Антропоморфное захватное устройство

Полезная модель относится к области робототехники, а именно к конструкции схвата, применяемом в промышленных манипуляторах, а также в медицинском оборудовании в качестве антропоморфных протезов пальцев. Разработанный рычажный механизм обеспечивает высокую точность позиционирования выходного звена и жесткость конструкции для манипулирования c тяжелыми предметами.
Известно «Захватное устройство» (Патент RU №2502592 опубл. 27.12.2013г., Бюл. №28, B25J 15/00), содержащее закреплённый на основании электродвигатель, приводящий в движение через перекрестную ременную передачу и систему опорных цилиндрических шкивов плоский многозвенный исполнительный механизм, образованный шарнирно соединёнными звеньями.
Недостатками известного устройства является невысокая точность позиционирования, связанная с нарушением передаточного соотношения вследствие проскальзывания ремня, невысокая надежность, обусловленная малой прочностью ремня и его повышенным износом.
Наиболее близким техническим решением является «Захватное устройство», выполненное в виде роботизированной руки с антропоморфными пальцами (US8052185B2, Nov. 8, 2011, B66C 1/42). Роботизированная рука реализует большинство движений человеческой руки, развивает усилия, достаточные для манипулирования с легкими предметами, и приводится в движение приводом с гибкими  элементами. Кинематические звенья рассматриваемого рычажного механизма соединены шарнирами V класса. Конструкция сдержит шкивы для повышения крепления  жесткости, а так же реализации заданного направления движения натяжных элементов. Дистальная и средняя фаланги рассматриваемого захватного устройства образуют кинематическую пару из двух скрещенных шатунов в области средней фаланги и соединяющего их шатуна в области дистальной. Для соединения средней и проксимальной фаланги используется шатун, скрепляющий скрещивающиеся шатуны в области средней фаланги, приводимый в движение шкивом.
Недостатками рассматриваемого антропоморфного захватного устройства является большое количество приводов, использующихся для поддерживания тросов в натянутом положении, обеспечения фиксации устройства в заданном положении, и как следствие сложность его системы управления.
Предлагаемая конструкция антропоморфного захватного устройства представляет собой многозвенный плоский рычажный механизм, кинематика и динамика движения которого соответствует подвижностям естественного пальца человеческой руки. Решение задачи достигается тем, что предложен шестизвенный коромыслово–шатунный плоский рычажный механизм IV класса с двумя ведущими коромыслами.
На Фиг. 1 представлена структурная схема предложенного рычажного механизма, представляющего собой шестизвенный плоский рычажный механизм IV класса, состоящий из двух ведущих коромысел «первичного» 1 и «вторичного» 2, двух поводков 3 и 5 и двух замкнутых структурных групп третьего класса (трехзвенные замкнутые контуры) 4 и 6.
Предложенное антропоморфное захватное устройство в виде многозвенного плоского рычажного механизма представляет собой коромыслово-шатунный механизм IV класса с двумя ведущими коромыслами, элементы которого соединены шарнирами V класса, один из элементов которого выполнен в виде стойки «0» с размещенными на ней элементами в виде двух ведущих коромысел «первичного» 1 и «вторичного» 2, поводка 3 коромысла 1, соединяющего коромысло 2 с трехзвенным замкнутым контуром 4, и поводка 5 коромысла 2, соединяющего выходной шатун 6 с коромыслом 1. Также выходной шатун 6 кинематически связан с трехзвенным замкнутым контуром 4.
На Фиг.2 изображена рабочая область многозвенного плоского рычажного механизма IV класса, представляющая собой кольцо (Фиг. 2, части А и Б) и приближённо соответствующая рабочей зоне человеческого пальца руки (фиг. 2, часть А).
На Фиг. 3 представлены промежуточные положения многозвенного рычажного механизма для различных значений углов поворота «вторичного» ведущего коромысла (Фиг. 5.1), «первичного» ведущего коромысла (Фиг. 3.2) и при их совместном движении (Фиг. 3.3).
Антропоморфное захватное устройство (фиг. 2), спроектированное с использованием трех параллельно установленных на основании предложенных  многозвенных плоских рычажных механизмов, приводится в движение электроприводами через редукторы и конические передачи. Малая коническая шестерня В, неподвижно установленная на вал электропривода А1,  приводит в движение «вторичный» ведущее коромысло 2. Большая коническая шестерня Б2 с подшипниками располагается соосно с валом электропривода А1. Вращение вала электропривода А2 через неподвижно закрепленную на нем шестерню Б1 передаётся на коническую шестерню Б2, которая в свою очередь приводит в движение первичное ведущее коромысло 1.
Вращение вала электроприводов приводит в движение «первичное» коромысло 1 и/или «вторичное» коромысло 2, в зависимости от заданной траектории движения выходного звена 6 многозвенного плоского рычажного механизма. Благодаря встроенной обратной связи в конструкцию электропривода и статически определимой кинематической схеме многозвенного плоского рычажного механизма,  антропоморфное захватное устройство обеспечивает жесткость конструкции, высокую точность позиционирования выходного звена и, как следствие, упрощение системы управления.
Предлагаемое техническое решение антропоморфного захватного устройства на базе многозвенного плоского рычажного механизма с двумя независимыми входными звеньями (коромыслами) позволяет выполнять манипуляции с объектами сложной геометрической формы, устранить описанные ранее недостатки ближайших аналогов. Рабочее пространство многозвенного плоского коромыслово-шатунного механизма с двумя независимыми входными звеньями (коромыслами) соответствует по форме и объёму подвижности человеческому пальцу руки, устройство имеет надёжную и жесткую конструкцию благодаря отсутствию гибких связей между элементами схемы, высокую точность позиционирования выходного шатуна благодаря кинематически определённой структурной схеме и отсутствию «особых положений» на всём диапазоне изменения координат выходных звеньев.
Захват объекта манипулирования с помощью предлагаемого антропоморфного захватного устройства осуществляется следующим образом: при перемещении входного вала коромысла 1 (или входного коромысла 2, или одновременно обоих) кинематически связанные звенья 3, 4, 5 и 6 совершают плоскопараллельное движение переводящие входной шатун 6 в заданное положение. Надёжность фиксации объекта манипулирования обеспечивается не менее чем тремя параллельно установленными многозвенными плоскими рычажными механизмами (фиг. 5).