Рука манипулятора с программным управлением

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК 9) 9/02 ИЗОБРЕТ ВТОР СКОМУ ЕТЕЛЬСТВУ(57) Сущн звеньев 1, дит при по 9, выполн материала формы, Д граммы и приводов(54) РУКА МАНИПУЛЯТОРА СНЪМ УПРАВЛЕНИЕМ ость изобретения: 2 и 3 руки манипуля мощи проволочных нных в виде винтов , обладающего эфф ля обеспечения за еремещения звенье сделаны различной е" Р ГРАМ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР) ИСАНИ перемещение тора происхоприводов 8 и ой спирали из ектом памяти данной пров проволоки длины, 9 ил.Изобретение относится к робототехнике, а более конкретно к конструкциям рук манипуляторов, предназначенных для выполнения простейших транспортировочных операций. Они содержат относительно подвижные звенья с силовыми приводами перемещения каждого звена и устройство управления этими приводами, позволяющее включать и выключать их в заданной последовательности, чем добиваться желаемого перемещения звеньев в пространстве. Первое звено закреплено на основании, а на последнем установлен захват для груза, Звенья могут быть связаны между собой телескопицески или шарнирно, По назначению руи манипуляторов могут быть многократного использования, например, для погрузочных манипуляторов, когда рука многократно совершает движение от исходного положения к конечному, и однократного использования, когда рука манипулятора должна совершить перемещение только один раз от исходного полокения к конечному. Последняя конструкция может быть применена в солнечных батареях космических спутников, которые требуется однократно развернуть иэ сложенного положения после вь 1 хода спутника на орбиту, (Эта конструкция аналогична описанному выше погрузочному манипулятору, только полезный груз - панели с фотоэлементами, установлен на нескольких звеньях).Устройство управления приводами звеньевимеет различные конструкции в зависимости от того, каким образом звенья должны двигаться друг относительно друга. Если звенья должны начинать и прекращать движение одновременно, то такое устройство конструктивно совмещено с приводом и , может представлять собой жесткую механическую, без возможности свободного хода, передачу.(например, тросовую или шестеренчатую), соединяющую звенья, В некоторых случаях невозможно получить требуемую траекторию движения звеньев, если их начинать двигать одновременно, т.е. для требуемого движения необходимо часть звеньев начать двигать после того, как другие уже переместятся на определенную величину. Механические устройства связи между звеньями (устройство управления) для обеспечения такого движения получаются достатоцно сложными и поэтому приводами управляют электрическими сигналами с помощью устройств (блоков) управления, вырабатьвающих такие сигналы, Конструкция получается проще механической системы управления, но само по себе наличие специального устройства управления, но само по себе наличие специального устройства управления движением звеньев описанных рук манипуляторов усложняет их, снижает надежность работы, что являет ся их недостатком.Этот недостаток также присущ и конструкции руки манипулятора, которая по технической сущности наиболее близка к заявляемому решению и поэтому выбрана в 10 кацестве прототипа. Она содержит относительно подвижные. звенья с силовым приводом и блоком управления, который позволяет посредством силового привода перемещать звенья в заданной последова тельности, т,е. осуществлять программноеуправление ими;Из постановки задачи: переместитьодно звено раньше или позже другого следует, что для ее решения рука манипулятора 20 должна иметь, как минимум три звена (например, первое звено - неподвижное; сначала относительно него начинает двигаться второе звено, а затем - третье относительно второго). Силовые приводы по отдельности 25 могут быть любой конструкции, в том числевыполненные из проволоки из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) с закрепленными на смежных звеньях концами и нагревателем, срабатывание (перемещение 30 концов с тяговым усилием) которых обеспе-чивают нагревом выше температуры формоизменения (обратного мартенситного превращения для сплава никель-титан (никелид титана), например, путем пропуска ния электрицеского тока.Таким образом, рука манипулятора спрограммным управлением - прототип содержит, как минимум три относительно подвикных звена, причем на каждой паре 40 смежных звеньев закреплены концы проволочных приводов из одного материала с эффектом памяти формы, связанных через блок управления с источником электропитания (для электрического нагрева приводов), 45 Подключая с помощью блока управленияприводы к источнику электропитания в заданной последовательности, нагревают их в такой же последовательности до температуры срабатывания (формоизменения), чем 50 управляют движением руки манипулятора.Недостатком прототипа является низкая надежность вследствие необходимости использования в конструкции блока управления.55 Целью изобретения является повышение надежности путем упрощения конструкции.Это достигается тем, что в руке манипулятора с программным управлением, содержащей как минимум три относительноподвижных звена, причем на каждой паре смежных звеньев закреплены концы проволочных приводов из одного и того же материала с эффектом памяти формы, соединенных с источником электропитания, 5 приводы соединены между собой в параллельную электрическую цепь и выполнены с длинами проволок, удовлетворяющими ус- ловию с -вЬ тпь10 где е и и - номера приводов;Ь - длина проволоки привода с номером в;Ь - длина проволоки привода с номе ром и;Ь - время от начала подачи электропитания на приводы до срабатывания привода с номером ги;т - время от начала подачи электропи тания на приводы до срабатывания привода с номером и,По сравнению с прототипом предлагаемое техническое решение имеет такую совокупность отличительных признаков, как 25 соединение приводов между собой в параллельную электрическую цепь и выполнение их с длинами проволок, удовлетворяющими условию 30 1 щп тгп ь где п 1 и и - номера приводов;Ь - длина проволоки привода с номером а;Ь - длина проволоки привода с номе ром и;ъ - время от начала подачи электропитания на приводы до срабатывания привода с номером щ;Ь - время от начала подачи электропи тания на приводы до срабатывания привода с номером и.(Под термином "источник электропитания" подразумевается собственно источник электропитания в совокупности с коммути рующим устройством (выключателем), позволяющим включать или отключать питание от электрической цепи.Под термином "привод" подразумевается проволока из материала с ЭПФ, на кон цах которой расположены детали ее крепления к звеньям),При исследовании известных в науке и технике решений было обнаружено, что электрические приводы напрямую между 55 собой соединяться не могут, так как это привело бы к их срабатыванию в одно и то же время (в прототипе они связаны через блок управления, включающий их в разное время). Выполнением проволоки для приводов разной длины добиваются лишь изменения рабочих ходов связываемых ею звеньев, но не разного времени срабатывания. (Известно, что приводиз матерйала с ЭПФ может изменять сбое фИУМрФ Нрйсрабатывании только в определенных пределах, "которые определяются характеристиками материала. Например, проволока из никелида титана может при формоизменении изменять свою длинуне более, чем на 68 ОО. Поетому длину проволоки подбирают из усговия, чтобы величина рабочего хода привода находилась в пределах изменения ее длины при формоизменении, Только в указанной совокупности эти отличительные признаки обеспечивают срабатывание приводов в разные моменты времени в необходимой последовательности, чем берут на себя функцию блока управления. Соединение приводов напрямую с источником электропитания обеспечивает им одинаковое время нагрева электротоком, а соединение в параллельную цепь и выполнение их проволоки различной длийы позволяет получить разные скорости их нагрева. Напряжение на концахприводов будет одинаковым, но более длинный провод будет греться медленнее короткого,.так как он имеет большее электрическое сопротивление и более массивный. А так как проволоки приводов выполнены из одного и того же материала с одной и той же температурой срабатывания (формоизменения), то разные скорости нагрева приведут к разному времени срабатывания приводов.На фиг.1 показан общий вид руки манипулятора с программнымуправлением с телескбйически связаййыми звеньями в исходном положении; на фиг.2 - принципиальная электрическая схема соединения приводов руки манипулятора; на фиг,3 - график зависимости отношения изменения температур приводов йри нагреве от отношения длин их проволок(без учета поправок на теплообмен с окружающей средой); на фиг.4 - общий вид руки манипулятора с телескопически связанными звеньями в промежуточном положении; на фиг.5 - то же, в конечном положении; на фиг.б - общий вид руки манипулятора с программным управлением с шарнирно связанными звеньями в исходном положении; на фиг.6 - общий вид руки манипулятора с программным управлением с шарнирно связанными звеньями в исходном положении; на фиг.7 - вид по стрелке В фиг.б(вид сверху); на фиг,8 -общий вид руки манипулятора с шарнирно связанными звеньями в промежуточном положейии; на фиг.9 - то же, в конечном положении.Рука манипулятора с программным управлением содержит телескопически связанные звенья 1, 2, 3 (фиг.1). Звено 2 выполнено Г-образной формы, вставлено одним рожком в полость 4 звена 1 и соеди нено с ним посредством пружины растяжения 5. В полость 6 второго рожка звена 2 вставлено звено 3. соединенное с ним через пружину растяжения 7. Смежные звенья 1 и 2,2 и 3 связаны между собой проволочными 10 приводами 8 и 9 соответствейно в виде винтовой цилиндрической спирали из одного и того же материала с ЭПФ, например, нике- лида титана. причем длина проволоки1 привода 8 выполнена меньше длины прова лаки2 привода 9. Приводы обработаны "на памятьф таким образом, чтобы при нагреве выше температуры формоизменения длиныспиралей увеличивались. Концы 10 и 11, 12 и 13 приводов 8 и 9 закреплены на звеньях 20 . 1 и 2,2 и 3 соответственно через электротеплоизолирующие прокладки 14. Концы 10 и 13 соединены электроприводом 15 с клеммой "-", а электрически связанные между собой перемычкой 16 концы 11 и 12 соеди нены электропроводом 15 через выключатель 17 с клеммой "+" электроаккумулятора 18, Провод 15 выполнен на части своей длины в виде эластичной винтовой спирали, Звено 1 закреплено на основании 19, а на 30 звене 3 расположен захват 20 для груза.Работает рука манипулятора следующим образом.При замыкании контактов выключателя 17 электрический ток от аккумулятора 18 по 35 проводу 15 начнет поступать к приводам 8 и 9, вызывая их нагрев, Напряжение на концах 10 и 11, 12 и 13 приводов 8 и 9, соединенных с аккумулятором 18 в параллельную электрическую цепь будет одинаковым 40 (фиг.2). Но более короткая проволока привода 8 имеет меньшее электрическое сопротивленйе и меньшую массу более длиной проволоки привода 9. Поэтому она будет греться быстрее последней, 45Из электротехники известно, что нагрев проводника электротоком можно описать в виде (без учета поправки на теплообмен с.окружающей средой)г 501= М с ЛТ (1) где 0- напряжение на концах проводника;В - его электрическое сопротивление;1 - время нагрева;М - масса проводника; 55с - его удельная теплоемкость;ФТ - изменение его температуры за время нагрева.Для проволочного проводника(2) где р - коэффициент удельного электрического сопротивления проводника;1. - длина проводника;Я - площадь его поперечного сечения.М = рплю, (3) где рпл - плотность материала проводника.Подставляя формулы (2) и (3) в (1), имеем02 т 5-- рл Я с, К откуда 2,у 0 ср - рпл СДля двух любых проводников01 С 1(8) акового матери для провоала(РгЙ Рпл 2С 2Из формулы (12) следует, что увеличение температуры Ь Т за некоторое время будет больше у того проводника, который короче. Отношение увеличения температур параллельно соединенных проводников за некоторое время при нагреве зависит только от их длин и не зависит от площадей поперечного сечения. Это позволяет подбирать площади поперечного сечения проволок приводов независимо от требуемого порядка движения звеньев, а только из условий обеспечения необходимого рабочего усилия, что упрощает проектирование устройства. (Длина проволоки привода может быть любой, но не менее определенного ХТ 22 ы ЗТ 2 20Рг13Рпл 2С 2 где индекс "1" относится к произвольно выбранному первому проводнику (приводу 8 фиг.1 или с номером п 1),индекс "2" относится к другому проводнику(приводу 9.фиг,1 или с номером и).Для параллельно соединенных провод- никовзначения, которое определяется из условия, чтобы величина рабочего хода привода находилась в пределах изменения длины этой проволоки при формоизменении).На фиг,3 показан график зависимости отношения изменения температур ЬТ 1приводов при нагреве от отношения ьТ 2длин их проволок - , построенный по фор 1 гмуле (12), Из него видно, что, если, например, длина проволоки привода 8 будет составлять примерно 0,7 длины проволоки привода 9 ( - - 0,7 показано пунктиром),Оготношение изменения температур при наЬТ 1греве будет равно -х -- = 2, т.е., если приводслТ8 нагрелся с температуры+20 С до температуры срабатывания + 100 С (на 100-20 = =80 С), то привод 9 за это же время нагреется только на80: Л -- 80; 2 = 40 С, т.е. до 20 + 40 ==60 оПоэтому привод 8 раньше привода 9 достигнет одинаковой для обоих приводов температуры формоизменения и, срабатывая, сначала выдвинет звено 2 из звена 1(по стрелке А фиг,4), а затем привод 9 выдвинет звено 3 из звена 2 (по стрелке Б фиг.5). Другими словами, когда привод 8 выдвинет звено 2 из звена 1, приводу 9 еще предстоит греться с+60 до+100 С. Если его нагрев от +20 до+60 С произошел в течение 1 мин, то нагрев с+60 до+100 С будет затрачено100 - 60 4060 - 20 40Т.е. звено 3 выдвинется приводом 9 через 1 мин после выдвижения звена 2 приводом 8, Таким образом произойдет программное движение звеньев руки манипулятора. Захват 20 опишет при этом "Г"-образную траекторию.После отключения питания от приводов 8 и 9 посредством выключателя 17 они начнут остывать. Известно, что при остывании приводов из никель-титановых сплавов ниже критической температуры (срабатывания,.она же обратного мартенситного превращения) их сопротивление действию внешней механической нагрузки резко уменьшается, и становится возможным возвратить (деформировать) их в исходное положение за счет сжатия пружин, которые предварительно были растянуты приводами при их рабочем ходе, когда их температура превышала критическую. Поэтому приводы 8 и 9 будут деформироваться до исходного положения вместе с втягиванием звеньев 2 и 3 в звенья 1 и 2 под действием пружин 5 и 7 соответственно в таком порядке, в каком их температуры при остывании будут проходить через критическую температуру сплава, одинаковую для обоих приводов. Так какпривод 8 имел в начале остывания большуютемпературу, чем привод 9 (за время нагрева привода 9 от начальной температуры +10 20 С до температуры срабатывания +100 Спривод 8 нагреется до температуры20 + (100 - 20) д - = 20 + (100 - 20) 2 =ЬТ 1ЬТгг=+180 С),15 то он остынет до критической температуры(температуры срабатывания +100 С) позжепривода 9. Следовательно, сначала пружина7 втянет звено 3 в звено 2, деформируяпривод 9 и преодолевая его снизившееся20 механическое сопротивление, а затем пружина 5 втянет звено 2 в звено 1, деформируя привод 8, Звенья руки манипуляторавозвратятся в исходное положение в обратном выдвижению порядке.25 Таким образом цикл лвижения звеньевруки манипулятора, при котором приводыпри нагреве выдвигают звенья, преодолевая меньшее по усилию сопротивление пружин, а при охлаждении пружины30 возвращают звенья и приводы в исходноеположение, преодолевая упавшее усилиеприводов, оказывается завершенным. Этотцикл может, быть повторен многократно.Звенья руки манипулятора могут быть35 связаны друг с другом не только телескопически, но и любым другим образом, например в отличие от предыдущей, эта рукаманипулятора одноразового использования: в ней отсутствуют возвратные пружины40 звеньев, приводящие их в исходное положение без вмешательства человека или внешних устройств.Рука манипулятора с программным уп.равлением содеркит звенья 1,.2, 3, последо 45 вательно соединенные цилиндрическимишарнирами 21, в которых установлены ролики 22 (фиг.6). Через каждый ролик 22 с внешней стороны каждой пары смежных звеньев1 и 2, 2 и 3 переброшены проволочные при 50 воды 8 и 9 из одного и того же материала сЭПО, например, никелида титана, причемдлина Ь проволоки привода 8 меньше длины г проволоки привода 9. Проволока приводов обработана "на память" таким55 образом, чтобы при нагреве выше температуры формоизменения она уменьшала своюдлину (сокращалась). Концы 10 и 11, 12 и 13приводов 8 и 9 закреплены на звеньях 1 и 2,2 и 3 соответственно через электротеплоизолирующие прокладки 14. Концы 10 и 13 соединены электропроводом 15 с клеммой "-", а электрически связанные между собой перемычкой 16 концы 11 и 12 соединены электропроводом 15 через выключатель 17 с клеммой "+" электроаккумулятора 18, Провод 15 выполнен на части своей длины в виде эластичной винтовой спирали. Звено 3 закреплено на основании 19, а на звене 1 расположен захват 20 для груза,Шарнирное соединение звеньев 1 и 2, 2 и 3 выполнено в следующем виде фиг,7), Проушины 23 и 24 звеньев 1 и 2, например, посажены на общую ось 25, оканчивающуюся с одной стороны роликом 2, а на другую сторону которой надета шайба 26, зафиксированная штифтом 27.При замыкании контактов выключателя 17 электрический ток от аккумулятора 18 по проводу 15 начнет поступать к приводам .8 и 9, вызывая их нагрев. Так как длина О проволоки привода 8 меньше длины2 проволоки привода 9. то привод 8 нагреется до одинаковой для обоих приводов температуры формоизменения раньше привода 9 и сработает раньше, повернув звено 1 относительно звена 2 (по стрелке Г фиг.8), Затем 5 сработает привод 9 и повернет звено 2 относительно звена 1. Формула изобретения Рука манипулятора с программным уп равлением, содержащая звенья с приводами их перемещения и систему управления приводами, отл и ч а ю ща я с я тем, что, с целью повышения надежности за счет упрощения системы управления приводами, 15 каждый из приводов по крайней мере двухзвеньев выполнен. в виде источника электроэнергии и проволоки из материала, обладающего эффектом памяти формы, концы . которой закреплены соответственно на по движных друг относительно друга звеньях исвязаны с источником электроэнергии, при этом длины проволок приводов имеют различную величину.1781025 17 Составитель А,ТрофименкТехред М.Моргентал Редак орректор З,Салко каз 4242 Тираж Подписное ВНИИПИ Государствейного комитеТа по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 водственно-издательский комбин