверхностью.
Поставленная задача решается тем, что устройство для оперативного программирования манипуляционного робота, включающее элемент ручного управления, а также блок управления, отличается тем, что в районе выходного фланца закреплено основание, на котором зафиксированы блок управления с размещенным на нем устройством силомоментного очувствления и активная система оптического измерения, включающая три излучающих элемента и светочувствительную матрицу, закрепленную с возможностью изменения ее расположения и ориентации относительно указанного основания, при этом устройство силомоментного очувствления выполнено с возможностью разъемного и соосного соединения с элементом ручного управления, включающим размещенный в корпусе преобразователь сигнала, полученного от сопряженного с ним элемента ввода-вывода информации, и индикатор, кроме того, излучающие элементы активной системы оптического измерения размещены на одинаковом расстоянии друг от друга и равноудалены от центральной продольной оси корпуса элемента ручного управления.
Кроме того, элемент ввода-вывода информации и индикатор выведены на внешнюю поверхность корпуса.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Блок управления позволяет осуществлять оперативное программирование манипуляционного робота.
Устройство силомоментного очувствления позволяет определить задаваемые оператором общее усилие и направление перемещения в пространстве элемента ручного управления.
Активная система оптического измерения, включающая три излучающих элемента и светочувствительную матрицу, по изменению проекций оптического излучения в кадре, полученном посредством светочувствительной матрицы, позволяет в режиме реального времени автоматически определять расстояние до измеряемой поверхности с целью удержания зазора и ориентацию относительно указанной поверхности с целью удержания нормали.
Выполнение соединения светочувствительной матрицы с возможностью изменения ее расположения и ориентации относительно основания позволяет изменять рабочий диапазон и параметры, влияющие на чувствительность измерительной системы, которая состоит из активной системы оптического измерения и алгоритма обработки данных, с последующей калибровкой при перестраивании.
Раcположение устройства силомоментного очувствления на блоке управления позволяет уменьшить габариты устройства.
Крепление блока управления с размещенным на нем устройством силомоментного очувствления и активной системы оптического измерения на общем основании обеспечивает совместный, быстрый и удобный монтаж перечисленных элементов в районе выходного фланца манипуляционного робота без изменения их исходного расположения и ориентации относительно друг друга.
Разъемное и соосное соединение устройства силомоментного очувствления с элементом ручного управления позволяет применять разные варианты элементов ручного управления без замены других элементов.
Корпус элемента ручного управления защищает размещенный в нем преобразователь сигнала от внешнего воздействия и обеспечивает возможность улучшения эргономических свойств, обусловленных его формой и размерами.
Сопряжение преобразователя сигнала с элементом ввода-вывода информации обуславливает двухстороннюю связь, при которой оператор после ввода информации получает ответ посредством индикатора.
Расположение излучающих элементов активной системы оптического измерения на одинаковом расстоянии друг от друга и равноудаленно от центральной продольной оси корпуса элемента ручного управления не требует внесения дополнительных корректировок при выполнении измерительных и вычислительных операций.
На фиг.1 показан продольный разрез:
а – всего устройства;
б – торца элемента ручного управления.
На фиг.2 приведена схема работы активной системы оптического измерения.
На фиг.3 изображены проекции оптического излучения от излучающих элементов в кадре, полученном посредством светочувствительной матрицы.
На фиг.4 продемонстрирован процесс формирования плоскости в локальной области измерения и расчета нормали к ней:
а – в исходном положении;
б – при имитации перемещения устройства.
На фиг.5 показан процесс определения общего усилия и его направления при воздействии оператора на элемент ручного управления.
На фиг.6 показан пример реализации устройства
На чертежах показаны основание 1, блок управления 2, устройство силомоментного очувствления 3, излучающие элементы 4 и светочувствительная матрица 5 активной системы оптического измерения, корпус 6 элемента ручного управления 7, преобразователь 8 сигнала, элемент 9 ввода-вывода информации, индикатор 10, проекции 11 оптического излучения на измеряемую поверхность 12, условные плоскость 13 в локальной области измерения и нормаль 14 к ней, а также результирующий вектор 15 общего усилия.
Основание 1 закреплено в районе выходного фланца (на чертежах не показан) манипуляционного робота.
На основании 1 зафиксированы блок управления 2 с размещенным на нем устройством силомоментного очувствления 3, три излучающих элемента 4 и светочувствительная матрица 5.
Устройство силомоментного очувствления 3 выполнено с возможностью разъемного и соосного соединения с элементом ручного управления 7.
Светочувствительная матрица 5 закреплена с возможностью изменения ее расположения и ориентации относительно основания 1, а излучающие элементы 4 активной системы оптического измерения размещены на одинаковом расстоянии друг от друга и равноудалены от центральной продольной оси корпуса 6 элемента ручного управления 7.
Элемент ручного управления 7 включает размещенный в корпусе 6 преобразователь 8 сигнала, полученного от сопряженного с ним элемента 9 ввода-вывода информации и индикатор 10, причем элемент 9 ввода-вывода информации и индикатор 10 выведены на внешнюю поверхность корпуса 6.
Заявляемое устройство после его монтажа в районе выходного фланца манипуляционного робота работает следующим образом.
Предварительно осуществляют подготовку устройства к работе, его настройку и калибровку.
Для светочувствительной матрицы 5 подбирают такое расположение и ориентацию, чтобы в ее кадре отображались проекции 11 оптического излучения от трёх излучающих элементов 4 (см. фиг. 2, 4а слева).
Допускают, что измеряемая поверхность 12 в локальной области измерения геометрически близка к плоскости 13, которую определяют с помощью пространственных координат проекций 11 оптического излучения. После определения плоскости 13 по отношению к ней рассчитывается нормаль 14.
Координаты проекций 11 оптического излучения  относительно фланца манипуляционного робота известны и неизменны и расстояние  до измеряемой поверхности 12 определяют с помощью метода лазерной триангуляции.
Для обеспечения эргономичности использования устройства можно обеспечить выполнение различных режимов, которые оператор может выбирать с помощью элемента ввода-вывода информации и получать ответный сигнал посредством индикатора, например:
- свободный режим – при перемещении устройства по шести координатам без удержания нормали;
- с автоматическим удержанием угла между рабочим органом и измеряемой поверхностью;
- с автоматическим удержанием зазора и нормали относительно измеряемой поверхности;
- режим регулировки зазора относительно измеряемой поверхности.
Оператор с помощью элемента 9 ввода-вывода информации задает требуемые команды и/или режимы работы и перемещает корпус 6 элемента ручного управления 7, задавая таким образом движение устройства и траекторию обработки поверхности 12 при оперативном программировании манипуляционного робота.
Смещение корпуса 6 элемента ручного управления 7 относительно его продольной центральной оси приводит к изменению значений характеристик, измеряемых устройством силомоментного очувствления 3, на основе которых определяют общее усилие и его направление 15 (см. фиг.5).
При изменении расстояния  до измеряемой поверхности 12 происходит изменение положения проекций 11 оптического излучения в кадре светочувствительной матрицы 5 при их перемещении по траекториям, показанным на фиг. 3.
На основе метода лазерной триангуляции по положению проекций 11 оптического излучения в кадре светочувствительной матрицы 5 определяют расстояние до измеряемой поверхности 12.
После определения пространственных координат проекций 11 оптического излучения на локальной области измеряемой поверхности 12 через три пространственных точки формируется плоскость 13, относительно которой рассчитывается нормаль 14 (см. фиг. 4 справа).