Податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением Российский патент 2023 года по МПК F16H48/08 G05D1/00 

Изобретение относится к дифференциальным механизмам, в частности к механизмам двухстепенных дифференциальных шарниров роботов, и может быть использовано для улучшения динамических показателей шарнира, реализации силомоментного очувствления и устранения механических люфтов, особенно в механизмах радиационно-стойких манипуляторов.

Целью изобретения является расширение возможностей существующих радиационно-стойких манипуляторов с кинематикой, аналогичной манипулятору «МЭМ».

Известен "Дистанционный копирующий манипулятор" (SU 590136 A1, МПК B25J 3/04, опубл. 30.01.1978), задающий базовые принципы кинематики радиационно-стойкого манипулятора, приводные агрегаты которого вынесены за пределы биологической защиты, в то время как сам манипулятор находится в радиационно-опасной среде. Каждый шарнир такого манипулятора представляет собой механический дифференциал с двумя степенями свободы - углом тангажа и углом крена. Передача момента от приводов производится по двум телескопическим валам, приводящим в движение конические шестерни первой и второй ступени. Каждой шестерне соответствует дифференциальное коническое колесо, причем колеса четных ступеней расположены с одной стороны от плоскости поворота по тангажу, а колеса нечетных ступеней - с противоположной стороны. Кинематическая схема звена замыкается двойной шестерней, входящей в зацепление сразу с двумя дифференциальными колесами, в результате чего шарнир приобретает две степени свободы - поворот оси двойной шестерни (тангаж), и поворот вокруг оси двойной шестерни (крен). Угол поворота по тангажу определяется полусуммой углов поворота дифференциальных колес, а угол поворота по крену - полусуммой углов поворота приводных шестерен, в целом же узел реализует взаимно однозначное линейное преобразование углов поворота входных шестерен в углы поворота шарнира. При необходимости, одна из двух степеней свободы может быть устранена закреплением соответствующего дифференциального колеса на корпус шарнира. Применение шарниров такой конструкции совместно с телескопическими валами позволяет построить манипулятор с любым числом вращательных степеней свободы. Ключевым преимуществом этой схемы является огромная радиационная стойкость манипулятора, ограниченная только стойкостью металлических деталей и смазки (при ее наличии). Благодаря этому преимуществу, описанная схема построения манипулятора не имеет альтернатив в областях применения с интегральной поглощенной дозой более 1 МРад, таких как обращение с высокоактивными радиационными отходами, работы по ликвидации аварий с радиоактивным загрязнением, и работы с синтетическими высокоактивными изотопами.

Описанный выше манипулятор обладает рядом недостатков:

- технологические неточности, возникающие при изготовлении зубчатых колес, требуют от конструктора предусмотреть зазор в зацеплении, чтобы обеспечить собираемость узла шарнира, что, в свою очередь, приводит к люфтам;

- из-за влияния на положение шарнира положений всех шарниров, предшествующих данному по кинематической цепи, проблема механического люфта усиливается, что приводит к существенным ошибкам позиционирования конечного звена, в несколько раз превосходящим аналогичные ошибки у манипуляторов других кинематических схем,

- наличие механических люфтов значительно затрудняет реализацию обратной связи по положению, и делает невозможным определение положения манипулятора по датчикам положения выходных валов приводов,

- нелинейная жесткость манипулятора, вызванная в том числе люфтами, не позволяет корректно определить усилия в шарнирах, в результате чего значительно осложняется работа с хрупкими и податливыми объектами, такими как подготовленные к спеканию топливные таблетки, пробирки, щупы, тонкие трубки,

- поскольку единственным способом надежно определить положение конечного звена манипулятора является визуальное наблюдение, в конструкцию защитного бокса для работы манипулятора должно входить дорогостоящее оптическое окно, что создает технологические и экономические трудности при оборудовании участка работы манипулятора, и, кроме того, снижает его радиационную безопасность для окружающей среды, поскольку создается канал возможной утечки радиоактивной пыли через уплотнение оптического окна.

Несмотря на известные преимущества, механические дифференциалы редко используются в робототехнике, в основном из-за усложнения кинематической схемы манипулятора. Наиболее частое применение такие механизмы находят в устройстве шарниров кисти или пальца, например, в известных решениях US 20200039064 A1 (Недорогая податливая рука робота и система для манипуляций, патент на изобретение, МПК B25J 18/00, опубл. 06.02.2020) и US 10330182 B2 (Привод робота, использующий дифференциальную шкивную передачу, патент на изобретение, МПК F16H 19/08, опубл. 09.03.2017). В указанных решениях используется базовая конструкция дифференциала, без изменений в его кинематической схеме, а преимуществом от применения дифференциала является компактность конструкции кисти робота. При этом многоступенчатое построение, по типу рассмотренного выше радиационно-стойкого манипулятора, не реализуется, что, разумеется, устраняет все недостатки, связанные с возникновением механических люфтов, но не обеспечивает преимуществ по радиационной стойкости робота.

Известны решения по устранению механических люфтов в дифференциальных приводах колесного транспорта. В изобретениях «Дифференциальный зубчатый механизм с датчиком обнаружения блокировки» (JP 4692804 B2, МПК F16H 48/22, опубл. 29.07.2004), «Качающийся дифференциал с пружиной сопротивления» (JP 2015526676 A, МПК F16H 48/22, опубл. 10.09.2015) упругие элементы использованы для устранения нежелательных шумов в дифференциале, и, попутно, решают задачу устранения механического люфта. Недостатком этих изобретений является тот факт, что, несмотря на наличие упругих элементов, измерение крутящего момента в дифференциале не реализовано. Кроме того, поскольку автомобильный дифференциал, используемый в данных изобретениях, обладает только одной актуированной степенью свободы (привод мотора), его использование в качестве полностью контролируемого двухстепенного шарнира робота невозможно.

Известно «Многосекционное компенсирующее скорость/крутящий момент электромеханическое устройство преобразования энергии» (US 20200088283 A1, МПК F16H 48/36, опубл. 19.03.2020), в котором устранение механических люфтов, равно как и задача контроля момента решены благодаря реализации прямого привода непосредственно в дифференциальном механизме, то есть за счет замены механических сил зацепления на электромагнитные. Несмотря на очевидные преимущества, такое устройство не может обладать высокой радиационной стойкостью, поскольку электроприводы шарнира интегрированы в его конструкцию. Также недостатком данного устройства является его низкая ремонтопригодность, поскольку в конструкции использованы специальным образом сконструированные электроприводы и сенсоры, и их замена невозможна без полной разборки устройства. В то же время, электроприводы и датчики являются в данной конструкции элементами с наименьшим ресурсом.

Наиболее близким по своей технической сути к заявляемому изобретению устройством, принимаемым в качестве ближайшего аналога, является изобретение «Повышение устойчивости управления тягой и рысканием в электронно управляемых дифференциалах с ограниченным скольжением» (US 7801657 B2, МПК B60K 17/16, опубл. 21.09.2010).

Существенными признаками данного изобретения являются:

- наличие упругих элементов на осях дифференциальных шестерен,

- наличие датчиков положения каждого из колес, а также датчика положения приводного вала,

- наличие датчика положения каждой из дифференциальных шестерен, измеряющего угол ее поворота, отличный от угла поворота колеса,

- определение момента, созданного на каждом из колес, как частного от деления разности показаний датчиков поворота колеса и поворота шестерни, на соответствующую жесткость упругого элемента.

Наличие вышеописанных существенных признаков в совокупности с другими признаками, приведенными в описании ближайшего аналога, которые не являются существенными с точки зрения заявляемого изобретения, позволяет устранить люфты, и, в то же время, обеспечить измерение крутящего момента и управление им.

В то же время прототип обладает рядом недостатков:

- одна из степеней подвижности механизма зафиксирована, что не позволяет использовать его в качестве шарнира робота,

- в конструкции использовано пять датчиков угла поворота, тогда как для определения двух крутящих моментов и полного разрешения кинематики устройства достаточно четырех датчиков,

- два датчика угла поворота, а именно - датчики поворота дифференциальных шестерен, не могут быть установлены никаким другим способом, кроме как соосно шестерне, что означает невозможность их замены в случае ремонта, в то же время датчик является наименее надежным элементом всей конструкции.

Для устранения отмеченных выше недостатков заявителем предлагается податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением, содержащий дифференциальный механизм с двумя дифференциальными шестернями, двумя дифференциальными колесами и одной двойной шестерней, установленными в корпус, и дифференциальные шестерни которого оснащены упругими элементами и датчиками углового положения, установленными между упругими элементами и нагрузкой, но, в отличие от ближайшего аналога, двойная шестерня дифференциала установлена в корпусе подвижно, обеспечивая вторую степень свободы механизма, а дифференциальные шестерни являются не выходными, а входными звеньями механизма, с подключением к ним соответствующих приводов, при этом оба дифференциальных колеса оснащены датчиками углового положения относительно корпуса дифференциала, а упругими элементами обеспечен предварительный натяг, соответствующий повороту диффернциального колеса как минимум на один зуб. Рекомендуется, хотя и не является существенным для настоящего решения, установка датчиков положения дифференциальных шестерен вне оси шестерни, за счет применения разрезных безлюфтовых зубчатых колес.

В результате применения предлагаемого технического решения достигаются следующие преимущества:

- устраняется механический люфт в дифференциальной передаче,

- снижается чувствительность передачи к ударам,

- реализуется управление обеими степенями подвижности дифференциальной передачи,

- сохраняется возможность масштабирования узла для построения на его основе многостепенного манипулятора робота,

- обеспечивается свободный подход инструмента, в том числе установленного на другом манипуляторе, для замены всех датчиков угла, причем эта замена не требует снятия с манипулятора никаких дополнительных деталей, кроме собственно датчика,

- обеспечивается возможность измерения как углов поворота дифференциального шарнира, так и моментов сил, приложенных по каждой из его степеней свободы.

В качестве датчиков положения в данном техническом решении могут выступать любые аналоговые или цифровые датчики, удовлетворяющие требованиям к шарниру в целом. Для радиационно-стойкого исполнения шарнира предпочтительным является применение вращающихся трансформаторов, сочетающих высокую радиационную стойкость и достаточно хорошие точностные показатели.

Данное изобретение предполагает использование любого из известных типов приводов для создания момента на входных валах шарнира.

Суть предлагаемого изобретения в одном из возможных (но не единственном) вариантов реализации поясняется на фиг. 1, где представлена кинематическая схема шарнира, фиг. 2, представляющей собой возможный вариант реализации упругого элемента, и фиг. 3, на которой представлена механическая часть шарнира в разрезе.

Конструкция предлагаемого изобретения основана на кинематике дифференциального шарнира, описанного в SU 590136 A1. В корпус шарнира 1 установлены на подшипниковых опорах два телескопических вала: вал привода первой ступени 2 и второй ступени 3. Вал привода первой ступени 2 заканчивается шестерней 4, в данной реализации привода использовано коническое зацепление. Эта шестерня связана с безлюфтовым колесом 5, обеспечивающим передачу вращения на датчик ВТ1 (6). Через упругий элемент с крутильной жесткостью k1 шестерня 4 связана с шестерней дифференциала 7. Вторая ступень дифференциала не содержит упругого элемента, и шестерня второй ступени дифференциала 8 закреплена непосредственно на валу второй ступени 3. Блоки колес дифференциалов организованы сходным образом. Каждое колесо (9, 10) входит в зацепление с соответствующей шестерней (7, 8), а угол поворота колеса относительно корпуса 1 измеряется соответствующим датчиком (11, 12). Ось 13 воспринимает радиальные усилия в дифференциале, в то время как осевые усилия передаются упорными подшипниками на вилку корпуса выходного звена 14. Дифференциальное колесо второй ступени 10 входит в зацепление с первой половиной двойной шестерни 15, а дифференциальное колесо первой ступени 9 входит в зацепление со второй половиной двойной шестерни 16. Первая половина двойной шестерни 15 жестко (например, с помощью тугой шлицевой посадки) связана с шестерней 17, которая, в свою очередь, жестко закреплена на выходном валу 18. Вторая половина двойной шестерни 16 связана с шестерней 17 через упругий элемент с жесткостью k2. Шестерня 17 входит в зацепление с безлюфтовой шестерней 19, передающей ее вращение на датчик 20, аналогично такому же узлу во входной части шарнира.

Датчик ВТ1 своим корпусом закреплен на безлюфтовой шестерне 5, а валом - на корпусе 1. Датчик ВТ2 своим корпусом закреплен на корпусе 1, а валом - на полом валу колеса 9. Датчик ВТ3 своим корпусом закреплен на корпусе 1, а валом - на полом валу колеса 10. Датчик ВТ4 своим корпусом закреплен на безлюфтовой шестерне 19, а валом - на корпусе 14.

В качестве датчиков угла поворота в реализованном варианте изобретения используются вращающиеся трансформаторы. Выбор датчика определен высокой радиационной стойкостью в сочетании с приемлемыми точностными параметрами. Для удобства автоматической замены датчиков в реализованном варианте изобретения используется быстроразъемное соединение на основе метрических конусов, в котором вращение вала передается силами трения в контакте конической втулки и конического вала, а преднатяг соединения осуществлен винтовой пружиной.

Кинематические соотношения в шарнире несколько отличаются от таковых в обычном двухстепенном дифференциале. Первой степенью свободы узла является поворот корпуса 14 относительно корпуса 1 (поворот по тангажу). Величина угла поворота по этой степени определяется из показаний датчиков ВТ2 и ВТ3 как

Второй степенью свободы узла является поворот выходного вала 18 относительно корпуса 14. Величина угла поворота по этой степени определяется показаниями датчика ВТ4 с учетом возможного передаточного отношения в зубчатом зацеплении шестерен 17 и 19.

Передаточное отношение дифференциала i определяется как отношение числа зубьев любого из колес 9, 10 к числу зубьев любой из шестерен 7, 8, 15, 16.

Поскольку в конструкции предлагаемого изобретения использованы упругие элементы в качестве звеньев кинематической цепи, благодаря установке избыточного датчика для каждой из степеней свободы шарнира становится возможным идентифицировать динамику шарнира. Моменты, приложенные к каждой из осей подвижности механизма (Т_т по тангажу и Т_к по крену), вычисляются по формулам

Для устранения люфта в дифференциальной передаче создается перенатяг в каждом из упругих элементов k1 и k2. В качестве варианта исполнения упругого элемента реализована многозаходная плоская спиральная пружина, уложенная между внешним диаметром приводного вала второй ступени 3 и внутренним диаметром зубчатого венца шестерни 7. Конструкция узла предоставляет возможность использовать одинаковые элементы как со стороны входных валов, так и со стороны выходного вала. В случае, если k1=k2=k формулы для определения момента упрощаются:

Изобретение относится к дифференциальным механизмам. Податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением содержит дифференциальный механизм с двумя дифференциальными шестернями, двумя дифференциальными колесами и одной двойной шестерней, установленными в корпус, и дифференциальные шестерни которого оснащены упругими элементами и датчиками углового положения, установленными между упругими элементами и нагрузкой. Двойная шестерня дифференциала установлена в корпусе подвижно, обеспечивая вторую степень свободы механизма, а дифференциальные шестерни являются входными звеньями механизма, с подключением к ним соответствующих приводов, при этом оба дифференциальных колеса оснащены датчиками углового положения относительно корпуса дифференциала, а упругими элементами в дифференциальных шестернях обеспечен предварительный натяг, соответствующий повороту дифференциального колеса как минимум на один зуб. Обеспечивается улучшение динамических показателей шарнира, устранение механических люфтов. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением, содержащий дифференциальный механизм с двумя дифференциальными шестернями, двумя дифференциальными колесами и одной двойной шестерней, установленными в корпус, и дифференциальные шестерни которого оснащены упругими элементами и датчиками углового положения, установленными между упругими элементами и нагрузкой, отличающийся тем, что двойная шестерня дифференциала установлена в корпусе подвижно, обеспечивая вторую степень свободы механизма, а дифференциальные шестерни являются входными звеньями механизма, с подключением к ним соответствующих приводов, при этом оба дифференциальных колеса оснащены датчиками углового положения относительно корпуса дифференциала, а упругими элементами в дифференциальных шестернях обеспечен предварительный натяг, соответствующий повороту дифференциального колеса как минимум на один зуб.

2. Податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением по п. 1, отличающийся тем, что датчики поворота, измеряющие угол поворота дифференциальных шестерен, соединены с приводными валами этих шестерен безлюфтовым зацеплением, фрикционной передачей либо другим способом, обеспечивающим устранение люфтов в передачах с пренебрежимо малым моментом сопротивления.

3. Податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением по пп. 1, 2, отличающийся тем, что присоединение датчиков угла поворота осуществляется путем посадки их вала и корпуса на быстроразъемные соединения, выполненные, например, в виде метрических конусов или шариковых муфт.