Рука манипулятора

СО 103 СОВГТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 25 1 18/04 . ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ ОО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Базаров Б,А, и др, Исгюльзование материа-,лов с эффектом памяти формы для сйСте 1 иконцентрации солнечной энергии, Сборник"Концентраторы солнечного излученйя дляфотоэлектрических энергоустановок", Подред, В.А. Грихилеса . - Л Энергоатомиздат,1986, с. 23 - 25,(54). РУКА МАНИПУЛ ЯТОРА(57) Использование; робототехника, в частности конструкции рук манипуляторов. При нагреве стержня 5, выполненного из материала с памятью формы, он при достижении температуры формоизменения примет изогнутую по дуге форму, поворачивая балку 1 относительно балки 2 вокруг шарнира 7 и перемещая захват 12 с грузом в требуемое положение. Конец 4 стержня 5 при этом будет перемещаться по пазу 9 балки 2. Концы 3 и 4 стержня 5 окажутся замкнутыми на жесткую балку 2 в течение всего времени поворота балки 1, а изгибающийся по дуге стержень 5 образует с балкой 2 жесткий кольцевой замкнутый контур, что приведет к повышению жесткости всей конструкции, 1 зп флы,8 ил,Изобретение относится к робототехнике, а более конкретно - к конструкциям рук манипуляторов, предназначенных 1 ля пе ремещения грузов путем относительного вращательного движения своих звеньев,Известны конструкции рук манипуляторов, смежные звенья которых выполнены в виде вращательных кинематических пэр и снабжены силовыми приводами (Жавнер В,Л., Крамской Э,И, Погрузочные манипуляторы. Под."ред, проф. А,И,Колчина, - Л.: Мациностроение (Ленингр, отд-ние), 1975, с,7,. Рис,11; с,15, Рис,1,9 а; с,23, Рис,11,2; с.56, Рис 111,11), Все эти конструкции включают, как минимум, одну пару смежных ба-: лок с силовым приводом, поварстно (вращательно) связанных между собой, Одна из балок закреплена на неподвижном основании, а на смежной установлей захват для груза, Вращая смежную балку относительно первой посредством силового привода, перемещают захват вместе с грузом в требуемое положение.Важнейшим узлом рук манипуляторов,существенно влияющим на их основные характеристики, является силовой привод. Известноприменение в качестве силового привода гйдроцилиндров (а.с, СССР 1 Ф 1313711, МКИ 4 В 25 1 17/00, 1986; а.с. СССР й. 1348170, МКИ 4 В 2517/ОО, 1983). Однако, они сложны и тяжелы как сами по себе, так и требуют для обеспечения своей работоспособности конструктивно сложных и тяжель х насосов, Это снижает надежйость конструкции, делает ее тяжелой, что является ее недостатками; ограничивающими применение, например, на борту космических аппаратов (Ивановский А,В, На 1 ала робото-, техники. - Минск: Вышейшая школа, 1988, с.206, Рис.74, роз,1,4), где требуются высокая надежность в сочетании с малым весом,Эти недостатки устранены в конструкциях, в которых в качестве силового привода применены элементы из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ), например, никелида титана. После термической обработки в определенной форме, соответствующей конечному положению конструкции, такой элемент деформируют до формы, соответствующей начальному" полбЖению конструкции, и устанавливают в конструкцию, При нагреве от окружающей среды или специального нагревателя он "вспоминает" свою форму, которую имел до деформации и перемещает звенья конструкции в конечное положение (Тихонов А.С, и др, Применение эффекта памяти формы в современном мащиностроении/ А.С,Тихонов, А,П,Герасимов, И,И.Прохорова. - М,: Машинострое 10 ние, 1981, с. 4 - 5, с, 2728; описание пат, ФРГ М 1288363, МКИ Р 03 О 7/06, НКИ 88 б7/06, 1967)Известно устройство с таким приводным элементом, аналогичное описаннымвыше рукам манипуляторов, По технической сущности оно наиболее близко к заявляемому решению и поэтому выбрано в качестве прототипа, Прототип содержит (Б.А,Базаров, Р,И,Гончар, И,В.Скрыльников, О,В.Гладкий. Использование материалов сэффектом памяти формы для систем концентрации солнечной энергии. В кн., Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических энергоустановок. Сборник сталей по обмену опытом, Под ред. В,А.Грихилеса, - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986, с,23 - 25) расположенные друг вдоль друга в сложенном положении (уложенные друг на друга) два звена (балки поз,1 и 2 на фиг.), поворотно (через шарнир поз. 3 на фиг,) связанныемежду собой, К звеньям присоединен своими концами изогнутый по дуге (на 180 О) стержень из материала с ЭПФ (поз,4 на фиг,), причем одно из звеньев (поз.2) соединено со стержнем неподвижно, а второе (поз,1) - с образованием поступательной кинематической пары. До изгиба по дуге (на 180) стержень был обработан нэ "память" прямолинейной формы, После нагрева от окружающей среды или специального нагревательного устройства он "вспоминает" свою старую форму, т е. распрямляется, и поворачивает адно звено относительно другого в необходимое конечное положение, Звенья одновременно являются полезной нагрузкой для этого устоойства аналогично грузу, расположен 40 ному в специальном захвате руки манипулятораСледует отметить, что в этом устройствешарнир (поз.3 на фиг,) выполнен из соображений удобства эксплуатации для удержания звеньев друг возле друга, чтобы звено (поз,1 на фиг,) не выскочило из поступательной пары со стержнем, Шарнир не препятствует относительному вращению звеньев, т,е. не нарушает работоспособность устройства, Звенья могут быть поворотно связаны между собой и без этого шарнира, когда будут просто висеть (закреплены) на концах стержня.В конструкции-прототипе наименее жестким элементом является стержень, так как его поперечное сечение (а конкретнее - толщина) в отличие от поперечного сечения звеньев ограничено свойствами материала и радиусом гиба, Толщина сечения стержня определяет как его жесткость и прочность,1757878так и усилие, которое он развивает при выступами, заведенными в ответный паз"вспоинании" (восстановлении) формы, смехной балки,При заданном радиусе гиба толщина стерж-, По сравнению с прототипом заявляеня рассчитывается таким образам, чтобы мое устройство имеет такую совокупностьдеформация материала на его поверхности 5 отличительныхпризнаков,какдополнительне превьзала деформации полного восста- ное шарнирное соединение скрепленчого с,крепленного сновления (рзвнои; например, для никелида пеавой балкой конца стержня со смежной6;4; см., ихонов А,С. и др. Примене- балкой и размещение стержня вдоль балок.ние эффекта памяти формы в современноммашиностроении/ А,С.Тихонов, А,П,Гера Такке противоположный от шарнирасимов, И,И,Прохорова, - ММашинострое- конец стержня выполне "Т"- бние с.30), Кроме тога для рук . мы с выступами, Мведенйыми вответныйманипуляторов, у которых звенья выполне- паэ смежной балки.ны в виде балок (длина значительно превы- Следовательно оно огвечает требоьа 1шает размеры поперечного сечения), и 15 нию "новизна",размеры их поперечного сечения могут Сущностью заявляемой конструкциибыть сравнимы с размерами сечения стерж- является силовое-замыканйеконцов стержня (это конструкции типа легких разворачи- ня на каку:о-либо балку(как на жесткое зве"ваемых штанг или складных штыревых . но) дополнительной шарнирной связью иантенн космических аппаратов), изогнутый 20 расположение стержня вдоль балок, что. а)по дуге стержень будет определять размеры обеспечит возможность относительногоконструкции по толщине,(поперек звеньев) проворачивания балок при наличии дополв сложенном положении, так как пакет из нительной шарнирной связи(это подробнодвух уложенных друг на друга балок, при- разьяснено ниже на с.8, абзац 2, Фиг,6); б)близительно равный в этом случае двум тол минимальнь бле га ариты конструкции в слощинам стержня б ет м нр, уд е ьшее ее женном положении; в) изогнутый по дуге(размеров конструкции по толщине) при- стержень в конечном положении конст укмерно на величину двух радиусов гиба стер- ции, образующий с соответствуащей бэлжня по его внутреннем контт, .у-ру /р, т,е. по кой обладающий высокой жесткостьютолщине пакет будет спрятан внутри стерж кольцевой замкнутый контур,ня. Таким образом, две важнейшие характе- В результате исследования известных вристики конструкции - жесткость и размеры науке и технике реШений были обнаруженыру вносхожие с заявля.в сложенном положении, явлватся взаимо- устройства, конструктисвязанными, Жесткость стержня нельзя по- емым и гпив. приводимые в действие за счет извысить простым увеличением размеров его 35 гибной деформации стержня из материаласечения, так как зто вызовет увеличение с ЗПО при его аботе "на иразмеров конст к ии вжении в елом кьр ., рукции в сложенном поло- саморазворачивающийся.каркас солнечноиц, невозможность ее примене- батареи, устроенный так же, как и прототип;космического аппания в ограниченном обьеме на борту плоские секции каркасаго аппарата, Следовательно, 40 шаонир) связаны между собой через концынизкая жесткость и большие размеры про- стержня из мате иала с ЭПФ, Б сложенномтотипа являются его нематериала с, Б сложенномель инедостатками. положении секции каркаса уложеЦ,о зобретения является устране- вдоль дрязга "гармаш. ко ",г,ны другр, шкои, а стержни изогнуние указанных недостатков, т,е. повышение . ты на 180, П и наг вжесткости конструкции и уменьшение ее 45 ляются и разворачивают каркас (Тихоновразмеров в сложенном положении,Ука нказанная цель достигается тем, что в мы в современном маш /руке манипулятора, содержащей располо- А.С.Тихонов, А,П.Герасимов И.И,Пженные г в ольдру вдоль друга, как минимум,две ва, М.: Машиностроение, 1981, с.55 - 56,а имов, рохоробалки, поворотно связанные между собой 50 Рис,46), Эта конструкция аналогична про-очерез концы стержня из материала с зффек- типу и имеет такие же недостатки, что и , атом памяти формы, снабженного нагрева-тотип,тельным устройством, причем одна из балок В конструкциях мозаичсоединена с концом стержня неподвижно, голови по а,с, СССР М 598773 МКИ 2 В 41смежная балка дополнительносоединена с 55 33/10 1976 и инструмента ударного дейсттем же концом стержня через шарнир, а вия по а.с. СССР М 612784 МКИ 2 В 25 Остержень размещен вдоль балок, 11/04, 1976 концы стержня (участка иглыротивоположный от шарнира конец или ленты в этих устройствах) не замкнутыстержня выполнен "Т"-образныой формы с на жесткое звено, а отсутствие уложенныхдруг на друга балок (звеньев) не позволяет35 40 50 идентифицировать такой признак как расположение стержня вдоль них.В конструкции теплового дви п.еля по а.с, СССР М 1164462, МКИЗ Г 03 6 7/06, 1984 повышение жесткости стержня обеспечивается введением расположенного вдоль него дополнительного стержня из материала с ЭПФ, т.е. экстенсивным путем, приводящим только к увеличению размеров конструкции, веса. В конструкции привода по а,с, СССР 1 Ф 1343098, М КИ 4 РОЗ О 7/06, 1985 концы стержня, как и в предлагаемом устройстве, замкнуты на жесткое основание. Но зта. конструкция обеспечивает поступательное движение звена, располокенного поперек стержня в любом его положении, Поэтому в ней отсутствует признак: стержень расположен вдоль балок, необходимый в заявляемом устройстве с вращательным движением балок (звеньев),Таким образом, расположение стержня вдоль балок не обнаружено ни в одной из конструкций,Но именно оно обеспечивает возможность относительного поворэчивэния балок при наличии повышающей жесткость дополнительной силовой связи, Также указанное расположение стержня уменьшает размеры заявляемого устройства в сложенном положении, что в конструкциях с относительным вращательным движением звеньев обнаружено не было, Поэтому признак "расположение стержня вдоль балок" . соответствует критерию "существенные отличия".Признак "противоположный от шарнира конец стержня выполнен "Т"-образной формы с выступами, заведенными в ответный паз смежной балки, обеспечивает жесткость конструкции при большом потребном относительном повороте балок, Скользящий по пазу конец стержня облегча- ет его деформацию, позволяет достичь больших относительных углов поворота балок. В то же время такой стержень может обеспечить поворот балок за счет своей только изгибной деформации без дополнительной деформации растяжения, которую должен иметь стержень с жесткой фиксацией рассматриваемого конца. Т,е. стержень будет иметь запас по деформации, который может быть использован на увеличение его толщины, т.е. повышение кесткости, которое компенсирует снижение жесткости за счет замены закрепленного конца стержня нэ подвижный. В конечномитое, жесткость конструкции будет поддержана, но при большем относительном углеповорота балок. Изобретение поясняется чертежами, где:на фиг.1 показан общий вид руки манипулятора в сложенном положении;на фиг,2 показан разрез А - А фиг.1; на фиг,З показан вид Б фиг.1 (вид сверху);на фиг,4 показан общий вид руки манипулятора в конечном положении;на фиг.5 показан общий вид руки манипулятора с числом балок больше двух в сложенном положении;на фиг,6 показана трансформация устройства-прототипа в предлагаемую конструкцию,на фиг,7 показана схема расчета размеров (толщины пакета из двух балок) устройства-прототипа в сложенном положении;на фиг,8 показана схема расчета размеров (толщины пакета из двух балок) предлагаемой руки манипулятора в сложенном положении.Рука манипулятора содержит расположенные другвдоль друга в сложенном положении смежные балки 1 и 2, связанные между собой через концы 3 и 4 стержня 5 из материала с ЭПФ (Фиг.1, 2), Стержень 5 предварительно обработан на "память" в изогнутой.по дуге форме, выпрямлен, размещен вдоль балок и присоединен концом 3 к балке 1 винтами 6, э к балке 2 - шарниром 7. Его противоположный конец 4 с запрессованным в него штифтом 8 вставлен в "Т"- образный паз 9 балки 2, На стержень 5 в его средней части намотан электроиэолированный провод 10, нэ концах которого выполнены клеммы 11 для подключения к источнику электропитания (не показан), На балке 1 установлен захват 12 для груза, а балка 2 закреплена на основании 13.Шарнирное соединение 7 конца 3 стержня 5 и балки 2 выполнено в следующем виде (Фиг.З), Проушины 14 балки 2 и образованная концом 3 стержня 5 петля 15 посажена на общую ось 16, оканчивающуюся с одной стороны буртиком 17, а на противоположную сторону которой надета шайба 18, зафиксированная штифтом 19,В качестве материала для стержня 5 может быть использован никелид титана с 44 оо титана, 44 ф никеля, 12 О меди с температурой формоизменения 49 С (Б,А.Базаров, В,И.Гончар, И.В,Скрыльников, О.В,Гладкий, Использование материалов с эффектом памяти формы для систем концентрации солнечной энергии, В кн.: Концентраторы солнечного излучения для фотоэлектрических знергоустановок, Сборник статей по обмену опытом. Под ред. В;А,Грилихеса, - ЛЭнергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986, с,23-25).Технология егообра- В 64 6 1 Р 10, НКИ 244/173, 1977; Тихонов ботки на "память" описана в кн.; Тихойов А,С. идр. Применениеэффекта памяти фор- А.С, и др, Применэ ие эффекта памяти фор- мы в современном машиностроении. Р мы в современном машиностроении, А.С,Тихонов, А,П.Герасимов, И.И.ЛрохороРА,С.Тихонов,А.П,Герасимов,И,И,Прохоро ва. - М.: Машиностроение, 1981, с.55 - ф-б, ва, - М,: Машиностроа,ие, 1981, с.43 - 45, Рис, 46), которые требуется однократно рэз- В этом случае в качестве провода 10 может вернуть из сложенного положения после выбыть рекомендован медный провод ПЭТВ- хода на орбиту. Однако, если для стержня 2, лаковая электроизоляция которого вы- применить материалс обратнь 1 м ЗПФ (гм, дегживает температуру до 200 С, Площадь 10 там же, с,4, последний абзац) (частный слупоперечного сечения провода, его длина и чай материалов с необратимым ЭПФ), кото- напряжение на клеммах 11 выбирается из рый в холодном состоянии имеет одну условия нагрева стержня 5 до температуры форму, а в нагретом - другую., то рука маниформоизменения за заданное время, пулятора допускает мнотбкратнбое деиствие:Шарнир 7 выполняет как функцию сое при нагреве она движется от сложенного динения балок 1 и 2 (:ерез стержень 5) с положения к конечному, при отключении возможностью их взаимного вращения (по- электропитания и естественном охлаждедобно прототипу, см,с,2, абзац 3), так и фун- нии - в обратном направлении, Затем цикл кцию дополнительно- (по сравнению с повторяется,прототипом, соединения смекиой балки 2 с 20 На фиг,5 показан общий вид руки манипулятора с числом балок более двух. ЭтаПри подаче электрического напряжения конструкция получается "из предлагаемого на клеммы 11 провод 10 начинает греться, (Фиг,1) введением дополнительных распонагревая стержень 5, При достижении тем- локенных "гармошкой" балок 20 со стержпературы формоизменения он вспомнит 25 нями 21 (подобно конструкции солнечной форму, которую имел при обработке на "па- батареи из кн Тихонов А.С. и др. Применемять (изогнутую по дуге и изогнется, пово- ние эффекта памяти формы в современном рачивгя балку 1 относительно балки 2 машиностроении, I А,С,Тихонов,.А,П.Гера(Фиг.4) вокруг шарнира 7 и перемещая за- симов, И,И.Прохорова, - ММашиностроехват 12 с грузом в требуемое положение. Ко ние, 1901, с,56, Рис,46), Видно, что нец 4 стержня 5 при этом будет перемещаться заявляемый положительный эффект достипо пазу 9 балки 2, не препятствуя, таким об- гается взаимодействием между собой люразом, его изгибу, а сам стержень 5 изогнется бой одной смежной пары балок и одного подуге и образует с балкой 2 жесткий кольце- стержня из материала с ЭПФ, что отражено вой замкнутыи контур. Рука манипулятора 35 в формуле, Введение дополнительных пар займет конечное положение. балок со стержнями увеличивает положиСледует отметить, что конец 4 стержня тельный эффект(уменьшает размеры) толь может быть соединен с балкой 2 и непод- ко простым суммированием,вижно, как в конструкции привода по а,с, На фиг.б показано, каким образом бМ 1 43098, МКИ 4 Р 03 О 7 Р 06, 1985 40 ходимо изменить устройство-прототип, что- нео(на фиг.7 описания изображено бесшарнир- бы получить предлагаемую конструкцию. ное соединение стержней с ЭПФ 2 и 4 с Исходная конструкция показана пунктир- корпусом 1 и ходовым штоком 5). Это пре-, ной линией, полученная - сплошной, Для дусмотрено п.1 заявляемой формулы. Хотя повышения жесткости конструкции, согласэто и обеспечивает высокую жестКость кон но формуле, необходимо одну из балок струкции, но при этом изгиб стержня при (поз,2)дополнительносоединитьшарниром формоизменении должен сочетаться с его 7 с противоположным от уже связанным с удлинением, А это тянет за собой значитель- этой балкой концом 3 стержня 5, т,е. сделать нае возрастание длины стержня (чтобы на- так, чтобы стержень контактировал своими брать требуемую деформацию), 50 концами с одной из балок (поз,2). Но введенеобходимой для поворота балки 1 на за- ние в прототип только дополнитеьного ц, рданный угол, что может привести к увеличе- нира 7 дел аетнию размеров устройства в длину. неработоспособной, Как видно из фиг.б,Описанная конструкция представляет шарнир 7 препятствует разворачиванию собойрукуманипулятораоднократногодей концов изогнутого по дуге стержня (по ствия, которая должна совершить переме- стрелке В), Следовательно, одного этого щение груза один раз от сложенйого признака недостаточно. Чтобы концы стер- положения к конечному. Она может быть жня и связанных с ними балок мали развоприменена в солнечных батареях космиче- рачиваться при описанной выше связи ских аппаратов (пат,США М 4133502, МКИ стержня с балками(см. акжг фи.1, 1), стержень должен быть размещен вдоль балок, Таким образом, размещение стержня вдоль балок неразрывно связано с вверг нием дополнительного шарнира и является достаточным условием повышения жесткости 5 конструкции. Кроме того, размещение стержня вдоль балок в сложенном положении позволяет получить еще один положительный эффект - уменьшение размеров поперек балок. 10Оценим, насколько уменьшатся рззмеры предлагаемой конструкции в направлении от одной балки к другой (толщина пакета) по сравнению с прототипом в сложенном положении. Примем для простоты, 15 что толщины стержня 5 и балок 1 и 2 равны между собой и составляют Я (фиг,7, 8). Стеркень и балки в прототипе соединены торцами без взаимных смещений по высоте, а в предлагаемой конструкции уложены друг на 20 друга без зазоров, Тогда размер прототипа в направлении от балки 1 к балке 2 (по толщине) определится как= 2 х(й + Я/2) = 2 х Я + Я (1) 25где- указанный размер;Б - радиус гиба стержня, измеряемыйпо его среднему (нейтральному) слою:Я - толщина стержня и балок. 30Аналогичный размер предлагаемой конструкции выразится как1=ЗхЗ (2)где - размер предлагаемой конструкции внаправлении от балки 1 к балке 2 (поперек 35балок).Радиус гиба стержня В можно определить какв-2 я 40где е - линейная деформация материаластержня на его поверхности,(Беляев Н,М, Сопротивление материалов. -М,; Государственное издательство техникотеоретической литературы, 1954, с,262 - 45263).Как сказано выше, максимальная величина деформации никелида титана, которуюон способен полностью устранить за счетформоизменения при нагреве, составляет 506 (Тихонов А,С. и др, Применение эффектапамяти форм в современном машиностроении, /А.С.Тихонов, А,П,Герасимов,И,И.Прохорова, - М,: Машиностроение.,1981, с.ЗО). Ей соответствует минимальный 55радиус гиба стержня й и минимальные размеры устройства-прототипа, Подставляетг,= 0,06 в Формулу(З)(4) подставляем (4) в (1)= 2 х Я + Я = 2 х 8,3 х Я + Я = 17,6 х Я (5)Сравниваем формулы (2) и (5) ЗЯ 1Е 1765 6 (6) т.е, искомый размер у предлагаемой конструкции в 6 раз меньше, чем у прототипа.Из приведенного описания конструкции и работы устройства видно, что дополнительное шарнирное соединение смежной балки с концом стержня из материала с ЭПФ, скрепленным с первой балкой, обеспечивает постоянное силовое замыкание концов гибкого стержня на жесткое звено. Размещение стержня вдоль балок дополнительно повышает жесткость его и конструкции за счет изгибания по дуге при работе и образования при этом жесткого кольцевого замкнутого контура и также уменьшает размеры в сложенном положении, т.е, цель изобретения достигается,Выполнение противоположного от шарнира конца стержня "Т"-образной формы с выступами, заведенными в ответный паз смежной балки, обеспечивает высокую жесткость конструкции при большем потребном относительном повороте балок.Таким образом, предлагаемое техническое решение, в конечном итоге, еще более повысит надежность рук манипуляторов, расширит возможности их применения в ограниченном пространстве,сормула изобретения 1. Рука манипуляторсь, содержащая расположенные одна вдоль другой по меньшей мере две балки, связанные между собой посредством стержня, выполненного из материала с эффектом памяти формы и снабженного нагревательным устройством, причем одна из балок соединена с одним концом стержня неподвижно, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения жесткости и уменьшения размеров руки в сложенном положении, другая балка соединена с тем же концом стержня, шарнирно, а сам стержень размещен вдоль балок.2, Рука манипулятора по п,1, о т л и ч аю щ а я с я тем, что противоположный от шаонира конец стержня выполнен Т-образной формы с выступами, заведенными в ответный паз, дополнительнО выполненный в смежной балке., Трофименко Техред М,Моргента орректор Т. Вашкович Реда оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101 2962 Тираж ПодписноеНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб 4/5