CZ35140U1 - Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice robotu s pracovním nástrojem - Google Patents

Description

Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice robotu s pracovním nástrojem

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice robotu s pracovním nástrojem v nedostupném prostoru nebo rozsáhlém prostoru, s alespoň dvěma roboty sériové nebo paralelní kinematické struktury opatřené úchopnou hlavici pro spojení se spojovací hlavicí, kde jednotlivá ramena robotů jsou spolu spojena rotačními klouby a posuvnými vedeními.

Dosavadní stav techniky

Dosavadní roboty, které operují ve stísněných a prostorově omezených prostorech (obecně nedostupných prostorech), používají ramena s omezeným průřezem a často pohánějí klouby robota lany s pohony umístěnými na rámu. To vede ke snížení tuhosti a přesnosti takových robotů.

Byla navržena řešení, jak zvýšit tuhost robotů, tím, že se roboty spojí pomocí kooperující úchopné hlavice (CZ 2012-474). Roboty se přes kooperující úchopnou hlavici spojují mimo pracovní prostor a v místě operace jsou spojeny. Takové řešení však vyžaduje značný prostor. Tak se do stísněného a prostorově omezeného prostoru nedostanou.

Jiným případem je, že roboty mají provádět operace v rozsáhlém prostoru. Pro takové operace roboty musejí být buď velké nebo mobilní, a tak mají sníženou tuhost. Dosažení požadované tuhosti by si v takovém rozsáhlém prostoru vyžádalo použití velké a těžké konstrukce.

Pro dosažení stísněných a prostorově omezených prostorů se užívají také roboty kinematicky redundantní typu hada, které mají více kloubů a stupňů volnosti, než je nutně potřeba pro dosažení požadované polohy. Přidání dalších kloubů sice umožňuje pohyb v omezených prostorech, ale snižuje tuhost a přesnost pohybu.

Pro zvýšení tuhosti se užívá robotů s paralelní kinematickou strukturou, ale ta vede k potřebě rozsáhlého pracovního prostoru nevhodného pro omezené prostory.

Cílem tohoto technického řešení je zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem a tím přesnosti robota pro činnost ve stísněných a prostorově omezených prostorech nebo rozsáhlých prostorech.

Podstata technického řešení

Podstata zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice robotu s pracovním nástrojem v nedostupném prostoru nebo rozsáhlém prostoru, s alespoň dvěma roboty sériové nebo paralelní kinematické struktury opatřené úchopnou hlavici pro spojení se spojovací hlavicí, kde jednotlivá ramena robotů jsou spolu spojena rotačními klouby a posuvnými vedeními spočívá vtom, že spojovací hlavice je opatřena alespoň dvěma úchyty pro spojení s úchopnou hlavicí alespoň dvou robotů a alespoň jeden z robotů je štíhlé konstrukce.

Manipulační rameno alespoň jednoho z robotů je kinematicky redundantní, obsahující více rotačních kloubů nebo posuvných vedení než šest. Alespoň jeden z robotů je vybaven buď laserovým sledovačem nebo aspoň třemi laserovými odražeči.

Úchyty pro spojení spojovací hlavice s úchopnou hlavicí robotů buď na straně spojovací hlavice, nebo na straně úchopné hlavice jsou rotačně symetrické, nebo obsahují rotační klouby nebo posuvná vedení bez pohonů. Alespoň jeden z robotů je opatřen alespoň jedním přídavným čidlem

-1 CZ 35140 UI představovaným čidlem pohybu ramene na rotačním kloubu nebo posuvném vedení, nebo čidlem deformace pohonu ramene nebo čidlem deformace ramene. Aspoň jeden robot je případně umístěn na pohyblivém vozíku opatřeném zařízením pro upevnění k rámu.

Objasnění výkresů

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněno zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice robotu s nástrojem pro činnost robotů ve stísněných a prostorově omezených prostorech, kde obr. 1 až 4 znázorňují jedno ze základních uspořádání, obr. 5 až 6 znázorňují provedení s paralelní kinematickou strukturou jednoho z robotů, obr. 7 znázorňuje provedení s přídavným robotem, obr. 8 znázorňuje kinematická struktura popisovaných robotů s vyznačeným kartézským souřadnicovým systémem, obr. 9 až 11 znázorňují alternativní provedení jednotlivých robotů obr. 12 až 15 znázorňují uspořádání v rozsáhlém prostoru obr. 16 až 22 znázorňují možná provedení pohonu robotů obr. 23 až 27 znázorňují různá provedení úchytů pro úchopné a spojovací hlavici, obr. 28 znázorňuje alternativní rozdělení rotačních kloubů ve struktuře robotů, obr. 29 znázorňuje další alternativa rozdělení rotačních kloubů ve struktuře robotů a obr. 30 znázorňuje uspořádání robotů a jejich navigačních prvků.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 až 4 je znázorněno uspořádání dvojice robotů pro provádění pracovní operace ve stísněném nebo prostorově omezeném prostoru, kde na obr. 1 jsou oba roboty znázorněny v určité základní poloze, která se mění v dalších obrázcích do jejich cílové polohy 33 na obr. 4, kde jsou úchopné hlavice 7 obou robotů spojeny se spojovací hlavicí 8 nesoucí nástroj 9 pro provádění pracovní operace v cílové poloze 33.

Pracovní robot 2 a podpůrný robot 1 sériové kinematické struktury jsou upevněny na rámu 10, skládají se z ramen 12 propojených rotačními nebo sférickými klouby 5 nebo posuvnými vedeními 6 a jsou opatřeny manipulačními rameny 4, na jejichž konci jsou úchopné hlavice 7. Na rámu 10 jsou umístěny spojovací hlavice 8 pro spojení s různými nástroji 9 a s úchopnou hlavicí 7 pracovního i podpůrného robota 2. Roboty 1 a 2 jsou opatřeny pohony, pohony mohou být i ve spojovací hlavici 8 pro pohyb nástroje 9.

Na obr. 1 je pracovní robot 2 v poloze přiblížení své úchopné hlavice 7 k jedné ze spojovacích hlavic 8. Na obr. 2 je robot 2 s uchopenou spojovací hlavicí 8 s nástrojem 9 v poloze před vstupem do stísněného prostoru 11 skrze průchod 37 mezi překážkami 13 v prostoru. Na obr. 3 je robot 2 s uchopenou spojovací hlavicí 8 s nástrojem 9 přemístěn do cílové polohy 33 ve stísněném prostoru 11, kde má provést nástrojem 9 požadovanou operaci. Aby dosáhl potřebné tuhosti pro tuto operaci, tak je do stísněného prostoru 11 skrze průchod 37 přesunut podpůrný robot 1, jak je patrné na

- 2 CZ 35140 UI obr. 4. Průchody 37 bývají i ztížené, kdy jím projde jen manipulační rameno 4 s úchopnou 7 nebo i spojovací hlavicí 8 s nástrojem 9. Podpůrný robot 1 dosáhl svojí úchopnou hlavicí 7 spojovací hlavici 8 nesenou pracovním robotem 2 a spojil svojí úchopnou hlavicí 7 se spojovací hlavicí 8. Nyní je spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 nesena manipulačními rameny 4 obou robotů j. a 2. To je první krok ke zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 při požadované operaci. V principu dochází k součtu tuhostí manipulačních ramen 4 obou robotů 1 a 2. Zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 vede ke zvýšení přesnosti jeho pohybu při požadované operaci. To je dáno tím, že výchylka nástroje pod působící silou je menší právě díky vyšší tuhosti.

Přístup spojovací hlavice 8 do cílové polohy 33 ve stísněném prostoru 11 mezi překážkami 13 je omezen nutností jejího průchodu průchody 37. z nichž některé jsou ztížené průchody s větším omezením, které umožňují průchod, např. manipulačního ramene 4 pouze jednoho z robotů 1 a 2. Pro zlepšení pohybu ve stísněném prostoru 11 neobsahují manipulační ramena 4 spojená s úchopnou hlavicí 7 rotační klouby 5 nebo posuvná vedení 6, jsou štíhlé konstrukce se štíhlostí aspoň 1:5. Štíhlost je poměr poloměru setrvačnosti průřezu a délky. O štíhlosti mluvíme, jestliže je aspoň 1:2, ale bývá mnohonásobně více.

Přemístění úchopné hlavice 7 pracovního robota 2 do stísněného prostoru 11 došlo jedním průchodem 37. zatímco přemístění úchopné hlavice 7 podpůrného robota 1 do stísněného prostoru 11 došlo druhým průchodem 37. Některé z průchodů 37 mohou být ztíženými průchody. V tomto konkrétním případě byly využity průchody 37 pouze pro úchopnou hlavici jednoho z robotů 1 a 2. Pokud to okolnosti dovolí je pro docílení zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 ve stísněném prostoru 11 možné využít průchod 37 pro úchopné hlavice 7 obou robotů 1 a 2.

Druhým krokem ke zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 je přeurčené měření díky spojeným robotům. Pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 ve stísněném prostoru 11 lze užít i přeurčeného měření robotů v cílové poloze 33 během pracovní operace. Toto přeurčené měření spočívá v současném měření v pohonech všech spojených robotů pro přesnější určení jejich polohy a z toho pro zpětnovazebně působení na pohony robotů pro snížení odchylky spojovací hlavice 8 od požadované polohy. Tím se rovněž docílí větší tuhost spojovací hlavice 8, neboť přesnější určení polohy vede k menším odchylkám od požadované polohy i za působení sil.

Každý robot je opatřen alespoň tolika čidly, kolik má pohonů, a pohonů má tolik, aby jimi ovládal všechny stupně volnosti, tedy jeho pohyblivost a pohyboval úchopnou hlavicí 7. Počet stupňů volnosti je počet parametrů nutných k jednoznačnému určení polohy robota. Po spojení robotů 1 a 2 přes spojovací hlavici 8 dojde k omezení pohyblivosti dané počtem stupňů volnosti. Spojené roboty 1 a 2 mají pohyblivost rovnou počtu stupňů volnosti jednoho každého robota, ale mají dvojnásobný počet pohonů a čidel polohy. To představuje přeurčené měření polohy, které lze užít jednak pro kalibraci modelů jednotlivých a pak i spojených robotů (kalibrace spočívá v určení rozměrů užitých v modelu) a jednak pro zpřesnění určení polohy redundantním určením, např. řešením přeurčených rovnic pro vazby polohy spojovací hlavice a měřených poloh v kloubech a posuvech nebo výpočtem průměru zvíce řešení pro polohu spojovací hlavice a nástroje z redundantních měření poloh v kloubech a posuvech.

Pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 ve stísněném prostoru 11 lze užít i přídavných čidel pro měření deformace skutečného robota oproti jeho modelu jako tuhého robota. Jde jednak o deformaci přenosu pohybu z pohonu na pohyb ramen robota a jednak o deformaci ramen a převodů robota.

Tuhost a přesnost polohování robotů je z většiny způsobena jejich poddajností a následnou deformací. Největší část poddajnosti robotů je v převodu mezi pohonem a pohybujícím se ramenem. Ten způsobuje rozdíl mezi pohybem pohonu měřeného čidlem pohonu 15 a pohybem ramen 12 robota. Převod je tvořen převodovým hřídelem 19 nebo lanem 20 nebo převodovkou v pohonu a zde se projevuje poddajnost přenosu pohybu pohonu na rotaci nebo posun ramene.

-3CZ 35140 UI

Tento třetí krok ke zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 je blíže popsán na obr. 16 až 20.

Deformace je měřena čidly skutečného pohybu ramen robota.

Čtvrtým krokem ke zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 je užití přídavných sensorů pro měření jak deformace převodů, tak deformace ramen robota. Je měřena deformace převodu mezi pohonem a pohybujícím se ramenem nebo deformace ramen robota přídavnými čidly. Menší část poddajnosti robotů je v deformaci ramen robota. Bližší popis je na obr. 16 až 20.

Na obr. 5 a 6 je znázorněno, že roboty mohou mít paralelní kinematickou strukturu. Paralelní kinematická struktura znamená, že těleso (zde manipulační rameno) koncového efektoru (zde úchopná hlavice 7 jednotlivého robota) nebo jiné těleso ve struktuře je spojeno s více než dvěma rameny robota a je nazývané platforma 21.

U robota se sériovou kinematickou strukturou je koncový efektor nesen jen jedním ramenem a každé těleso (rameno) uvnitř jeho struktury je spojeno se dvěma dalšími rameny. U robota se sériovou kinematickou strukturou je každý rotační kloub nebo posuvné vedení opatřeno pohonem. U robota s paralelní kinematickou strukturou tím, že tělesa jsou nesena více rameny, se zvýší tuhost, a tím, že se mohou vyskytovat rotační klouby nebo posuvná vedení bez pohonu, se sníží hmotnost.

Konkrétně na obr. 5 je podpůrný robot 1 s paralelní kinematickou strukturou, neboť manipulační rameno 4 podpůrného robota 1 je neseno dvěma rameny 12, z nichž na obrázku spodní je spojeno s manipulačním ramenem 4 rotačním kloubem 5 a horní je s manipulačním ramenem 4 spojeno sférickým kloubem 22. To zvýší tuhost koncového efektoru - úchopné hlavice 7. Dále tyto klouby - sférický kloub 22 a rotační kloub 5 - spolu s předchozím posuvným vedením 6 jsou bez pohonů, což sníží hmotnost podpůrného robota L Podpůrný robot 1 na obr. 5 má navíc více pohonů (osm) než potřebných stupňů volnosti (šest) a tato redundance pohonů vede ke zvýšení tuhosti i pomocí zvláštního protivůlového řízení ke zvýšení přesnosti polohování a pohybu úchopné hlavice 7 a nakonec nástroje 9.

Na obr. 6 je podpůrný robot 1 s paralelní kinematickou strukturou, neboť platforma 21 uvnitř struktury podpůrného robota 1 je nesena třemi rameny 12 připojenými k platformě 21 sférickými klouby 22 a z platformy 21 teprve vychází posuvné vedení 6 s ramenem 12 nesoucím manipulační rameno 4 s úchopnou hlavicí 7. To zvýší tuhost jak platformy 21. tak koncového efektoru úchopné hlavice 7. Dále tyto sférické klouby 22 a jim předcházející rotační klouby 5 jsou bez pohonů, což sníží hmotnost podpůrného robota 1.

Variant konstrukcí robota s paralelní kinematickou strukturou je řada, známé jsou Hexapod, Delta, Sliding Star, Hexasphere, aj.

Na obr. 7 je znázorněno, že spojovací hlavici 8 s nástrojem 9 může nést více robotů, atak ještě zvýšit tuhost spojovací hlavice s nástrojem 9. Konkrétně na obr. 7 je vedle robotů 1 a2 z obr. 1 až 4 znázorněn přídavný robot 3, který svým manipulačním ramenem 4 skrze úchopnou hlavici 7 drží spojovací hlavici 8 s nástrojem 9. Zvýšení tuhosti je ještě zvýšeno, protože účinky spojení skrze spojovací hlavici 8 se nyní sčítají ze tří robotů. Počet robotů nesoucích spojovací hlavici 8 v principu není omezen. Spojované roboty 1 až 3 mohou do stísněného prostoru 11 proniknout různými otvory mezi překážkami 13 v prostoru, jak je znázorněno na obr. 7, ale mohou také proniknout společně menším počtem otvorů. Lze tedy mít více robotů s rameny o menším průřezu, které proniknou více otvory do stísněného a omezeného prostoru, kde se pak spojí, a tak dosáhnou zvýšené tuhosti třeba jednoho tuhého ramene o velkém průřezu.

Na obr. 8 je podrobněji znázorněna kinematická struktura popisovaných robotů na obr. 1 až 7. Schémata robotů na obr. 1 až 7 lze chápat jen topologicky jako uspořádání ramen 12 spojených

-4CZ 35140 UI rotačními klouby 5, posuvnými vedeními 6 nebo sférickými klouby 22 (zde nezobrazeny) vedoucí od rámu 10 k úchopné hlavici 7. Tato schémata však znázorňují i podrobnější popis kinematické struktury. Na obr. 8 jsou znázorněny vedle sebe dvě schémata podpůrného robotu 1 z obr. 1 až 7. Vlevo je schéma z obr. 1 až 7 a vpravo je prostorový pohled na téhož robota. Na obr. 8 je znázorněn kartézský souřadnicový systém Oxyz, kde bod O a osy x a z leží v rovině obr. 8 a osa y je kolmá na rovinu obr. 8. Schéma robota 1 a 2 může představovat počáteční polohu robota ležící v rovině Oxz (přesněji osy symetrie jeho ramen a kloubů a posuvných vedení a úchopných a spojovacích hlavic leží v rovině Oxz), ze které se pak robot otáčením v rotačních kloubech 5, sférických kloubech 22 nebo posouváním v posuvných vedeních 6 přemísťuje mimo rovinu Oxz. Při této interpretaci lze obrázek číst tak, že značka užitá pro rotační klouby 5i jsou rotační klouby s osou rotace ležící v rovině Oxz a značka užitá pro rotační 5^jsou rotační klouby s osou rotace kolmou na rovinu Oxz tedy ve směru osy y v počáteční poloze. Prostorové schéma znázorňuje tuto interpretaci rotačních kloubů 5i a 52.

Tuto interpretaci lze užít na obr. 1 až 7, 9, 12 až 14, 28.

Roboty ale mohou být vůči rovině obrázků různě posunuty nebo natočeny.

Na obr. 9-11 je znázorněno, že pro operace ve stísněných prostorech 11 lze s výhodou užít kinematicky redundantní roboty. Kinematicky redundantní robot znamená robot, který má více stupňů volnosti, než je nezbytně nutné pro dosažení libovolné polohy a orientace koncového efektoru, což v rovině je 3 stupně volnosti a v prostoru 6 stupňů volnosti. Nadbytečné stupně volnosti jsou užity pro pohyblivost robota v omezených prostorech. To je zvláště výhodné pro pohyb ve stísněných prostorech 11 skrze průchody 37 nebo dokonce ztížené průchody. Jestliže některá část robota, která určuje nějakou jeho pohyblivost, vyžaduje pro pohyb následující části robota příliš velký prostor, pak zopakováním některých rotačních kloubů 5 nebo posuvných vedení 6 lze potřebný manipulační (pracovní) prostor omezit.

Konkrétně na obr. 9 jde o zopakování jen dvou rotačních kloubů 5. Na podpůrném robotu 1 je po prvních třech rotačních kloubech 5 od rámu 10 zopakován kloub 5 shodně jako druhý a třetí rotační kloub 5. Pro polohu a orientaci ramena 12 s posuvným vedením 6 to nehraje roh, ale dosažení této polohy a orientace lze dosáhnout v menším manipulačním prostoru pro první čtyři rotační klouby 5. Podobně je na konci ramene robota 1 zopakován kloub 5 tak, aby orientace manipulačního ramene 4 bylo možné měnit lokálně ve stísněném prostoru 11 a nebylo nutné ji odvozovat od natočení ramene 12 s posuvným vedením 6. Tento podpůrný robot 1 má sedm rotačních kloubů 5 a jedno posuvné vedení 6 pro celkových šest stupňů volnosti úchopné hlavice 7 v prostoru. Redundance dvou rotačních kloubů 5 mu umožňuje provádět pohyb v celkově menším manipulačním prostoru.

Konktrétně na obr. 10 je schematicky znázorněno rozsáhlé použití redundantních rotačních kloubů 5 nebo posuvných vedení 6 pro robota v analogii s pohyblivostí hada.

Na obr. 11 je schematicky znázorněno užití konceptu robota z obr. 10 pro proniknutí skrze průchody 37, které mohou být ztížené, do stísněného prostoru 11 nekonvexního typu, kdy orientace jednotlivých ramen 12 robota musí měnit výrazně směr.

Zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 je nutné rovněž v rozsáhlém prostoru.

Rozsáhlý prostor je prostor, který je větší než pracovní prostor běžného robota, který ho tak neobsáhne. Robot pro takové užití by musel být velký a těžký. Jiná možnost je přesunout menší robot na místo v rozsáhlém prostoru, kde se má vykonat požadovaná operace. Menší a pohyblivý robot má menší tuhost, ale toto lze zlepšit užitím více robotů a jejich fyzickým spojením v místě požadované operace.

-5CZ 35140 UI

Na obr. 12 až 14 je postupně zobrazen postup způsobu zvýšení tuhosti a přesnosti robota pro činnost v rozsáhlých prostorech 30. Do rozsáhlých prostorů je obtížné přemístit velké a tuhé zařízení, a tak přemístění více menších zařízení, která se v cílovém prostoru fýzicky spojí a provedou požadovanou operaci se zvýšenou tuhostí a přesností, je výhodné.

Na obr. 12 je schematicky znázorněna dvojice robotů 1 a 2 sériové kinematické struktury s manipulačními rameny 4, na jejichž konci jsou úchopné hlavice 7. Tyto roboty 1 a 2 jsou umístěny na pohyblivých vozících (platformách) 31 pohybujících se po rámu 10. Jejich upevnění k rámu 10 posléze zlepší zařízení 32 pro upevnění k podlaze (rámu 10). Příkladem vedle zabrzdění vozíků může být přísavka. Roboty 1 a 2 jsou upevněny na vozících 31, skládají se z ramen 12 propojených rotačními nebo sférickými klouby 5 nebo posuvnými vedeními 6. Roboty 1 a 2 jsou vně cílové polohy 33 požadované operace v rozsáhlém prostoru 30. Vozíky 31 s roboty 1 a 2 jsou přemísťovány do výchozí polohy 38 požadované operace v rozsáhlém prostoru 30. Výchozí poloha 38 v rozsáhlém prostoru 30 je taková, ze které k rámu 10 upevněný robot dosáhne do cílové polohy 33, tj. pracovní prostor robota ve výchozí poloze 38 v rozsáhlém prostoru 30 obsahuje cílovou polohu 33, kde se má provést požadovaná operace. Robot 2, jako pracovní robot, má na svém vozíku 31 umístěny spojovací hlavice 8 s různými nástroji 9.

Na obr. 13 se vozíky 31 s roboty 1 a 2 přemístily do výchozí polohy 38 v rozsáhlém prostoru 30. Přesněji oba roboty j. a 2 se přemístily do výchozí polohy 38 na rámu 10. Oba vozíky 31 jsou zabrzděny a upevněny k rámu 10 pomocí upevňovacího zařízení 32. Výchozí poloha 38 v rozsáhlém prostoru 30 pro robota 1 nebo 2 je taková, ze které k rámu 10 upevněný robot J. a 2 dosáhne do cílové polohy 33 požadované operace, tj. pracovní prostor robota 1 a 2 ve výchozí poloze 38 v rozsáhlém prostoru 30 obsahuje cílovou polohu 33. Pracovní robot 2 uchopí úchopnou hlavicí 7 vhodnou spojovací hlavicí 8 s nástrojem 9 a přemisťuje ji v rozsáhlém prostoru 30 do cílové polohy 33, kde má provést nástrojem 9 požadovanou operaci. Aby dosáhl potřebné tuhosti pro tuto operaci, tak se do cílové polohy 33 v rozsáhlém prostoru 30 přesouvá i úchopná hlavice 7 podpůrného robota 1.

Na obr. 14 podpůrný robot 1 dosáhl svojí úchopnou hlavicí 7 spojovací hlavici 8 nesenou pracovním robotem 2. Podpůrný robot 1 se svojí úchopnou hlavicí 7 spojil se spojovací hlavicí 8. Nyní je spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 nesena rameny 4 obou robotů 1 a 2. To je první krok ke zvýšení tuhosti nástroje 9 při požadované operaci. V principu dochází k součtu tuhostí manipulačních ramen 4 obou robotů 1 a 2. Zvýšení tuhosti nástroje 9 vede ke zvýšení přesnosti jeho pohybu při požadované operaci. To je dáno tím, že výchylka nástroje pod působící silou je menší právě díky vyšší tuhosti.

Způsob na obr. 12 až 14 spočívá v tom, že pracovní robot 2 připne do úchopné hlavice 7 spojovací hlavici 8 s nástrojem 9 a přemístí ji do cílové polohy 33 v rozsáhlém prostoru 30 a podpůrný robot 1 se do této cílové polohy 33 přemístí svoji úchopnou hlavici 7 z druhé strany. V cílové poloze 33 rozsáhlého prostoru 30 se přes spojovací hlavici 8 spojí úchopné hlavice 7 těchto robotů 1 a 2 a tímto fýzickým spojením dosáhnou zvýšené tuhosti a zlepšené přesnosti polohování pro vykonání požadované operace nástrojem 9. Důležité je, že fyzické spojení robotů pro dosažení zvýšené tuhosti a přesnosti lze tímto způsobem dosáhnout v rozsáhlém prostoru 30 bez velkých konstrukcí.

Na obr. 15 je schematicky znázorněn rozsáhlý prostor 30 s cílovou polohou 33 na objektu 39 pro vykonání požadované operace, třeba rozsáhlém stroji, na kterém je potřeba provést operaci například obrábění. Vozíky 31 s roboty 1 a 2 jsou z počáteční polohy přemístěny do výchozí polohy 38 s dosahem na cílovou polohu 33.

Stísněný prostor 11 se může také vyskytovat v cílové poloze 33 v rozsáhlém prostoru 30. A tak i v rozsáhlém prostoru 30, kdy jsou roboty 1 a 2 ve výchozí poloze 38 může dojít ke zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 při jejím průchodu průchodem 37, resp. ztíženým průchodem, do cílové polohy 33 ve stísněném prostoru 11, jak je popsáno u obr. 1 až 4.

-6CZ 35140 UI

Na obr. 16 je schematicky znázorněn pohon 14 rotace ramene 12. Pohon 14 je vybaven čidlem 15 pohonu a působí kroutícím momentem M na převodový hřídel 19 vybavený přídavným čidlem 16 pohybu ramene 12 o úhel φ na rotačním kloubu (na obr. 1 až 14 značen 5). K čidlu 16 pohybu ramene lze přídavně užít přídavné čidlo 17 deformace pohonu ramene. Vlastní rameno 12 může být vybaveno přídavným čidlem 18 deformace ramene. Tradičně je pohon 14 vybaven jen čidlem 15 pohonu. Pro zpřesnění určení pohybu ramene 12 se užije buď přídavné čidlo 16 pohybu ramene 12 nebo přídavné čidlo 17 deformace pohonu ramene. Větší část odchylky pohybu ramene 12 od odchylky měřené čidlem 15 pohonu je deformace pohonu ramene 12 měřená přídavnými čidly 16 a 17. Další část deformace je měřena přídavným čidlem 18 deformace ramene.

Na obr. 17 je schematicky znázorněn pohon 14 výsuvu 6 o vzdálenost s (na obr. 1 až 9, 12 až 14 jde ovýsuv ramene 12) pomocí pastorku. Pohon 14 je vybaven čidlem 15 pohonu a působí kroutícím momentem M na převodový hřídel 19 vybavený přídavným čidlem 16 pohybu výsuvu s posuvného vedení 6 pomocí pastorku. Místo čidla 16 výsuvu ramene 12 nebo přídavně k němu lze užít přídavné čidlo 17 deformace pohonu ramene 12. Vlastní posuvné vedení 6 může být vybaveno přídavným čidlem 18 deformace posuvného vedení 6. Tradičně je pohon 14 vybaven jen čidlem 15 pohonu. Pro zpřesnění určení pohybu posuvného vedení 6 se užije buď přídavné čidlo 16 pohybu posuvného vedení 6 pomocí pastorku nebo přídavné čidlo 17 deformace pohonu. Větší část odchylky výsuvu s pohybu měřeného čidlem 15 pohonu, je deformace pohonu výsuvu měřená přídavnými čidly 16 a 17. Další část deformace je měřena přídavným čidlem 18 deformace posuvného vedení 6.

Obdobně je uspořádáno měření a řízení posuvného vedení 6 ramene pomocí pohybového šroubu nebo jiného zařízení.

Na obr. 18 je schematicky znázorněn pohon 14 rotace ramene 12 pomocí řemenového nebo lanového převodu řemenem nebo lanem 20. Pohon 14 je vybaven čidlem 15 pohonu a působí kroutícím momentem M na převodový hřídel 19 převádějící pohyb pomocí řemenového nebo lanového převodu. Rotační pohyb ramene 12 je měřen přídavným čidlem 16 pohybu ramene 12 o úhel φ na rotačním kloubu (na obr. 1 až 14 značen 5). Místo čidla 16 pohybu ramene 12 nebo přídavně k němu lze užít přídavné čidlo 17 deformace pohonu ramene 12 na převodovém hřídeli 19 nebo na řemenu či lanu. Vlastní rameno 12 může být vybaveno přídavným čidlem 18 deformace ramene 12. Tradičně je pohon 14 vybaven jen čidlem 15 pohonu. Pro zpřesnění určení pohybu ramene 12 se užije buď přídavné čidlo 16 pohybu ramene 12, nebo přídavné čidlo 17 deformace pohonu. Větší část odchylky pohybu ramene 12 od pohybu měřeného čidlem 15 pohonu je deformace pohonu ramene měřená přídavnými čidly 16 a 17. Další část je měřena přídavným čidlem 18 deformace ramene 12.

Na obr. 19 je schematicky znázorněn pohon 14 vvsuvu o vzdálenost s (na obr. 1 až 9, 12 až 14 jde o výsuv ramene 12) pomocí řemenového nebo lanového převodu řemenem nebo lanem 20 na pastorek. Pohon 14 je vybaven čidlem 15 pohonu a působí kroutícím momentem M na převodový hřídel 19 převádějící pohyb pomocí řemenového nebo lanového převodu.

Výsuv s posuvného vedení 6 je měřen přídavným čidlem 16 pohybu posuvného vedení 6 pomocí pastorku pro výsuv s. Místo čidla 16 pohybu posuvného vedení 6 pomocí pastorku nebo přídavně k němu lze užít přídavné čidla 17 deformace pohonu ramene 12 na převodovém hřídeli 19 nebo na řemenu či lanu. Posuvné vedení 6 může být vybaven přídavným čidlem 18 deformace posuvného vedení 6. Tradičně je pohon 14 vybaven jen čidlem 15 pohonu. Pro zpřesnění určení pohybu výsuvu z posuvného vedení 6 se užije buď přídavné čidlo 16 pohybu pastorku, nebo přídavná čidla 17 deformace pohonu. Větší část odchylky pohybu ramene 12 od pohybu měřeného čidlem 15 pohonu je deformace pohonu ramene měřená přídavnými čidly 16 a 17. Další část deformace je měřena přídavným čidlem 18 deformace posuvného vedení 6.

-7 CZ 35140 UI

Na obr. 20 je schematicky znázorněna obdoba varianty pohonu rotace ramene 12 na obr. 18. Rozdíl jev tom, že zde je řemenový nebo lanový převod řemenem nebo lanem 20 realizován přes vložené kladky 23. Takováto obdoba je možná i pro variantu pohonu posuvného vedení 6 na obr. 19.

Na obr. 21 je schematicky znázorněna varianta pohonu rotace ramene 12 pomocí lanového převodu lanem 20. Na rotační rameno 12 otočné v rotačním kloubu 5 působí dvě lana 20 poháněná pohony 14. Protože lana 20 mohou působit jen tahem, tak musí být aspoň dvě a působit na rotační rameno 12 antagonisticky. Na obr. 21 je schematicky znázorněno vysunutí účinku působení lan 20 mimo osu ramen 12. aby jejich síla působila momentem v rotačním kloubu 5.

Na obr. 22 je schematicky znázorněna varianta pohonu výsuvu s posuvného vedení 6 pomocí lanového převodu lanem 20. Na výsuvu posuvného vedení 6 působí dvě lana 20 poháněná pohony 14. Protože lana 20 mohou působit jen tahem, tak musí být aspoň dvě a působit na výsuv posuvného vedení 6 antagonisticky. Jedno z lan musí působit přes vloženou kladku 23.

Na obr. 23 je schematicky znázorněn příklad tradičního počítačem ovládatelného provedení rozpojitelného spojení dvou těles, zde úchopné hlavice 7 se spojovací hlavicí 8 nesoucí nástroj 9. Uchopná hlavice 7 a spojovací hlavice 8 jsou opatřeny spojovacím zařízením 24. Spojovací zařízení 24 je dálkově ovládané řídícím počítačem robotů. Ovládání je například pneumatické, hydraulické, elektrické, magnetické a pracuje pomocí rozevření nebo sevření úchytů 25. Spojovací zařízení 24 je tradičně osově symetrické, ale ne rotačně symetrické, aby po spojení byla zajištěna jednoznačná vzájemná orientace úchopné hlavice 7 a spojovací hlavice 8.

Při spojování ve stísněném prostoru může být obtížné dosáhnout přesné vzájemné orientace úchopné hlavice 7 a spojovací hlavice 8 pro spojení spojovacím zařízením 24 bez rotační symetrie. Je třeba umožnit spojení úchopné hlavice 7 a spojovací hlavice 8 pod různým úhlem, který není předem definován. To je umožněno rotačně symetrickým spojovacím zařízením 24 podle obr. 24. Úchyt 25 je rotačně symetrický tvaru válce a je rotačně symetricky umístěn ve spojovacím zařízení 24. Jeho princip je opět rozevření nebo sevření úchytů 25. Toto spojení však neurčuje vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 kolem osy o rotační symetrie úchytu 25. Vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 se po spojení určí kalibrací pomocí redundantního měření při malých vzájemných pohybech pracovního robota 2 a podpůrného 1 robota, kde některé pohony jsou během měření vypnuty, uvolněny a jen měřena jejich poloha.

Na obr. 25 je schematicky další varianta rotačně symetrického spojovacího zařízení 24. Úchyt 25 je rotačně symetrický tvaru koule a je rotačně symetricky umístěn ve spojovacím zařízení 24. Jeho princip je opět rozevření nebo sevření úchytu 25. Toto spojení však neurčuje vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 kolem všech os procházejících středem koule úchytu 25. Tak je umožněno, že vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 není určeno v žádném ze tří úhlů popisujících vzájemnou orientaci. Po spojení se tyto tři úhly určí redundantním měřením podle popisu na obr. 24.

Na obr. 26 je schematicky další varianta rotačně symetrického spojovacího zařízení 24. Jeden úchyt 25 (vpravo) je rotačně symetrický tvaru koule a je rotačně symetricky umístěn ve spojovacím zařízení 24. Druhý úchyt 25 (vlevo) je tvořen třemi koulemi, jejichž středy neleží na společné přímce. Horní obrázek znázorňuje stav před spojením, kdy se úchyty k sobě přibližují. Dolní obrázek znázorňuje stav, kdy se všechny tři koule úchytu 25 (vlevo) dotkly koule úchytu 25 (vpravo) a došlo k jejich spojení. Princip spojení je magnetická síla působící na koule vyrobené z feromagnetického materiálu. Toto spojení však opět neurčuje vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 kolem všech os procházejících středem koule úchytu 25 (vpravo). Tak je umožněno, že vzájemné natočení úchopné hlavice 7 vůči spojovací hlavici 8 není určeno v žádném ze tří úhlů popisujících vzájemnou orientaci. Po spojení se tyto tři úhly určí redundantním měřením podle popisu na obr. 24.

-8CZ 35140 UI

Na obr. 27 je schematicky znázorněno jiné řešení spojení úchopné hlavice 7 se spojovací hlavicí 8 nesoucí nástroj 9. Spojení sice proběhne podle varianty na obr. 25, ale manipulační rameno 4 je spojeno s ramenem 12 robota rotačním kloubem 5, který není poháněn pohonem. Je tedy pohyblivý, ale jeho pohyblivost je vymezena torzní pružinou 26. Spojení podpůrného robota 1 s pracovním robotem 2 přes spojovací hlavici 8 nesoucí nástroj 9 není pevné ve smyslu pevného spojení úchopné hlavice 7 se spojovací hlavicí 8, ale jen omezující vzájemnou pohyblivost robotů 1 a2. Vdaném případě místo omezení pohyblivosti o šest stupňů volnosti, jde o omezení pohyblivosti o pět stupňů volnosti daných polohou středu rotačního kloubu 5 a dvěma rotacemi kolem os kolmých na osu rotačního kloubu 5. Místo rotačního kloubu 5 může být sférický kloub 22, pak omezení pohyblivosti je dáno jen polohou středu sférického kloubu.

Na obr. 28 je schematicky znázorněno jiné rozdělení rotačních kloubů 5 ve struktuře robotů. Zde je jeden rotační kloub 5 umístěn na konci manipulačního ramene 4 jako součást úchopné hlavice 7. Rotačních kloubů 5 v úchopné hlavici 7 může být více. Tak mohou být v úchopné hlavici 7, ale obdobně i ve spojovací hlavici 8 umístěny pohony. Spojovací hlavice 8 dále musí obsahovat pohony nástroje 9, je-li to třeba.

Na obr. 29 je schematicky znázorněna alternativa řešení z obr. 27 vycházející z varianty na obr. 28. Rotační kloub 5, který není poháněn pohonem, ale jen vymezen torzní pružinou 26, a je součást úchopné hlavice 7.

Na obr. 30 je schematicky znázorněn způsob navigace robotů 1 a 2 s vozíky 31 v rozsáhlém prostoru. Měření pohybu vozíků 31 jen z jejich pohybuje pro přesné určení výchozích poloh 38 robotů a tím i cílové polohy 33 nedostatečně přesné. Proto je užito redundantního měření pomocí laserového sledovače 34 a laserových odražečů 35. Laserový sledovač 34 vysílá laserový paprsek 36. který se od laserového odražeče 35 odráží a pomocí interferometru a úhlových vychylovacích servomechanismů umožňuje určit vzájemnou kartézskou polohu laserového sledovače 34 a laserových odražečů 35.

Na obr. 30 je pracovní robot 2 vybaven laserovým sledovačem 34 a podpůrný robot1 je vybaven třemi laserovými odražeči 35 neležícími na společné přímce. Dále jev rozsáhlém prostoru 30 na rámu 10 a na objektu 39 pro vykonání požadované operace, například na rozsáhlém stroji, rozmístěno mnoho laserových odražečů 35.

Nejdříve se pracovní robot 1 pohybuje v rozsáhlém prostoru 30 a v každé poloze měří laserovým sledovačem 34 svoji vzájemnou polohu ke všem dostupným laserovým odražečům 35. Tato měření jsou zpracována do informace o poloze všech laserových odražečů 35 umístěných na rámu 10 a na objektu 39 řešením přeurčených vazbových podmínek popisujících vzájemné polohy robotů, laserových sledovačů a laserových odražečů.

Pak se pracovní robot 2 přemísťuje v rozsáhlém prostoru 30 z počáteční polohy do výchozí polohy 38 a během pohybu určuje svoji polohu laserovým sledovačem 34 vůči všem dostupným laserovým odražečům 35 umístěných na rámu 10 a na objektu 39, nejméně však třem neležícím na společné přímce. Pracovní robot 2 pak také určuje polohu podpůrného robota 1 pomocí měření polohy laserových odražečů 35 laserovým sledovačem 34 na podpůrném robotu 1. Na podpůrném robotu 1 musí být umístěny aspoň tři laserové odražeče 35 neležící na společné přímce, aby se z jejich polohy vůči laserovému sledovači 34 na pracovním robotu 2 dala určit poloha a orientace podpůrného robota L Tím dojde k úplné navigaci přemístění obou robotů 1 a2 z počáteční polohy do výchozí polohy 38 s dosahem do cílové polohy 33 pro vykonání požadované operace. Navigace robotů 1 a 2 do cílové polohy 33 se pak určuje z polohy vlastních robotů 1 a 2 měřením jejich čidel pohonů a přídavných čidel vůči jejich výchozí poloze 38 určené měřením laserovým sledovačem 34·

I podpůrný robot 1 (tedy oba roboty 1 a 2) může být pro usnadnění a urychlení navigace vybaven laserovým sledovačem 34.

-9CZ 35140 UI

V uvedených příkladech provedení se úchopná hlavice 7 může spojit se spojovací hlavicí 8 různým způsobem. Může jít o mechanické výstupky a mechanické vzpříčení, vzepření nebo zachycení hydraulickou, pneumatickou, elektrickou nebo magnetickou silou. Může jít o kulové důlky s magnetickou upínkou, důlky s výstupky a magnetická upínka, důlky s výstupky a mechanické vzpříčení, vzepření, zachycení, zacvaknutí, prostá magnetická upínka a jiné.

Kalibrace spojení úchopné hlavice 7 se spojovací hlavicí 8 lze s výhodou provést tak, že při spojení s robotem 2 na obr. 1, je spojovací hlavice 8 s nástrojem 9 umístěna na základně robota 2 v kalibračním doku. Kalibrační dok je místo s přesně určenou polohou, které jednoznačně ustaví umístění úchopné hlavice 7 na robotu. Přesné ustavení úchopné hlavice 7 může být provedeno mechanickými otvory a výstupky nebo čidly. Další možností je, že po spojení obou robotů 1 a 2 se spojovací hlavicí 8 je tato spojovací hlavice 8 s výhodou znovu umístěna do svého kalibračního doku. Při umístění v kalibračním doku jsou na všech čidlech obou robotů odečteny polohy pro kalibraci úchopu spojovací hlavice.

Stísněný prostor je prostor, kam projde jen (jedno) štíhlé rameno robota se zmenšeným průřezem. Prostorově omezený prostor je prostor s překážkami nebo dalšími stísněnými průchody. Stísněný a prostorově omezený prostor nazýváme společně nedostupný prostor.

Popsané postupy užití spojování robotů ve stísněných a prostorově omezených prostorech se užije například pro chirurgické roboty nebo pro obrábění lopatek (například turbín nebo kompresorů) či kanálů. Popsané postupy užití spojování robotů v rozsáhlých prostorech se užije například pro obrábění velkých strojů, například železničních vagónů nebo letadel.

Je možné užít více spojovaných dvojic (skupin) robotů. Například chirurgické robotické zařízení má alespoň dvě dvojice spojovaných robotů, tedy jsou alespoň dvě spojovací hlavice, přičemž každá z nich nese samostatně nástroj a v těle pacienta kooperují alespoň dva nástroje.

Mluvíme o poloze a někdy o poloze a orientaci. V principu poloha tělesa obsahuje jak polohu nějakého jeho bodu, tak orientaci tělesa vůči souřadnicovému systému rámu. Pokud je třeba zdůraznit orientaci jako natočení tělesa v prostoru, tak o ní mluvíme explicitně.

Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice 8 robotu s nástrojem 9 podle tohoto technického řešení v nedostupných prostorech a v rozsáhlých prostorech, spočívající ve využití alespoň dvou robotů, lze využít samostatně v případě nedostupných prostorů nebo rozsáhlých prostorů nebo společně v případě kombinace rozsáhlého a nedostupného prostoru.

Sférické klouby 22 mohou být tvořeny rotačními klouby 5.

Rám 10 může být vedle země také tělo vesmírného tělesa, např. jiná planeta, raketa, družice, vesmírná stanice. Pohyb vozíků 31 po rámu 10 může představovat magnetická levitace a zařízení 32 pro upevnění k rámu 10 magnetická upínka.

Všechny popsané varianty se mohou různě kombinovat. Roboty jsou řízeny počítačem.

Claims (6)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem při obrábění v nedostupném prostoru nebo rozsáhlém prostoru, obsahující alespoň dva roboty (1, 2) sériové nebo paralelní kinematické struktury opatřené úchopnou hlavici (7) pro spojení se spojovací hlavicí (8) s pracovním nástrojem (9), kde jednotlivá ramena (12) robotů (1,2) jsou spolu spojena rotačními nebo sférickými klouby (5) a/nebo posuvnými vedeními (6), vyznačené tím, že spojovací hlavice (8) je opatřena alespoň dvěma úchyty (25) pro spojení s úchyty (25) úchopné hlavice (7) alespoň dvou robotů (1, 2) a alespoň jeden z robotů (1, 2) je štíhlé konstrukce.
2. 2. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem podle nároku 1, vyznačené tím, že manipulační rameno (4) alespoň jednoho z robotů (1, 2) je kinematicky redundantní, obsahující více rotačních kloubů (5) nebo posuvných vedení (6) než šest.
3. 3. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem podle nároku 1 nebo 2, vyznačené tím, že alespoň jeden z robotů (1, 2) je vybaven buď laserovým sledovačem (34), nebo aspoň třemi laserovými odražeči (35).
4. 4. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem podle nároků 1 až 3, vyznačené tím, že úchyty (25) pro spojení spojovací hlavice (8) s úchopnou hlavicí (7) robotů (1, 2) na straně spojovací hlavice (8) a na straně úchopné hlavice (7) jsou rotačně symetrické, nebo obsahují rotační klouby nebo posuvná vedení bez pohonů.
5. 5. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem podle nároků 1 až 3, vyznačené tím, že alespoň jeden z robotů (1, 2) je opatřen alespoň jedním přídavným čidlem představovaným čidlem (16) pohybu ramene (4) na rotačním kloubu (5) nebo posuvném vedení (6), nebo čidlem (17) deformace pohonu ramene (4) nebo čidlem (18) deformace ramene (4).
6. 6. Zařízení pro zvýšení tuhosti spojovací hlavice s nástrojem podle nároků 1 až 3, vyznačené tím, že aspoň jeden robot je umístěn na pohyblivém vozíku (31) opatřeném zařízením (32) pro upevnění k rámu (10).