Исполнительная группа звеньев антропоморфного захвата

Область техники
Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании захватов манипуляторов.
Предшествующий уровень техники
Известен захват манипулятора, содержащий сочлененные с ладонью пальцы, трос, соединяющий пальцы с приводом, концы троса закреплены на конечных элементах пальцев, средняя часть охватывает блок, установленный на выходном звене привода, при этом пальцы захвата выполнены в виде винтовых конических пружин сжатия, трос расположен внутри пружин со смещением относительно продольной оси в сторону внутренней поверхности (см. патент РФ №1237419, В25J 15/12).
Недостатком данного устройства является низкая надежность, обусловленная относительным движением пальцев по захватываемой детали в процессе работы. При натяжении троса пружина подвергается изгибу и сжатию. Имеет место нецентральное сжатие пружины. При этом пружина изгибается, что обеспечивает охват детали, и одновременно сжимается. Расстояние между витками уменьшается. Как следствие, имеет место относительное движение витков по поверхности детали. Результатом этого движения является нежелательное перемещение пальца по поверхности детали, уменьшается длина контакта палец-деталь, что ведет к снижению устойчивости объекта в захвате. Повышается вероятность его выхода из захвата.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является исполнительная группа звеньев антропоморфного, включающая основание, не менее двух звеньев, соединенных между собой и основанием вращательными парами с параллельными осями вращения, силовую часть привода, обеспечивающую движение всех звеньев группы, установленную на основании (см. патент US 20150151437, 04.06.2015 В25J 15/08). Движение звеньям с привода передается через гибкую тягу. Один конец тяги соединен с приводом, а противоположный с последним (от основания) звеном исполнительной группы. В конструкции дополнительно предусмотрена вторая гибкая тяга, один конец которой закреплен на основании, а второй через пружину с последним из приводимых в движение звеньев.
Недостатком известного решения является ненадежность захвата объекта. По мнению авторов технического решения, при включении привода будет осуществляться последовательно движение звена, соединенного вращательной парой с основанием, затем последующих звеньев. Это должно обеспечить контакт с захватываемым объектом первоначально звена, соединенного с основанием, и только потом остальных звеньев. Это действие аналогично захвату объекта пальцем человека.
Однако данная последовательность движений не осуществима. Движущий момент создается одновременно во всех вращательных парах натяжением одной и той же ветви гибкой тяги. Плечо усилия натяжения (кратчайшее расстояние от оси вращательной пары до линии действия усилия) практически одинаково во всех вращательных парах. Т.е. величины движущих моментов во вращательной паре, образованной первым звеном и основанием, и в последующих парах равны по величине.
При этом момент сопротивления движению звеньев, при отсутствии их контакта с поверхностью объекта, определяется моментом инерции подвижных звеньев, являющегося функцией массы и квадрата расстояния от оси вращения до центра тяжести звена.
Момент инерции первого звена кратно превышает аналогичный момент инерции второго звена. В связи с этим при равной величине движущего момента во вращательных парах движение звеньев будет происходит в последовательности: второе звено относительно первого до достижения предельного угла поворота и только затем первое звено относительно основания. При этом не обеспечивается заявляемый контакт подвижных звеньев с поверхностью объекта, начиная с первого звена. Взаимодействие начнется со второго звена. Объект не будет удерживается исполнительной группой звеньев.
Раскрытие полезной модели
Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечение надежного захвата исполнительной группой звеньев объектов. При этом важным требованием является сохранение простоты конструкции. Таким образом, задача решается за счет оригинальной, но в тоже время простой схемы, без увеличения числа гибких тяг, двигателей или других элементов.
Технический результат, обеспечиваемый при осуществлении настоящей полезной модели, заключается в последовательности контакта звеньев с выхватываемым объектом, начиная с первого (первого со стороны основания) звена. В свою очередь, такая последовательность контакта обеспечивает решение заявленной задачи - обеспечения надежного захвата объекта исполнительной группой звеньев.
Техническая задача решается тем, что в известной конструкции исполнительной группы звеньев антропоморфного захвата, включающей основание, два подвижных звена, соединенных между собой и основанием вращательными парами с параллельными осями вращения, силовую часть привода группы звеньев, установленную вне подвижных звеньев, гибкую тягу, охватывающую блок, соединенный с выходным звеном силовой части привода, концы которой закреплены один на первом приводимом в движение звене, а второй на последующем, с одной и той же стороны от осей вращательных пар. А звенья, образующие вращательные пары, соединены между собой пружиной. Кроме того, звенья оснащены опорными роликами с возможностью взаимодействия с гибкой тягой, а в качестве гибкой тяги используется гибкая лента.
В одном из вариантов возможно установка дополнительного, третьего звена между первым и вторым. Подробнее различные варианты выполнения раскрыты далее.
Краткое описание фигур чертежей
Полезная модель поясняется изображениями, где:
- на фиг. 1 - кинематическая схема исполнительной группы звеньев;
- на фиг. 2 - кинематическая схема возможного варианта построения исполнительной группы звеньев;
- на фиг. 3 - конструктивное изображение исполнительной группы звеньев антропоморфного захвата (в разрезе).
Варианты осуществления полезной модели
Исполнительная группа звеньев антропоморфного захвата содержит основание 1 (фиг.1). Подвижные звенья 2 и 3. Звено 2 соединено со звеном 3 вращательной парой 4, а звено 2 с основанием 1 вращательной парой 5. Оси вращательных пар 4 и 5 параллельны.
Движение звеньев 2 и 3 обеспечивается от силовой части привода (на фиг. условно не показано), размещенной на основании 1 и заканчивающейся выходным звеном 6. Система передачи движения от выходного звена 6 к подвижным звеньям 2 и 3 включает: блок 7, вращательную пару 8, гибкую тягу (гибкую ленту или канат) 9. Выходное звено 6 через вращательную пару 8 соединяется с блоком 7. Гибкая тяга 9 охватывает блок 7, при этом ее ветви 10 и 11 закреплены соответственно на звене 2 и 3. Точки крепления ветвей 10 и 11 расположены с одной и той же стороны относительно вращательных пар 4 и 5. Это обеспечивает их неизменное расположение относительно вращательных пар 4 и 5 в процессе работы.
В качестве гибкой тяги 9 может использоваться канат или гибкая лента.
Выходное звено привода 6 совершает движение относительно основания 1.
Звено 2 со звеном 3 соединено между собой дополнительно пружиной 12. Аналогично звено 2 с основанием 1 соединено пружиной 13.
Подвижное звено 2 оснащено опорным роликом 14 с возможностью взаимодействия с ветвью 11. При этом опорный ролик обеспечивает неизменное положение ветви 11 между ним и звеном 2.
Возможным вариантом выполнения исполнительной группы звеньев антропоморфного захвата является наличие третьего подвижного звена 15 (фиг. 2). Звено 15 соединено со звеном 3 вращательной парой 16, ось которой параллельна осям вращательных пар 4 и 5. В этом варианте ветвь 11 закреплена на последнем из приводимых в движение звеньев - звене 15. Кроме того, звено 15 соединено со звеном 3 пружиной 17.
На звене 3 установлен опорный ролик 18, обеспечивающий неизменное положение ветви 11 между ним и звеном 3.
Исполнительная группа звеньев работает следующим образом.
При необходимости выполнить захват объекта звеньями исполнительной группы включается силовая часть привода, установленная на основании 1. Звено 6 совместно с блоком 7 начинает перемещаться в направлении от подвижных звеньев 2 и 3. Движение блока 7 обеспечивает натяжение и движение ветвей 10 и 11. При этом усилие в ветвях 10 и 11 равны по величине в силу того, что они охватывают блок 7.
Каждая из ветвей 10, 11 создает движущий момент во вращательной паре 13. Это обеспечивается за счет того, что ветви 10 и 11 закреплены соответственно на звене 2 и звене 3 с одной и той же стороны от вращательной пары 13.
При этом движущий момент M1 равен сумме моментов, обеспечиваемых натяжением каждой ветви 10 и 11. Под действием момента M1 происходит поворот звена 2. При этом упруго деформируется пружина 13. Поворот звена 2 происходит до тех пор, пока оно не достигнет поверхности захватываемого объекта.
Одновременно натяжение в ветви 11 создает движущий момент М2 во вращательной паре 4. При этом величина момента М2 меньше (практически в два раза), чем M1 в силу того, что он создается только за счет натяжения ветви 11. Кроме того, на участке от блока 14 до точки крепления ветви 11, на звене 3 натяжение меньше, чем на участке от блока 7 до ролика 14.
В связи с этим движение во вращательной паре 4 начнется только после достижения звеном 2 поверхности захватываемого объекта, т.е. его остановки.
Таким образом, реализуется последовательность движения, присущая пальцам руки человека при захвате объектов: движение звена 2, связанного с основанием 1 (до достижения поверхности объекта) и только затем остальных звена 3. Это обеспечивает контакт звеньев 2 и 3 исполнительной группы с объектом и надежное его удержание.
Поворот звена 3 сопровождается упругой деформацией пружины 12 и происходит до достижения звеном 3 поверхности захватываемого объекта.
При необходимости освобождения объекта от действия исполнительной группы звеньев выходному звену привода 6 сообщается реверсивное движение в направлении к вращательной паре 5. Под действием упруго деформированных пружин 13 и 12 происходит поворот звеньев 2 и 3 во вращательных парах, соответственно 5 и 4. Звенья 2 и 3 возвращаются в исходное положение.
Закрепление ветви 10 на подвижном звене 2, а ветви 11 на последующем (звене 3), обеспечивает движущий момент во вращательной паре 5, равной сумме моментов, создаваемых натяжением в ветви 10 и ветви 11. При этом во вращательной паре 4 движущий момент создается только натяжением ветви 11. Это определяет последовательность движения: во вращательной паре 5, затем во вращательной паре 4. Как следствие, траектории движения звеньев обеспечивают охват тел любой произвольной формы.
Соединение звена 2, 3 пружиной 12 и звена 2 с основанием 1 пружиной 13 обеспечивает освобождение ранее захваченного объекта.
Функционирование варианта выполнения исполнительной группы звеньев (фиг. 2).
Захват объектов в этом варианте осуществляется за счет движения звеньев 2, 3, аналогичном основному варианту. При этом ветвь 11 создает еще одновременно движущий момент и во вращательной паре 16. Однако натяжение в части ветви 11, расположенной между опорным роликом 18 и точкой крепления к звену 15, меньше, чем на участке между опорными роликами 14 и 18. Это обусловлено потерями на трение на опорном ролике 18. В силу этого движение во вращательной паре 16 будет происходить только после начала движения во вращательной паре 4. При этом вращение во вращательной паре 16 сопровождается упругой деформацией пружины 17.
Наличие опорных роликов 14 и 18, в совокупности с тем, что гибкая тяга 9 охватывает блок 7 и через ветви 10, 11 крепится к звеньям 2 и 3 (или 15), обеспечивает строгую последовательность движения звеньев: 2, далее 3 и затем 15. Это в свою очередь обеспечивает ту же очередность контакта с захватываемым объектом: звено 2, звено 3, звено 15.
Данная последовательность обеспечивается при: равных диаметрах опорных блоков 14, 18, их расположении относительно звеньев 2, 3, равных жесткостях пружин 13, 12, 17, что обеспечивает унификацию деталей сборочной единицы.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает надежный захват и удержание исполнительной группой звеньев объектов произвольной формы.