Манипулятор

СОЮЗ СОВЕТСНИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСН А 1 19) 111) СПУБЛ 511 В 25 Д ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ,П.,(46) 23.06.88. Бюл, У 23 (71) Магнитогорский горно-металлургический институт им. Г.И, Носова и Магнитогорский государственный институт по проектированию металлургических заводов(56) Авторское свидетельство СССР У 1225778, кл, В 25 3 1/02, 1984.(57) Изобретение относится к робототехнике и предназначено для использования в конструкциях манипуляторовс большой грузоподъьемность. Цельюизобретения. является расширение технологических возможностей за счетобеспечения кинематической развязкидвижений звеньев. Шарниры 5, 6 и 7составлены соответственно из корпусов 8, 11 и 14 и скрещивающихся осей вращения 9 и 10, 12 и 13, и 15 и 16.Движение звеньям 1-3 передается черезтрособлочные . передачи 17-22. Всетрособлочные передачи выполненыидентично. Так трос 35 трособлочнойпередачи 22 закреплен одним концом навыходном элементе привода, а другим - на оси блока 37, установленногосвободно, Трос 36 огибает блок 37, акаждая из его ветвей 39 и 40, сходящих с блока 37, охватывает индивидуальные блоки, установленные на осяхшарниров с возможностью свободноговращения, Диаметры блоков, установленных на одной и той же оси охватываемых одним и тем же тросом, выполнены равными между собой. Ветви 39и 40 охватывают блоки, установленныена осях во встречных направлениях.Это обеспечивает расположение точексхода ветвей с блоков, установленныхна одной оси, с разных сторон отэтой оси, Диаметры блоков 43 и 44 выполнены равными расстоянию между блоками, расположенными на другой оси, 3 ил,иЮАИзобретение относится к областиробототехники и предназначено дляфиспользования в конструкциях манипуляторов с большой грузоподъемностью.Целью изобретения является расши 5рение технологических воэможностейза счет обеспечения кинематическойразвязки движений звеньев,На фиг. 1 изображена кинематическая схема манипулятора; на фиг. 2 -Вид А на фиг, 1; на фиг. 3 - схемапроводки трособлочной передачи.Манипулятор содержит подвижныезвенья 1-3 (фиг. 1) и неподвижную 15стойку, основание 4, Звенья соединены между собой и основанием унйверсальными шарнирами 5-. КаждыйФарнир, например, состоит из корпуса 8 и скрещивающихся осей вращения 9 и 10 (фиг. 2). Аналогичношарнир 6 состоит из корпуса 11,скрещивающихся осей 12 и 13, шарнир7 - из корпуса 14, скрещивающихсяосей 15 и 16, т.е, оси вращения 25каждого шарнира выполнены скрещивающимися. В движение звеньяприводятСя приводом, установленным на основании (не показан), через гибкие тяги, например тросы. Движение по 30каждой степени подвижности шарнираобеспечивается индивидуальным тросом, Движение звену 1 передаетсячерез трособлочные передачи 17 и 18,звену 2 - через трособлочные пере 35дачи 19 и 20, звену 3 - через трособлочные передачи 21 и 22 (фиг. 2).Каждая трособлочная передача, кроме 17, состоит из двух соединенныхмежду собой через блок тросов. Трособлочная передача 18 состоит из тросов 23 и 24, блока 25. Трособлочнаяпередача 19 - из тросов 26 и 27,блока 28. Трособлочная передача 20 -из тросов 29 и 30, блока 31. Трособлочная передача 21 - из тросов 32и 33, блока 34. Тросаблочная передача 22 - из тросов 35 и 36, блока37. Блоки 25, 28, 31, 34 и 37 установлены свободно над основаниеми не имеют точек контакта со звеньямй и шарнирами. Один конец каждогопервого троса 23, 26, 29, 32 и 35соответствующей трособлочной передачи соединен с выходным элементомпривода, установленного на неподвижном основании, а другой конец каждого из этих тросов - на оси соот"ветствующего блока 25, 28, 31, 34 или 37, установленного свободно.Второй трос 24, последующий затросом 23 в трособлочной передаче18, огибает блок 25, установленныйсвободно. Каждая из ветвей троса 24,сходящих с блока 25, охватывает индивидуальный блок, установленный наоси 9 шарнира, при этом направлениеохвата ветвями индивидуальных блоков обеспечивает расположение точексхода с блоков с разных сторон отоси 9. Трособлочная передача 17 выполнена в виде одного троса, охватывающего блок 38. Концы троса закреплены на корпусе 8 шарнира 5, а середина троса - на выходном элементепривода. Индивидуальное построениетрособлочной передачи 17, отличноеот всех. остальных тяг, объясняетсятем, что эта трособлочная передачаобеспечивает движение первого изподвижных от основания корпусов ине проходит через шарниры. Построе-,ние всех остальных трособлочных передач аналогично выполнению трособлочной передачи 18. Число охватываемыхветвями блоков зависит от числа осейшарниров, над которыми проходит передача. Вследствие идентичности выполнения трособлочных передач рассмотрим их выполнение на примере трособлочной передачи 22, обеспечивающейдвижение вокруг горизонтальной оси16 шарнира 7 (фиг. 3). Трос 35 трособлочной передачи 22 закреплен однимконцом на выходном элементе привода,а другим - на оси блока 37, установленного свободно. Трос 36 огибаетблок 37, каждая из его ветвей 39 и40, сходящих с блока 37, охватываетиндивидуальные блоки, установленные.на осях 9, 10, 12, 13,. 15 и 16 шар 1ниров с возможностью свободного вращения, На оси 9 установлены блоки 41и 42, на оси 10 - блоки 43 и 44, наоси 12 - блоки 45 и 46, на оси 13 блоки 47 и 48, на оси 15 - блоки49 и 50, на оси 16 - блок 51, Ветвь39 троса 36 охватывает последовательно блоки 41, 43, 45, 47, 49 и 51,ветвь 40 - блоки 42, 44, 46, 48и 50. Диаметры блоков, установлейныхна одной и той же оси и охватываемых одним и тем же тросом, выполненыравными между собой. Ветви 39 и 40охватывают блоки, установленные наосях, во встречных направлениях,ветвь 39 - по часовой стрелке при50 движении по ветви от блока 37 кзвену 3, ветвь 40 - против часовойстрелки, Это обеспечивает расположение точек схода ветвей с блоков,установленных на одной. оси, с раз 5ных сторон от этой оси, Диаметрыблоков 43 и 44 выполнены равнымирасстоянию между блоками 41 и 42,а диаметры блоков 41 и 42 равнырасстоянию между блоками 43 и 44,Аналогичные соотношения между диаметрами и расстояниями между блоками выдержаны в шарнирах 6 и 7, Наоси 16, относительно которой имеет 15возможность вращения звено 3 при движении трособлочной передачи 22, установлен блок 5 1, диаметр которогоравен расстоянию между блоками 49и 50. Ветвь 39 закреплена на приво-димом в движение трособлочной передачей 22 звене 3. Ветвь 40 закрепленана корпусе 14 шарнира 7Корпус 14приводится в движение предыдущейтрособлочной передачей 21, 25Трособлочные передачи 18-22 обеспечивают движение звеньев по каждойстепени подвижности только в одномнаправлении. Обратное движение обеспечивается за счет упруго деформированных пружин 52-56. Упругая деформация пружины обеспечивается придвижении звена под действием гибкойтяги,При необходимости обратные движе 3ния звеньев можно обеспечить установкой дополнительных тяг, выполненныханалогично обеспечивающим прямое движение и совпадающих с ними по количеству. 40Трос 24 трособлочной передачи 18огибает блок 25, установленный свободно, охватывает блоки 57 и 58,выполненные с равным диаметром, установленные на оси 9, Один конецтроса 24 закреплен на корпусе 8 шарнира 5, второй - на приводимом вовращательное движение относительнооси 10 звене 1. Ветвь, охватывающаяблок 57, охватывает, кроме того,блок 59, установленный на оси 10,Диаметр блока 59 равен расстояниюмежду блоками 57 и 58,Трос 27 трособлочной передачи19 огибает блок 28, охватывает блоки 60 и 61, установленные на оси 9,блоки 62 и 63, установленные на оси10. Ветвь троса 27, охватывающаяпоследовательно блоки 61 и 63, охватывает после этого блок 64, установленный на оси 12 и закреплена на корпусе 11 шарнира 6. Второй конец троса 27 закреплен на звене 1. Диаметры блоков 60 и 61, 62 и 63 попарно равны и, кроме того, расстояние между блоками 60 и 61 равно диаметру блока 62, а расстояние между блоками 62 и 63 равно диаметру блока 60.Трос 30 трособлочной передачи 20 огибает блок 31, установленный свободно, охватывает блоки 65 и 66, установленные на оси 9, после этого - блоки 67 и 68, установленные на оси 10, и блоки 69 и 70, установленные на оси 12. Ветвь троса 30, охватывающая последовательно блоки 65, 67 и 69, охватывает блок 71, установленный на оси 13, и закреплена на приводимом этой трособлочной переда- чей во,вращательное движение относительно оси 13 звене 2.Второй конец трособлочной передачи 20 закреплен на корпусе 11, вращение которого относительно оси 12 обеспечивается предыдущей трособлочной передачей 19. Диаметры блоков 65 и 66, 68 и 67, 70 и 6 попарно равны между собой. Диаметр блока 65 равен расстоянию между блоками 68 и 67, диаметр блока 67 выполнен равным расстоянию между блоками 66 и 65 диаметр блока 71 выполнен равным расстоянию между блоками 70 и 69. Ветвь троса 30 охватывает блоки 65, 67, 69 и 71 по часовой стрелке, при движении по ветви от блока 31 к звену 2. Ветвь троса 30 охватывает блоки 66, 68 и 70 против направления часовой стрелки, при движении по ветви от блока 31 к корпусу 11, Это обеспечивает расположение точек схода этих ветвей с блоков, расположенных на одной и той же оси с разных сторон от нее.Трос 33 трособлочной передачи 21 огибает блок 34, установленный свободно, охватывает блоки 72 и 73, установленные на оси 9, блоки 74 и 75, установленные на оси 1 О, блоки 76 и 77, установленные на оси 12, блоки 78 и 79, установленные на оси 13. Ветвь троса 33, охватывающая блоки 73, 74, 77 и 78, охватывает после этого блок 80, установленный на оси 15, и закреплена на корпусе 14, при этом направление охвата при движении вдоль ветви от блока 34 к корпусу 145 14043выполнено по часовой стрелке. Ветвьтроса 33, охватывающая блоки 72, 75,76 и 79 закреплена на звене 2, приводимом в Движение предыдущей тросоч5блочнои передачей 20, а направлениебхватаблоков при движении вдоль ветви от блока 34 к звену 2 выполненоПротив часовой стрелки. Диаметрыблоков 73 и 72, 75 и 74, 77 и 76,79 и 78, попарно равны между собой.Диаметр блока 72 выполнен равным расстоянию между блоками 75 и 74, диаметр блока 74 выполнен равным расстоянию между блоками 73 и 72, диа бметр блока 75 выполнен равным расстоянию между блоками 9 и 78, диаМетр блока 78 выполнен равным расстоянию между блоками 76 и 77, диаметрблока 80 выполнен равным расстояниюмежду блоками 79 и 78.Все блоки, установленные на осях,Имеют возможность свободно относи. тельно них вращаться,В исходном положении все трособлочные передачи находятся в подтянутом состоянии, что обеспечивает вы"бор всех зазоров и исключает провисание тросов.Манипулятор работает следующим об- Зрразом.При необходимости совершить поворот одного звена относительно другого, например звена 2 относительнозвена 1 вокруг оси 13, включают привод35соответствующей степени подвижности,ПОд действием работающего приводатрос 29 трособлочной передачи 20,один конец которой закреплен на выходном элементе привода, движется внаправлении от оси 9 (фиг. 1). Движение троса 29 обеспечивает движениев том же направлении блока 31, таккак ось блока связана с концом троса 29. Движение блока 31 в направленин от оси 9 сопровождается вращением блока 31 относительно своей осипротив направления часовой стрелки,так как ветвь троса 30, охватывающаяблоки 65, 6 и 69, закреплена накорпусе 11, неподвижном в данный момент. За счет вращения блока 31 происходит перепускание троса 30 относительно этого блока, при этом ветвь,охватывающая блоки 65, 67 и 69 и 71,движется вдоль звена 1 в направлениик оси 9, так как конец этой ветви .закреплен на звене 2 и, кроме того,ветвь удалена от оси 13 на расстоя 24ние, равное половине диаметра блока71, то это обеспечивает созданиедвижущегося момента относительно оси13, обеспечивающего вращение звена 2относительно этой оси.При вращении звена 2 относительно звена 1 вокруг оси 13 ветвь 40троса 36, обеспечивающего передачудвижения звену 3, и заключенная между блоками 48 и 50, навивается наблок 48, а аналогичная часть ветви 39свивается с блока 47 (фиг. 3). Вследствие равенства диаметров блоков 47и 48 длина свиваемой части ветви 39равна длине навиваемой части ветви40, Так как ветви 39 и 40 принадлежат одной и той же трособлочной передаче, то изменение длин ее частейвзаимно компенсируется. При этом блоки 47, 48, 45, 46, 44, 43, 41, 42и 37 вращаются против часовой стрелки. Блоки 49 и 50, а также ось блока 37 остаются неподвижными, чтообеспечивает отсутствие вращения звена 3 относительно звена 2 вокруг оси15. Одновременное навивание и свивание ветвей одного и того же тросаобеспечивается за счет того, чтоточки схода этих ветвей с блоков расположены с разных сторон от оси, на которой установлены блоки,1(омпенсация изменения длин ветвейтроса 33, также проходящей над шарниром 6, в котором обеспечиваетсядвижение в данный момент, происходитаналогично компенсации длин ветвейтроса 36.Таким образом, при вращении звена 2 относительно звена 1 вокруг оси13 положение звена 3 относительнозвена 2 не меняется, т.е, обеспечи-,вается развязка движений звеньев,что обеспечивает возможность использования руки манипулятора на технологических операциях, требующих повышенной точности движений.Развязка движений привода звеньевпри вращении звена 2 относительнозвена 1, относительно оси 12 приведена на примере трособлочной передачи 22,Вследствие идентичности выполнения трособлочных передач 20 и 21, 22,проходящих через шарнир 6, в которомсовершается движение, процесс компен"сации изменения длин ветвей тросовобеспечивающий развязку движений,аналогичен.404324 8 Выполнение осей универсального 55 71Для обеспечения движения звена 2относительно звена 1 против часовойстрелки вокруг оси 12 включают привод, обеспечивающий передачу движе 5ния трособлочной передачи 19 (фиг.1).Движение с выходного элемента привода передается связанному с ним концутроса 26, что обеспечивает движениеоси блока 28, с которой связан второй конец троса 26, в направленииот оси 9 (фиг. 2). Движение оси блока обеспечивает движение троса 27,охватывающего блок 28, Конец троса27, закрепленный на звене 1, остается неподвижным, так как неподвижно звено 1. Второй конец троса, связанный с корпусом 11, соверша.ет движение относительно звена 1 за счетдвижущегося блока 28, Корпус 11 вместе со звеном 2 поворачивается относительно оси 12.При вращении корпуса 11 со звеном 2 вокруг оси 12 ветвь 29 троса36 сматывается с блока 45, а ветвь 2540 этого же троса намагывается наблок 46. Вследствие равенства диаметров блоков 45 и 46 длина навиваемой части ветви равна длине свиваемой части. Одновременное навиваниеи свивание ветвей одного и того жетроса обеспечивается за счет того, чтоточки схода ветвей этого троса расположены с разных сторон от оси, накоторой установлены блоки. Удлинение35ветви 40 и одновременное сокращение нату же величину ветви 39 ведет квращению блока 37 против часовойстрелки, При этом положение оси блока37 относительно неподвижного основания остается неизменным, а трос 35находится как и до движения звена 2в натянутом состоянии,Надежность работы узла развязкидвижений обеспечивается за счеттого, что диаметры блоков 45 и 46равны расстоянию между блоками 47и 48, а диаметры блоков 47 и 48 -соответственно расстоянию междублоками 45 и 46. Так как в этомслучае обеспечивается свивание инавивание ветвей 39 и 40 с блоков46-48 по касательной к этим блокам,тем самым исключается возможностьсхода ветвей с блоков,Процесс развязки движений трособлочных передач 20 и 21 при вращениизвена 2 вокруг оси 12 происходитаналогично,шарнира скрещивающимися, а трособлочных передач в виде по крайней мередвух соединенных между собой черезблок тросов, первый из которых состороны привода закреплен одним концом на оси блока, установленного свободно над основанием, а вторым - навыходном элементе привода, а последующий за ним трос огибает блок, установленный свободно над основанием,конец одной ветви закреплен на приводимом в движение звене, а конецвторой ветви - на подвижном элементеманипулятора, приводимом в движениепредыдущей тягой, при этой каждаяветвь охватывает блоки, установленные с возможностью вращения на осяхуниверсальных шарниров так, что точки схода ветвеп одного и того же троса с блоков расположены с разных сторон от оси, а диаметры блоков, установленных на одной оси и огибаемыхветвями одного и того же троса, выполне ы равнымп; в пределах каждогоуниверсального шарнира диаметры блоков, установленные на одной его оси и охватываемые одним и тем же тросом,выполнены равными расстоянию междублоками, охватываемыми этим тросоми установленными на другой оси универсального шарнира, позволяет обеспечить кинематическую развязку движений звеньев и надежную работу узларазвязки. Это обусловлено тем, что предлагаемое выполнение трособлочных передач обеспечивает компенсацию изменения длины ветви каждого троса,проходящего через универсальный шарнир за счет равного компенсирующегоизменения длины другой ветви этогоже троса. За счет выполнения блоков,установленных на одной и той же осии охватываемых ветвями одного тросас равным диаметром, величина навиваемой части ветви, при повороте в шарнире, через который проходит трособлочная передача, равна величине свиваемой при этом части ветви этогоже троса. Процесс одновременного навивания и свивания ветвей одного итого же троса обеспечивается за счеттого, что точки схода ветвей этоготроса с блоков расположены с разныхсторон от оси, на которой установлены блоки, Соединение двух тросов,образующих трособлочную передачу,через блок, установленный свободно1404324 й 27 ЗОЛ Х 7 61 Ф БХ 7 Х У над основанием, обеспечивает возможность перепускания трбса, охватывающего блок без изменения положения конца троса, связанного с осью блока, Выполнение троса, последующего5 за связанным с выходным элементом привода, так, что один его конец закреплен на приводимом в движение;: звене, а другой - на подвижном эле.- менте манипулятора, движение которому передается предыдущей трособлочной передачей, обеспечивает наличие двух ветвей (навиваемой и свиваемой, при движении в шарнире) во всех шарнирах, через которые проходит трособлочная передача и которой принадлежит трос. Выполнение в каждом универсальном шарнире диаметров блоков, установленных на одной его оси и охватываемых одним тросом, равными расстоянию между блоками, охватываемыми этой же трособлочной передачей, позво 1 ляет получить надежную работу узла развязки, так как в этом случае сви ванне и навивание ветвей происходит по касательной к блоку. Возможен вариант выполнения манипулятора, в соответствии с которым З 0 ,ось одного или несколько блоков, установленных свободно, связана непосредственно с выходным элементом привода, совершающим поступательное или вращательное движение. Это не влечет за собой никаких изменений в оставшейся части конструкции манипулятора.1 Кроме того, в конструкции манипулятора возможно сочетание шарниров 40 с двумя степенями подвижности -универсальные шарниры, и шарниров с одной степенью подвижности. Формула изобретенияМанипулятор, содержащий ряд последовательно соединенных шарнирами звеньев, кинематически связанных с приводами посредством трособлочных передач, число которых кратно числу шарниров, первый со стороны привода трос каждой трособлочной передачи закреплен одним концом на оси блока, установленного свободно над основанием, другим концом - на выходном элементе привода, на конечном звене закреплен рабочий орган, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расши" рения технологических возможностей за счет обеспечения кинематической развязки движений звеньев, каждый шарнир выполнен в виде корпуса и установленных в нем двух скрещивающихся осей, а блоки трособлочных передач установлены на осях этих шарниров, при этом второй со стороны привода трос каждой трособлочной передачи огибает блок, свободно установленный над основанием, и блок, закрепленный на оси шарнира, а каждый последующий за ним трос охватывает этот же блок, установленный на оси шарнира, при этом один конец троса закреплен на соответствующем звене, другой - на корпусе шарнира, а каждая ветвь троса охватывает блоки, установленные на осях каждого шарнира, при этом диаметры блоков, расположенных на одной из осей этого шарнира, равны между собой, а диаметр блока расположенного на другой оси шарнира, равен расстоянию между последними и точки схода ветвей троса с этих блоков расположены с противоположных сторон относительно оси их вращения.-4 Заказ 3037/17 Тираж 908 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5