Рука манипулятора с программным управлением Советский патент 1993 года по МПК B25J9/02 B25J11/00 

Изобретение относится к робототехни- ке, а конкретно к конструкциям рук манипу- ляторов, предназначенных для несложного перемещения грузов в пространстве.

Целью изобретения является устранение этого недостатка, т.е. повышение надежности путем упрощения конструкции.

На фиг. 1 показан общий вид руки манипулятора с программным управлением с шарнирно связанными звеньями в исходном положении; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1 (вид сверху); на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема соединения приводов/руки манипулятора; на фиг. 4 - график зависимости отношения изменения температур приводов при нагреве от отношения площадей поперечного сечения их проволок (без учета поправок на теплообмен с окружающей средой); на фиг. 5 - общий вид руки манипулятора с шарнирно Связанными звеньями .в промежуточном положении; на фиг. 6 - общий вид руки ма- нипулятора с шарнирно связанными звеньями в конечном положении; на фиг: 7 - общий вид руки манипулятора с программным управлением t телескопически связанными звеньями в исходном положении; на

фиг. 8 - то же в промежуточном положении; на фиг, -9 - то же в конечном положении.

Рука манипулятора с программным уп- равлением содержит звенья 1,2.3, последовательно соединенные цилиндрическими шарнирами 4, в которых установлены ролики 5 (фиг. 1), Через каждый ролик 5 с внешней стороны каждой пары смежных звеньев 1 и 2, 2 и 3 переброшены проволочные приводы 6 и 7 из одного и того же материала с ЭПФ, например никелида титана, причем площадь поперечного сечения Si проволоки привода 6 больше площади поперечного секчёния $2 проволоки привода 7. Приводы обработаны на память таким образом, чтобы при нагреве выше температуры формоизменения их длины уменьшались. Концы 8 и 9, 10 и1Т приводов 6 и 7 закреплены на звеньях 1 и 2,2 и 3 соответствен но через электро- теплоизолирующие прокладки 12, причем концы 9 и 10 соединены электропроводной перемычкой 13, а концы 8 и 11 - электропро

водом 14 и выключателем 15с злектроакку- Мулятором 16. Провод 14 выполнен на части длины в виде мягкой винтовой спирали. Звено 1 закреплено на основании 17, а на звене 3 расположен захват 18 для груза.

и-..

оэ

л ю о

Ss|

Шарнирное соединение звеньев 1 и 2,2 и 3 выполнено в следующем виде (фиг, 2). Проушины 19 и 20 звеньев 2 и 3, например, посажены на общую ось 21, оканчивающуюся с одной стороны роликом 5, а на другую сторону которой надета шайба 22, зафикси- ррванна штифтом 23.

.Работает рука манипулятора следующим образом. При замыкании контактов вы- к;лючателя 15 электрический ток от аккумулятора 16 по проводу 14 начнет поступать к приводам 6 и 7, вызывая их нагрев. :Сйла тока, проходящего через последовательно соединенные с аккумулятором 16 приводы 6 и 7, будет одинакова (фиг. 3), но более толстая проволока привода 6 будет оказывать ему меньшее сопротивление на единицу длины, чем более тонкая проволока привода 7. К тому же более толстая проволока имеет на единицу длины большую массу, чем тонкая, Поэтому привод 6 будет греться медленнее привода. 7.

; Из электротехники известно, что нагрев проводника электротоком можно описать в виде (без учета теплообмена с окружающей средой)

l2 .-.R-t M-C-AT,

(D

где I -сила тока, проходящего через проводник;

R - его электрическое соп ротивление;

t-время нагрева;

М -масса проводника;

С-его удельная теплоемкость; . AT - изменение его температуры за время нагрева.

Для проволочного проводника

Для двух любых проводников

ityPt-ti:,;

(6)

где индекс 1 относится к произвольно выбранному первому проводнику (приводу 6 на фиг. 1 или с номером т),

индекс 2 относится к другому проводнику (приводу 7 на фиг. 1 или с номером п).

Для последовательно соединенных проводников

,

(7)

20

включенных в единую цель

,(8) для проводников из одинакового мате25

риала

p рг,

Рпл /Эпл2

,. ,;. Ci-C2.

(9) (Ю) (ID

Подставляя (7), (8), (9). (10), (11) в (6), получаем.

(12)

Использование: в конструкциях манипуляторов. Сущность изобретения: приводы звеньев манипулятора выполнены проволочными из одного и того же материала с памятью .формы. Проволочные приводы соединены, в последовательную Электрическую цепь, подключенную к .источнику питания.. Площадь сечения проволоки каждого привода соответствует порядку его Срабатывания. 9 ил.

(2)

где р- коэффициент удельного электрического сопротивления проводника;

L- длина проводника; . S- площадь его поперечного сеченая;

М рпл-L-S,

(3)

где РПЛ плотность материала проводника. Подставляя формулы (2) и (3) в (1), имеем

127Э-- А1л-Ь5-С ДТ.

s l.

откуда

.:

/Опл 52 С

Из формулы (12) следует, что увеличение температуры ДТ за некоторое время будет больше у того проводника, который имеет

45 меньшую плбщадь поперечного сечения. Отношение увеличения температур последовательно соединенных проводников за некоторое время при нагреве зависит только от их площадей поперечного сечения и.не

50 зависит от их длин. Это позволяет подбирать длины приводов независимо от требуемого порядка движения звеньев, а только из условий обеспечения необходимого рабочего хода приводов, что упрощает проек55 тирование устройства. (Известно, что привод из материала с ЭПФ, может при срабатывании изменять свои размеры только в определенных пределах, которые определяются характеристиками материала. Например, проволока из никелида титана может при формоизменении изменять свою длину не более, чем на 6 ... 8%. Поэтому длину проволоки подбирают из условия, чтобы величина рабочего хрда привода находилась в пределах изменения ее длины при формоизменении.)

. На принципиальной электрической схеме соединения приводов (фиг. 3) привод б обозначен ЕК1 (как нагревательное устрой- ство с активным сопротивлением), привод 7 обозначен ЕК2, выключатель 15 - S1, аккумулятор 1&- GB1.

На фиг. 4 показан график зависимости отн 6ш ен и я и зм е нения те м п е р ату р

приводов при нагреве от отношения площадей поперечного сечения их проволок |Д . построенный по формуле (12). Из

него видно, что, если, например, площадь

поперечного сечения проволоки привода 6 будет в 1,5 раза больше площади

поперечного сечения проволоки приSiвода 7 (.в- 1.5), отношение изменения

:...- . S2. - . .температур при нагреве будет равно

- Д ТГ -... - . ..

у|Д «0,44. т.е;, если привод 7 нагревается

2

с температурв +20° С до температуры срабатывания+100° С (на 100-20 800 С), то привод б за это же время нагреется только

за - ..-./. : ;...:. ../. :,,. -. .

ATi ДТ2 0,,.2° С, т.е. до 20+35,,2° С.

Поэтому привод 7 раньше привода 6 достигнет одинаковой для обоих приводов

температуры формоизменения и сначала повернет звено 3 относительно звена 2 (по стрелке Б фиг. 5), преодолевая естественное сопротивление трения в шарнире 4, а затем привод 6 повернет звено 2 (вместе с звеном 3) относительно звена 1 (по стрелке В на фиг. 6). Другими словами, когда привод 7. срабатывая, повернетзвено З относительно звена. 2, приводу б еще предстоит греться с +55,2° С до +100° С ЁслиГего нагрев от +20° С до +55,2° С произошел в течение 1 мин , то на нагрев с +55,2° С до +100° С будет затрачено

100-55.2 44.8. 55.2-20 1 35,2 Т Т.е. звенья 3 и 2 (совместно) повернутся приводом б вокруг звена 1 через 1,25 мин после поворота звена 3 вокруг звена 2 приводом 7. Таким образом произойдет программное движение звеньев руки манипулятора.

5

10

15

2Q

25

30

35

40

.

0

5

Если звенья сложены гармошкой (фиг. 1) и внешнее звено (фиг. 5) должно повернуться раньше внутреннего (фиг. 6), то заявляемая конструкция содержит в себе дополнительно следующее преимущество: момент сопротивления вращению звена 3 будет меньше момента сопротивления вращению звеньев 3 и 2 в совокупности вследствие его меньшей инерционности, например, т.е. при одинаковом диаметре роликов 5 (что выгодно технологически) проволока привода 7 звена 3 может быть тоньше проволоки привода 6 звена 2 (меньшей по тяговому усилию). В то же время более тонкая проволока привода 7 обеспечит звену 3 более раннее разворачивание, чем более толстая проволока привода 6 звену 2. Таким образом, требуемые тяговые характеристики руки манипулятора будут автоматически обеспечены заявляемым соотношением параметров (площадей поперечного сечения проволок) приводов, т.е. ее кинематическими характеристиками, что упростит проектирование устройства.

Звенья руки манипулятора могут быть связаны друг с другом не только шарнирно, но и любым другим образом, например телескопически. Пример такой конструкции показан на фиг, 7, 8, 9. В отличие от предыдущей, на этой руке манипулятора звенья соединены между собой возвратными пружинами, позволяющими использовать ее многократно без вмешательства человека или внешних устройств (для возврата в исходное положение).

Рука манипулятора содержит телескопически соединенные звенья 1, 2, 3 (фиг. 7). Смежные звенья 1 и 2, 2 и 3 связаны между собой проволочными приводами б и 7 соответственно в виде винтовой цилиндрической спирали из одного и того же материала с ЭПФ, причем площадь поперечного сечения Si проволоки привода 6 больше площади поперечного сечения S2 проволоки привода 7. Привод обработаны на память таким образом, чтобы при нагреве выше температуры формоизменения длины спиралей увеличивались. Концы 8 и 9, 10 и 11 приводов 6 и 7 закреплены на звеньях 1 и 2, 2 и 3 соответственно через электротеплои- золирующие прокладки 12, причем концы 9 и 10 соединены электропроводной перемычкой 13, а концы 8 и 11 - электропроводом 14 и выключателем 15 с электроаккумулятором 16. Провод 14 выполнен на части своей длины в виде мягкой винтовой спирали. Звено 3 закреплено на: основании 17, а на звене 1 расположен захват 18 для груза.

Звено 2 выполнено двухрожковой Г-об- разной формы. В полость 24 его первого рожка вставлено звено 1, соединенное с ним посредством пружины растяжения 25. Второй рожок звена 2 вставлен в полость 26 звена/З и соединен с ним через пружину растяжения 27.

.При замыкании контактов выключателя 15 электричеЧЖ по проводу 14 н;йчнет поступать к приводам 6 и 7 вызывая их нагрев. Привод 1вследствие плрщади; поперечного сечения проводоки нагреете до температуры фор- М1Эмзме ЦЙ1 я и быстрее привода б;:Шэтомусначала звено 2 выдвинется из звена 3 (rip етрелке на фиг, 8), а затем : звено выдвмнетея из:3%ена-2 (по стрелке Д на фиг; 9), Захват 18 опишет Г-Образную

; раёктор по. : --,:.- . - - : ,. ; : }Прй Отк/лючении питания от привЬдЬв 6 И:-.-7 посредством рь|к 11рчат я .t5 и естест- енно рхяажйбния их до чачальной темпе- ратуры звенья 1 ;и2:втяйутея взвенья 2 иЗ ирд действием пружин 25 и 27. Рука.мани- пулятрра возвратится в исходное положение (фиг, 7), (При втятив/ании звеньев t и 2 в зв,енй 2 и 3 25 и 57 будут преодр- / евать српротивленйё движению холодных ггршедбв б и 7. Нр, так как это српротивле- ни0 меньше усилия;, которое развивают лрйврды при срабатываний при нагреве, то становится возможным циклическое движение звеньев руки: приводы при нагреве выдвигают звенья, преодолевая меньшее по усилию Сопротивление пружин; при охлаждении приводов их усилие становится меньшим усилия пружин и те перемещают их в исходное положение.)

Из приведенного описания конструкции и работы устррйства видно, что цель

изобретения - повышение надежности руки манипулятора путем упрощения конструк ции достигается. Выполнение проволочных приводов звеньев с разной площадью гюги;

речного сечения и включение их последов л тельно в электрическую цепь позволяет нагревать приводы до температуры срабатывания с разной скоростью, и, соответственно разворачивать звенья в необходимой

последовательности, отказавшись, таким образом, от специального блока управления и упростив этим конструкцию. Длина проволоки приводов не влияет на эту последовательность разворачивания (перемещения)

звеньев, что позволяет выполнять приводы требуемой величины рабочего хода без нарушения кинематических характеристик устройства.

Таким образом, предлагаемое техническре решение, в конечном итоге, позволит повысить надежность руки манипулятора, снизить ее стоимость.

25

Фор м у л. а изобретения

Рука манипулятора с программным управлением, содержащая по крайней мере три подвижных звена и приводы звеньев, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью

упрощения, приводы выполнены проволочными из одного и того же материала с памятью формы с одинаковой температурой формоизменения и закреплены на соответствующих смежных звеньях, при этом проволочные приводы соединены между собой в последовательную электрическую цепь, подключенную к источнику питания, причем площадь поперечного сечения проволоки каждого привода соответствует его порядку

срабатывания.

1

1815207

Вид А

Фиг. 2

w г/ г j

1

2 S

г j

1 7ШШЩ Х7

2 S Ј Zi Јt t..TZ M

9 гяф

Фиг. 3