CS243084B1 - Manipulátor - Google Patents

Abstract

Manipulátor je ovládaný obsluhou a má v mechanismu přenosu síly od motoru na objekt do táhla (39) umístěn převodník (10) úrovně síly na pneumatický signál. Převodník (10) je uzavřenou dutinou spojen s nejméně jedním výtokovým otvorem (20) upraveným na opěrné ploše manuálního ovláda­ če v prstovém vybrání (22). Opěrná plocha manuálního ovládače je opatřena jamkami (27), navazujícími na výtokové otvory (20). Manipulátor je využitelný zejména ve stavebnictví.

Description

Předmětem vynálezu je manipulátor ovládaný obsluhou tak, že akční orgán manipulátoru kopíruje pohyby manuálního ovládače prováděné obsluhou. Vynálezem je řešen problém jednoduchého a spolehlivého a přitom levného zpětného· přenosu síly, jíž akční orgán působí na předmět s nímž se právě manipuluje.

Obvyklé roboty, programově řízené, jsou vhodné pro vykonávání periodicky se opakujících úkonů při hromadné nebo· alespoň sériové výrobě. Stavebnictví však patří k typickým oborům s vysokým podílem variabilních neopakujících se pracovních úkonů. Tam lze využít technických prostředků moderní robotiky, ovšem namísto řízené programem pak jde o individuální trvalé řízení funkce obsluhou, nejde tedy o robot, ale o manipulátor fungující jako zesilovač svalového úsilí obsluhy. Takové zesílení působící síly vystupuje ve stavebnictví jako velice žádoucí v souvislosti s charakteristickou tendencí stavebnictví uplatňovat namísto dřívějších malých stavebních prvků, například cihel, vhodných pro ruční zdění, prvky mnohem rozměrnější, tvárnice, prefabrikáty, panely. Zprvu se počítalo s tím, že manipulaci usnadní zmenšená hmotnost prefabrikátů. Avšak narůstající požadavky tepelné izolace vedou k nezbytnosti zvětšení hmotnosti. Dnes jsou k manipulaci s hmotnými stavebními prvky na staveništi používány jeřáby. Ty ovšem neumožňují přesné ovládání polohy prvku; k tomuto účelu je nezbytné kromě vlastní obsluhy jeřábu zaměstnávat navíc několik manuálních pracovníků. Při trvalé celosvětové tendenci rostoucích mezd je však účelné počet zaměstnávaných pracovníků co možná snižovat. Manipulátory umožňující přesné vedení ukládaného stavebního prvku jsou v tomto směru schopné radikálně změnit celý pracovní postup. Pokusy s manipulátory však ukázaly, že je obtížné sladit požadavek velkých vyvozených sil při práci s těžkými panely s požadavkem poměrně nízkých tlakových sil na povrch panelu; materiály obvyklých stavebních prvků jsou při neopatrné manipulaci velmi snadno poškoditelné. Totéž platí i například při manipulaci s okenními rámy, dveřmi a podobnými objekty, u nichž také může dojít velmi snadno k poškození přílišnou vyvinutou silou a přitom manipulace s nimi není myslitelná s malými silami. Odpomocí by ovšem bylo zavedení zpětné vazby přenášející informaci o velikosti působící síly v akčním orgánu manipulátoru. I když v zásadě není řešení takové zpětné vazby dosavadními prostředky zcela nemožné, jeví se jako mimořádně obtížný úkol. Navíc takové řešení vede k podstatné komplikaci, a tím zvýšení ceny manipulátoru a snížení jeho spolehlivosti a životnosti. Technicky obtížně zvládnutelný je zejména konflikt mezi požadavky polohové zpětné vazby, která je u manipulátorů obvyklá a nezbytná pro přesné vedení akčního orgánu, a požadavky silové zpětné vazby.

Problém je řešen manipulátorem, ovládaným obsluhou, opatřený táhlem pro přenos síly od motoru na objekt a akčním orgánem pro mechanické působení na objekty silou vyvozovanou motorem, podle vynálezu. Jeho podstata spočívá v tom, že na táhle přenosu síly od motoru na objekt umístěný převodník úrovně síly na pneumatický signál je spojen uzavřenou dutinou s nejméně jedním výtokovým otvorem, upraveným na opěrné ploše manuálního ovládače v prstovém vybrání.

Podle vynálezu je též účelné, aby každý výtokový otvor na straně opěrné plochy manuálního ovládače byl opatřen výtokovým otvorem.

Manipulátor podle vynálezu má následující výhody. V závislosti na velikosti síly, jíž působí akční orgán manipulátoru na předmět, s nímž se právě manipuluje, je převodníkem generován přetlak vzduchu vytékajícího z výtokových otvorů do míst, kde se opírá dlaň, prsty nebo jiná část ruky obsluhy o manuální ovládač. Je tak předáván signál prostřednictvím hmatových čidel obsluhy. Silový účinek výtoku vzduchu může přitom být velmi malý a nedochází tedy k nějakému silovému ovlivnění polohy manuálního ovládače — pouze obsluha pociťuje slabý, ale zřetelný účinek vytékajících vzduchových proudů rostoucí s velikostí síly, která je přenášena. Není pak již obtížné udržovat sílu na pouze takové úrovni, která podle zkušenosti nehrozí poškozením předmětu, s nímž se manipuluje. Na rozdíl od silové zpětné vazby není přitom ovlivněna přesnost nastavování polohy akčního orgánu. Výhodou je ovšem také to, že uspořádání podle vynálezu je mimořádně jednoduché, zavedení zpětné informace o· velikosti generované síly zvýší cenu manipulátoru jen zcela nepatrně, ve srovnání s cenou manipulátoru prakticky o zanedbatelnou hodnotu. Výhodou je také to, že vzhledem k jednoduchosti je ústrojí přenosu informace o síle velmi odolné i při práci v nepříznivých podmínkách, spolehlivé a s dlouhou životností. Přitom všem umožňuje zásadním způsobem zkvalitnit celkovou funkci manipulátoru.

V případě, kdy opěrná plocha manuálního ovládače je opatřena jamkami s výtokovými otvory, se dostavuje alternativně dvojí druh generovaného hmatového účinku na prsty či ruku obsluhy, tedy jak statický tlakový účinek, tak i využití hybnostního· účinku vzduchových proudů, vytékajících z trysek.

Vynález a jeho účinky jsou blíže vysvětleny na popisu příkladů jeho provedení pomocí výkresů, kde na obr. 1 je znázorněn celkový pohled na manipulátor, zamýšlený zejména pro použití ve stavebnictví, obr. 2 znázorňuje příklad provedení části manipu243084 látoru, která slouží ke svírání předmětu, s nímž se manipuluje, obr. 3 znázorňuje příklad provedení části manuálního ovládače, obr. 4 příklad provedení převodníku manipulátoru podle vynálezu, obr. 5 znázorňuje jiný příklad provedení převodníku, zabudovaného přímo do jedné svěrací čelisti.

Z obr. 1 je zřejmé, že základními částmi manipulátoru jsou svěrací čelisti 1, umístěné na ksncích ramen 50. Svěrací čelisti l sestávají z pevné části lb a z pohyblivé části la. Manuální ovládač je podle obr. 2 vytvořen z pevného oka 2'b, v němž je otvor pro palec ruky obsluhy 100, a z pohyblivého oka 2a s otvorem, tvarovaným pro zbývající čtyři prsty obsluhy 103. Pohyblivé esko 2a je otočné kolem čepu 21. Natočení pohyblivé čelisti la způsobuje pneumatický lineární motor, tvořený válcem 31 s výstupními kanálky 43, v němž se posouvá utěsněný píst 33. Síla, vyvozená tlakem vzduchu na píst 33, se přenáší pístnici 34 a táhlem 33 do převodníku 10, opatřeného pomocným napájecím přívodem 311. S pístnicí 34 je prostřednictvím krátké spojnice se dvěma čepy spojen jeden konec dvojramenné páky 24. Protilehlý konec dvojramenné páky 24 je kloubově spojen s pohyblivým okem 2a manuálního ovládače. Střed dvojramenné páky 24 je spojen prostřednictvím cjnice s táhlem šoupátka 41, jímž se ovládá přívod stlačeného vzduchu z hlavního napájecího přívodu SCI do válce 31. Pracovní prostor šoupátka 41 je opatřen ventilačními vývody 42.

Podle obr. 3 je pohyblivé oko 2a tvořeno na jedné straně lučíkem 28, o nějž se opírá hřbet ruky obsluhy 138, a na druhé straně vývrtem 23, který je prostřednictvím děr 25. výtokových otvorů 20 a jamek 27 propojen s výřezem 29. Výřez 29 je tvarován prstovými vybráními 22 pro čtyři prsty jedné ruky obsluhy 100. Díry 25 jsou zakryty vložkami 26, opatřenými výtokovými otvory 20 a zalisovanými na dno vyvrtaných jamek 27.

Podle obr. 4 je převodník 10 umístěn v táhlu 39, které je rozděleno na první táhlo 39a a druhé táhlo 39b, které je opatřen i rozšířenou hlavicí s vnitřní válcovou dutinou 15, ve které se pohybuje hlava 19 prvního táhla 39a. Na druhém táhle 39b je našroubována matice 13 zabraňující vysunutí hlavy 19 z válcové dutiny 15. Ve válcové dutině 15 jsou naskládány talířové pružiny, tvořící deformační prvek 11 převodníku 10. Dále je clo válcové dutiny 15 zaústěn vývod 18 se spojovací hadičkou 12, ventilační otvor 16 a přívod 17.

Převodník 10 může být ovšem umístěn nikoliv v táhlu 39, ale v kterémkoliv členu mechanismu přenášejícího sílu z pneumatického lineárního motoru na akční člen, jímž jsou v popisovaném případě svěrací čelisti 1. I když se předpokládají jen nepatrné deformace deformačního členu 11, které jsou navíc jednoznačně závislé na působící síle, takže se nepředpokládá, že by nějak ovlivn^;ly přesnost nastavení polohy pohyblivé čelisti la, alespoň ne pro účely manipulátoru určeného k využití ve stavebnictví, u manipulátorů s jiným určením by vzniklá polohová nepřesnost mohla být nežádoucí. Lze ji ovšem velmi snadno odstranit tím, že se převodník 10 umístí do jiného členu mechanismu, před místo, v němž se ve směru od motoru k akčnímu členu napojuje polohová zpětná vazba, tj. například bude-li převodník 10 umístěn v pístnici 34 na obr. 2 vlevo od čepu, jímž je pístnice 34 propojena spojnicí s dvouramennou pákou 24. Alternativně může být účelné umístění převodníku 10 přímo v jedné ze svěracích čelistí 1, například v pevné čelisti lb, jak je znázorněno na obr. 5. V dosedací pleše pevné čelisti lb je vytvořeno zahloubení, do něhož je vsazena kontaktní vložka 61, zhotovená z materiálu s vhodnějšími adhezními vlastnostmi, než má ocel vlastní čelisti, což zabraňuje vyklouznutí objektu, který svěrací čelisti 1 svírají. Je vhodné takové uspořádání, aby kontaktní vložka 61 mohla být snadno vyměněna v případě jejího opotřebování. Obr. 5 značí, že kontaktní vložka 61 je uchycena pohyblivě a v případě, že bude zhotovena z tvrdé pryže, což je obzvlášť vhodný materiál s ohledem na třecí vlastnosti, může být využito poddajnosti pryže a namísto pohybu celé kontaktní vložky 61 bude docházet při svírání předmětu k jejímu deformování. Kontaktní vložka Sl je v značeném provedení však z nepoddajného materiálu a je na své vnitřní straně podepřena prvním deformačním prvkem 11a a druhým deformačním prvkem 11a, které jsou představovány v tomto případě nikoliv talířovou, ale šroubovicovou pružinou. Vnitřní ckraj kontaktní vložky 61 zakrývá podle deformace pružin větší nebo menší část prvého ventilačního otvoru 16a i druhého ventilačního otvoru 16b.

Manipulátor podle obr. 1 je sestrojen tak, že kopíruje prostřednictvím polohových hydraulických nebo pneumatických servomechanismů pohyby končetin obsluhy 100. Je určen zejména pro sestavování staveb z prefabrikovaných stavebních prvků. Nejdůležitější je ovšem zesilování pohybu paží 150 obsluhy 100. Znázorněné kráčející provedení je uzpůsobeno i ke kopírování a zesilování pohybu nohou, což na rozdíl například od pásového podvozku umožňuje například i vystoupání po schodišti stavěné budovy a vnitřní práce ve vyšších patrech, například ukládání stropních překladů a podobně. Může ovšem také sloužit ke skládání převezených stavebních prvků z přepravních vozidel a celému spektru jiných stavebních prací. Stavební prvky, se kterými se při práci manipuluje, jsou podobně jako u běžných průmyslových robotů drženy ve svěracích čelistech 1 umístěných na koncích ramen 50 manipulátoru.

Protože manipulátor kopíruje všechny po243084 hyby paží 150 obsluhy 100, které mají celou řadu kloubů, jsou konkrétní detaily konstrukce ramene 50 složité. Na obr. 2 je proto· z celé konstrukce ramene 50 znázorněna pro přehlednost jen část kopírující jediný pohyb, svírání svěracích čelistí 1. V podstatě jde o klasický polohový pneumatický servomechanismus s polohovou zpětnou vazbou. Ta je u pneumatického provedení zvláště důležitá, neboť bez ní by poloha akčního orgánu vzhledem ke stlačitelnosti vzduchu nebyla jednoznačně definována i při nezměněné poloze manuálního ovládače. V znázorněné poloze je přívod 301 stlačeného vzduchu uzavřen, pohyblivá čelist la se nehýbe. Předpokládejme, že obsluha 100 sevře obě oka 2'a 2b manuálního ovládače směrem k sobě. Horní konec dvojramenné páky 24 se tím vychýlí na obrázku vlevo. Šoupátko 41 se též přesune doleva. Tím se otevře cesta hlavního napájecího přívodu 301 do prvního výstupního kanálku 43, kterým tak začne proudit tlakový vzduch a píst 33 se začne posouvat doprava. Vzduch z opačné strany pístu přitom může být z válce 31 vytlačován, neboť šoupátko 41 odkryje jeden z ventilačních vývodů 42, jímž tak může vzduch unikat do atmosféry. Kdyby nebyla zavedena polohová zpětná vazba, otevření šoupátka 41 pohybem manuálního ovládače by ovšem vedlo· k tomu, že píst 33 by se trvale pohyboval vpravo a pohyblivá čelist la by konala trvale svírací pohyb, dokud by ovšem nenarazila na předmět, který má být uchopen. Je-li ovšem žádoucí přesné kopírování polohy manuálního ovládače, tento trvalý pohyb pístu 33 jako· reakce na výchylku manuálního ovládače by nebyl na místě. Je zde však spojení pístnice 34 s dolním koncem dvojramenné páky 24. Při pohybu pístu 33 doprava se pohybuje vpravo i připojený spodní konec dvojramenné páky 24 a s ním se ze svého vychýlení doleva postupně navrací do výchozí polohy i střední čep a s ním spojené šoupátko 41. To tedy zaujme zase původní rovnovážnou polohu, takže se píst 33 přestane pohybovat. Každé poloze pohyblivého oka 2a odpovídá tak jedna určitá poloha pohyblivé čelisti la. Čelist 1 tak přesně kopíruje pohyby ruky, ovšem s tím rozdílem, že čelist la na své dráze může vyvinout sílu řádu kilonewtonů, zatímco síla potřebná k přestavení pohyblivého oka 2a je zcela nepatrná, překonává se pouze tření v čepech, například čepu 21, které může být velmi malé, neboť zde lze například použít malých valivých ložisek. U schematického znázornění se ovšem uplatní 1 tření v ucpávce táhla šoupátka 41. Prakticky by zde však bylo možné použít namísto ucpávky například utěsnění vlnovcem, tedy bez tření, neboť šoupátko 41 koná jen velmi malé výchylky a stále je navraceno do výchozí polohy. Ostatně namísto šoupátkového rozvodu může být použito i rozvodu například s výkyvnou tryskou nebo s klapkami uzavírajícími ústí trysek, kde je potřebná ovládací síla oproti klasickému šoupátkovému uspořádáni mnohem menší.

Potřebná síla, vyvozená na manuálním ovládači, je zcela nepatrná a není v žádné relaci se silou, jíž jsou svírány čelisti 1, takže snadno dojde k rozdrcení křehkých předmětů. Podle vynálezu tomu odpomáhá uspořádní, které je podle obr, 2 pouze jednoduchou a levnou úpravou základního polohového servomechanismu. Táhlo 39 je opatřeno převodníkem 10, jehož příklad vnitřního uspořádání je dále znázorněn na obr. 4.

Převodník 10 generuje pneumatický tlakový výstupní signál, jehož úroveň závisí na tom, jak velká síla se táhlem 39 právě přenáší. Tento signál je veden tenkou ohebnou spojovací hadičkou 12 do pohyblivého oka 2a. V něm vzduch vytéká výtokovými otvory 20, které jsou zhotoveny v opěrné ploše, o níž se musí při svírání obou ok 2a, 2b opírat prsty obsluhy 100, která tak pociťuje hmatový účinek odpovídající velikosti svěrací síly, může tedy svěrací sílu regulovat, například mění-li se její velikost s tím, jak se při zvedání nebo naklánění usazovaného stavebního prvku mění tíhová síla a její složka působící proti sevření svěracími čelistmi 1.

Právě proto, že tato pneumatická zpětná vazba je konstrukčně velmi jednoduchá, nečiní problém její zavedení i u dalších motorů ramene manipulátoru 50, nejen svěracího, který je pro přehlednost jako jediný znázorněn na obr. 2.

Generovaný hmatový účinek na prsty nebo jiné části ruky obsluhy 100 může být v zásadě dvojího druhu. Může jít o statický tlakový účinek přivádí-li se vzduch do částečně otevřené dutiny, jejíž jednu, otevřenou stranu uzavírá přiléhající plocha povrchu ruky obsluhy 100. Tento tlakový účinek ovšem vyžaduje, aby dutina byla přiléhajícím povrchem zcela uzavřena a vzduch nikde neunikal. Je proto vhodný pro takové části manuálního ovládače, které jsou při práci například překryty některou částí plochy dlaně. Druhou možností je využití hybnostního účinku vzduchových proudů vytékajících z trysek a dopadajících na povrch ruky obsluhy 100. Tento případ naopak vyžaduje mezi tímto povrchem a ústím trysky určitou vzdálenost a z prostoru mezi nimi musí mít vzduch možnost úniku, aby vůbec z trysky vytékal. V zásadě je možné uspořádání, které alternativně funguje oběma způsoby podle toho, jak je opěrná plocha manuálního ovládače právě uchopena.

Tak je tomu právě u příkladu uspořádání pohyblivého oka 2a, který je zachycen na obr. 3. Do výřezu 29 provléká obsluha 100 čtyři prsty jedné ruky tak, že vnitřní stranou zapadají do jednotlivých prstových vybrání 22, kdežto vnější stranou, hřbetem, se opírají o lučík 28, na který působí při rozevírání ok 2a, 2b. Při svírání samozřejmě

4 3 tlačí na dno prstových vybrání 22 a zde je proti každému prstu uspořádán jeden výtokový otvor 20. Do výtokových otvorů 20 je vzduch ze spojovací hadičky 12 veden vývrtem 23 velkého průřezu, aby podél jeho délky nedocházelo k výraznému spádu tlaku a tlak přiváděný do výtokových otvorů 20 byl přibližně stejný. Ve vložkách 26 jsou teprve vytvořeny výtokové otvory 20 jakc trysky s malým průměrem ústí. Malý průměr výtokových otvorů 20 umožňuje urychlení vytékajícího vzduchového proudu na značnou rychlost a zabraňuje poklesu tlaku ve vývrtu 23, jestliže například při nesprávném držení pohyblivého oka 2a není některý z výtokových otvorů 20 prstem zakryt. Dokonce se počítá s tím, že obsluha 100 svými prsty jamky 27 nemusí zcela zakrýt. To umožní odtok vzduchu z dutiny jamek 27, takže proud vytékající z tryskového ústí může mít dostatečnou hybnost, aby dopadal na prst ještě se značnou rychlostí a působil zde citelným účinkem. Jamky 27 mohou být pro zvýraznění tohoto efektu provedeny též nikoliv vyvrtáním, tedy s kruhovým průřezem, ale jako podélné žlábky znemožňující úplné uzavření prstem. Je-li ovšem dutina jamky 27 přiléhajícím prstem zcela uzavřena, bude vyvozen tlakový účinek také, ovšem jiným, výše zmíněným tlakovým statickým působením.

Činnost převodníku 10, umístěného podle obr. 4 je následující. Není-li táhlem 33 právě přenášena tlaková síla, přitlačují tyto pružiny hlavu 19 proti matici 13. Jejich deformační vlastnosti se uplatňují tak, že s rostoucí silou se hlava 19 zasunuje dále dovnitř válcové dutiny 15. Posunutí je ovšem velmi malé, talířové pružiny mají velmi malou poddajnost, může se jednat o pohyby řádu desetin milimetru. Do válcové dutiny 15 se přívodem 17 přivádí tlakový vzduch z pomocného napájecího přívodu 311. Ve znápružinách může ovšem vzduch z válcové duzorněném stavu při nestlačených talířových tiny 15 unikat do atmosféry ventilačním otvorem 16. Ve vývodu 18 a na něj napojené spojovací hadičce 12 je pak ovšem prakticky jen atmosférický tlak a výtokovými otvosi 4 ry 20 vzduch téměř nevytéká. Dojde-li ovšem působením přenášené síly k deformaci deformačního prvku 11 a zasunutí hlavy 19 dovnitř válcové dutiny 15, je ventilační otvor 16 obvodem hlavy 19 postupně více a více zakrýván. Dispance ventilačního otvoru 16 se tedy zvětšuje a vzduch pak ve stále větší míře — pod rostoucím přetlakem uvnitř válcové dutiny 15 — proudí do spojovací hadičky 12 k výtokovým otvorům 20.

Činnost převodníku 10, umístěného podle obr. 5 je zcela stejná jako ve výše popsaném uspořádání, tedy při odkrytí ventilačních otvorů 16a, 16b uniká vzduch z přívodu 17 ventilačními otvory 16a, 16b do atmosféry. Při svírání předmětu svěracími čelistmi 1 se pohybem kontaktní vložky 61 ventilační otvory 16a, b zavírají a tím roste tlak ve vývodu 18.

Předpokládá se uplatnění manipulátoru podle tohoto vynálezu především ve stavební technice. Oproti jiným známým manipulátorům nové vlastnosti tohoto uspořádání podle vynálezu jej předurčují všude tam, kde má být manipulováno s předměty choulostivějšími, zhotovenými z materiálu, který je křehký nebo náchylný k otlačení a přitom se ovšem jedná o natolik rozměrné předměty, že je účelné, aby síla vynakládaná obsluhou byla zesílena servomechanismy. Taková uplatnění se vyskytují například při manipulaci se skleněnými nebo dřevěnými předměty například ve sklářském nebo dřevozpracujícím průmyslu. Jinou aplikací je manipulace s radioaktivními, toxickými nebo biologicky nebezpečnými materiály, kdy manipulátor nemá za cíl zvětšení vynakládané síly, ale možnost umístění obsluhy za ochrannou bariérou. Také v případě manipulace s materiály o vysoké teplotě může být manipulátor uzpůsoben tak, aby obsluha mohla být od předmětu, s nímž manipuluje, dostatečně vzdálena. Ve všech těchto situacích se také vyskytují případy, kdy je žádoucí, aby uspořádáním podle tohoto vynálezu získala obsluha cit pro velikost síly, jimiž se na manipulované předměty působí.

Claims (2)

1. PREDMET

   1. Manipulátor, ovládaný obsluhou, opat řený táhlem pro přenos síly od motoru na objekt a akčním orgánem pro mechanické působení na objekty silou vyvozovanou motorem, vyznačující se tím, že na táhle (39' přenosu síly od motoru na objekt umístěný převodník (10) úrovně síly na pneumatický signál je uzavřenou dutinou spojen s nejYNALEZU méně jedním výtokovým otvorem (2QJ, upraveným na opěrné ploše manuálního ovládače v prstovém vybrání (22).
2. 2. Manipulátor podle bodu 1, vyznačující se tím, že každý výtokový otvor (20J je na straně opěrné plochy manuálního ovládače opatřen jamkou (27).