CZ302298B6 - Kulový kloub s alespon dvema stupni volnosti - Google Patents

Abstract

Kulový kloub (3) s alespon dvema stupni volnosti, který je tvoren kulovou plochou opatrenou na svém povrchu alespon jedním ozubením v podobe rovnobežných obvodových drážek, u kterého osa každého zubu smeruje do stredu kulové plochy, do kterého zapadají alespon dva hnací pastorky (1, 2) a na protilehlé strane kulové plochy jsou umísteny alespon dve operné ozubené kladky (4, 5). K osám otácení hnacích pastorku (1, 2) a ozubených kladek (4, 5) jsou pripojeny v kolmém smeru cepy otocné podle normály ke kulové ploše v míste záberu.

Description

Oblast techniky

Vynález se týká kulového kloubu s alespoň dvěma stupni volnosti. Jedná se o vytvoření mechanické struktury, zejména zápěstí robotů a manipulátorů motoricky ovládaného s dvěma respektive třemi stupni volnosti tj. dvěma respektive třemi rotačními pohyby.

Dosavadní stav techniky

U dosud používaných koncových kinematických řetězců pohybových systémů nejrůznější manipulační a automatizační techniky, průmyslových robotů a manipulátorů a jiných pohybových í5 systémů se prakticky nepoužívají kulové klouby z důvodů problematického propojení s pohonem resp. pohony. Tento problém je pak řešen vazbou dvou resp. tří kloubů s rotační vazbou v sériovém uspořádání a vzájemném pootočení (zpravidla 90°). Uvedeným řešením se odstraňuje problém s připojením pohonu, každý pohon si pak ovládá svoji osu. Narůstá však prostorová zástavba, především délková a hmotnost celku.

Jsou tak řešeny pracovní hlavice průmyslových robotů a manipulátorů. Obvykle je tvoří tri vázané kinematické dvojice s rotační vazbou. Hmotnost a rozměry celky narůstají a mají nepříznivý vliv na manipulační schopnost pracovní hlavice, z hlediska dynamického nejsou pak zanedbatelné setrvačné síly a z toho vyplývající problémy s tuhostí robota a jeho přesných pohybů.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky jsou do značné míry odstraněny kulovým kloubem s alespoň dvěma stupni volnosti, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že je tvořen kulovou plochou opatřenou na svém povrchu alespoň jedním ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, u kterého osa každého zubu směruje do středu kulové plochy, do kterého zapadají alespoň dva hnací pastorky a na protilehlé straně kulové plochy jsou umístěny alespoň dvě opěrné ozubené kladky. K osám otáčení hnacích pastorků a ozubených kladek jsou připojeny v kolmém směru čepy otočné podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

Ve výhodném provedení je kulová plocha na svém povrchu opatřena dalším ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, umístěných v kolmém směru k jednomu ozubení, do kterého zapadá alespoň jeden další hnací pastorek a na protilehlé straně kulové plochy alespoň jedna další opěrná ozubená kladka. K jejich osám otáčení je připojen v kolmém směru čep otočný podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

Ke kulové ploše jsou s výhodou umístěny alespoň čtyři opěrné kladky s bombírovaným povrchem, které ustavují kulový kloub v dané středové poloze.

Jedná se o vytvoření mechanické struktury kulového kloubu s pohonem - zápěstí robotů a manipulátorů. Kulový kloub je opatřen ozubením vhodně vytvořeným na jeho povrchu. Do tohoto ozubení pak zasahují pastorky, které jsou motoricky poháněné a zároveň volně otočné podle normály ke kouli v místě záběru tj. ose procházející středem koule. Pastorky mohou být dva nebo tři, podle požadované funkce. Pastorek v ozubení vytváří silové účinky svým záběrem a tím způsobuje natáčení koule. Ve směru pootočeném o 90° na průmět působící síly se může pohybovat v ozubení kluzným pohybem. Tak můžeme vytvářet tři nezávislé rotace. Ozubené pastorky doplněné opěrnými kladkami vystřeďují kulový čep ve své středové poloze.

- 1 CZ 302298 B6

Hlavní výhodou tohoto uspořádání je příznivé prostorové uspořádání zápěstí protože může být snadno umístěné na koncové části robota, manipulátoru. Pohony mohou být přímo součástí pastorku, případné oddělené s vazbou ohebných hřídelů, lanových, řemenových, řetězových, případně ozubených převodů. Získáváme tak zápěstí s příznivými zástavbovými i hmotnostními parametry a vysokými pohybovými funkcemi.

Samotný provoz tohoto celku pak umožní výrazné zvýšení pracovního prostoru zařízení charakteru robota nebo manipulátoru při snížení prostoru operačního, který zahrnuje samotná konstrukce zápěstí.

Daný celek může pracovat v prostředí velmi náročných pracovních podmínek a výrazně zvýší využití celé struktury robota resp. manipulátoru. Pohony s pastorky mohou být umístěny ve spodní části zápěstí tj. pod kulovým kloubem.

Uvedené řešení tak značným způsobem zvyšuje manipulační schopnost pracovní hlavice, která je na zápěstí umístěna. Snižuje se také zástavbová a hmotnostní náročnost tohoto koncového kinematického prvku. Tím se rozšiřuje rozsah pohybů, přesnost poloho vání a tuhost celé sériové struktury. Při vhodném krytování pak dochází ke vzniku mechanické struktury s třemi stupni volnosti, která může pracovat v extrémních pracovních podmínkách, jako je radioaktivní prostředí, práce pod vodou, práce v kosmu, lékařské chirurgické úkony apod.

Přehled obrázků na výkresech

Kulový kloub s alespoň dvěma stupni volnosti, podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsán na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde na obr. laje schematicky znázorněno jedno provedení kloubu se dvěma stupni volnosti v nárysu a na obr. lb v bokorysu. Na obr. 2a je schematicky znázorněno další provedení kloubu se třemi stupni volnosti v nárysu a na obr. 2b v bokorysu. Na obr. 3 je znázorněno celkové uspořádání kulového kloubu.

Příklady provedení vynálezu

Příkladný kulový kloub 3 - zápěstí robotů a manipulátorů, je tvořen kulovou plochou opatřenou na svém povrchu jedním ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek u kterého osa každého zubu směruje do středu kulové plochy, do kterého zapadají alespoň dva hnací pastorky i, 2 a na protilehlé straně kulové plochy jsou umístěny dvě opěrné ozubené kladky 4, 5. K osám otáčení hnacích pastorků 1, 2 a ozubených kladek 4, 5 jsou připojeny v kolmém směru čepy otočné podle normály ke kulové ploše v místě záběru. Ke kulové ploše jsou umístěny čtyři opěrné kladky 6, 7, 8, 9 s bombírovaným povrchem.

V dalším provedení je kulový kloub opatřen kulovou plochou, která je na svém povrchu opatřena dalším ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, umístěných v kolmém směru k jednomu ozubení, do kterého zapadá jeden další hnací pastorek K) a na protilehlé straně kulové plochy jedna další opěrná ozubená kladka 11. K jejichž osám otáčení je připojen v kolmém směru čep otočný podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

V příkladu podle obr. 1 je znázorněno umístění dvou pohonů, které umožní dvě na sebe kolmé rotace tj. kývání Rl a R2. Pohony představují zabírající pastorky i, 2 s ozubením, které zabírá do ozubení vytvořené na samotné kouli kulového kloubu 3. Pastorky 1, 2 jsou volně otočné kolem osy N01, N02 umístěné ve směru normály směrující do středu koule ke kulovému povrchu v místě styku ozubení pastorku 1, 2 a koule. Hnací pastorky I, 2 jsou na své protilehlé straně doplněny opěrnými ozubenými kladkami 4, 5. Celý systém je pak vhodně doplněn opěrnými kladkami 6, 7, 8, 9 bez ozubení s bombírovaným povrchem. Tyto opěrné kladky 6, 7, 8, 9 jsou otočné pouze podle své osy a odvalují se po povrchu kulového kloubu 3.

V příkladu podle obr. 2 je kulový kloub 3 opatřen ještě dalším ozubením, které protíná kolmo ozubení dle obr. 1. Do tohoto ozubení zabírá další hnací pastorek JO s pohonem, který umožňuje navíc rotaci zápěstí R3. Získává se tak další stupeň volnosti - třetí. Další hnací pastorek 10 je opět volně otočný podle osy N03. Proti dalšímu hnacímu pastorku JO je umístěna volně otočná další opěrná ozubená kladka JJ..

ío Na obr. 3 je znázorněno zjednodušené dispoziční uspořádání zápěstí. Pohyblivá Část kulového kloubu 3 je umístěna ve vhodně vytvarovaném tělese 20, které je umístěno na koncové části kinematického řetězce hlavního tj. pozičního pohybového systému robota resp. manipulátoru. Pohyblivá část pak spolu s pracovní hlavicí představuje vedlejší tj. orientační pohybový systém se dvěma resp. třemi stupni volnosti zápěstí.

Hnací pastorky I, 2, JJ) mohou být přímo opatřeny pohonem, případně s motorickou jednotkou propojeny pomocí nejrůznějších převodových mechanismů jako jsou ohebné hřídele, řemenové, řetězové, lanové, ozubené převody.

Navržené řešení je vhodné jak pro miniaturní provedení orientačního pohybového systému robotů a manipulátorů, tak pro střední rozměrovou i hmotnostní řadu průmyslových robotů a manipulátorů. Při vhodném zakrytování tak vznikne kompaktní celek, schopný pracovat ve velmi náročném pracovním prostředí. Tento kompaktní celek pak bude vynikat svojí celistvostí a vysokou odolností proti poškozeními své práci.

Průmyslová využitelnost

Kulový kloub s alespoň dvěma stupni volnosti, podle tohoto vynálezu nalezne uplatnění ve větši3o ně dosavadních konstrukcí, kde jsou rotace řešeny odděleně z důvodu snazšího připojení pohonu.

Získáváme kompaktní konstrukci s menšími nároky na prostorovou zástavbu včetně snížení hmotnosti celého zápěstí. Samotné motorické jednotky pohonů pak mohou být umístěny v prostoru „pod“ kulovým kloubem.

Claims (3)

1. L Kulový kloub s alespoň dvěma stupni volnosti, vyznačující se tím, že je tvořen kulovou plochou opatřenou na svém povrchu alespoň jedním ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, u kterého osa každého zubu směřuje do středu kulové plochy, do ozubení zapadají alespoň dva hnací pastorky (1, 2) a na protilehlé straně kulové plochy jsou umístěny

   45 alespoň dvě opěrné ozubené kladky (4, 5), přičemž k osám otáčení hnacích pastorků (1, 2) a ozubených kladek (4, 5) jsou připojeny v kolmém směru čepy, otočné podle normály ke kulové ploše v místě záběru.

   -3CZ 302298 B6
2. 2, Kulový kloub podle nároku 1, vyznačující se tím, že kulová plocha je na svém povrchu opatřena dalším ozubením v podobě rovnoběžných obvodových drážek, umístěných v kolmém směru k jednomu ozubení, do kterého zapadá alespoň jeden další hnací pastorek (10)

   5 a na protilehlé straně kulové plochy alespoň jedna další opěrná ozubená kladka (11), k jejichž osám otáčení je připojen v kolmém směru Čep otočný podle normály ke kulové ploše v místě záběru.
3. 3. Kulový kloub podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ke kulové ploše ιο jsou umístěny alespoň čtyři opěrné kladky (6, 7, 8, 9) s bombírovaným povrchem pro zajištění správné polohy středu kulového kloubu (3).