RU135956U1

RU135956U1 - COPYING MANIPULATOR

Info

Publication number: RU135956U1
Application number: RU2013122162/02U
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Богданов; Иван Геннадьевич Жиденко; Дмитрий Владимирович Кияткин; Ильдар Мухаметович Кутлубаев; Александр Фаритович Пермяков
Priority date: 2013-05-14
Filing date: 2013-05-14
Publication date: 2013-12-27

Abstract

Копирующий манипулятор, содержащий задающее и исполнительное устройства, выполненные с возможностью закрепления соответственно на корпусе оператора и основании, и выполненные по схеме, включающей плечо, предплечье, кисть, соединенные между собой вращательными парами, при этом на предплечье задающего устройства размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, отличающийся тем, что плечо задающего устройства выполнено в виде двух звеньев, соединенных между собой поступательной парой и с возможностью соединения с корпусом и предплечьем оператора через карданы, причем одна из осей кардана, предназначенная для соединения с предплечьем, соосна оси вращательной пары плечо-предплечье, при этом оси карданов и поступательная пара оснащены приборами замера относительного движения звеньев.A copy manipulator containing a master and an actuator, adapted to be fixed on the operator’s body and base, respectively, and made according to a scheme comprising a shoulder, a forearm, a brush connected by rotational pairs, while a lodgement is placed on the forearm of the master device to connect it to operator forearm, characterized in that the shoulder of the master device is made in the form of two links interconnected by a translational pair and with the possibility of connection with the housing forearm of the operator through the universal joints, one of cardan axles are designed for connection with the forearm, is coaxial with rotational axis, a pair of shoulder forearm, the cardan axis and translational measuring instruments are equipped with a pair of relative motion units.

Description

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании манипуляторов с дистанционным управлением.The utility model relates to robotics and can be used to create manipulators with remote control.

Известен задающий орган манипулятора, содержащий основание, ложемент под локоть оператора, и рукоятку для кисти, при этом ложемент и рукоятка между собой и основанием кинематически связаны рычажно-шарнирным механизмом с возвратными пружинами, а каждый механизм представляет собой рычаг с двумя взаимно перпендикулярными шарнирами. Ложемент, кроме того, дополнительно соединен с основанием шарнирным параллелограммом (см. а.с. СССР №1546248, B25J 3/04).Known is the master arm of the manipulator, which contains a base, a lodgement for the operator’s elbow, and a handle for the brush, while the lodgement and the handle are kinematically connected with the spring by the lever-hinge mechanism and return springs, and each mechanism is a lever with two mutually perpendicular hinges. The lodgement, in addition, is additionally connected to the base by a hinged parallelogram (see AS USSR No. 1546248, B25J 3/04).

Недостатком известного решения является сложность конструкции в силу избыточного количества звеньев - элементов шарнирно-рычажных механизмов и кинематических пар.A disadvantage of the known solution is the design complexity due to the excessive number of links - elements of articulated link mechanisms and kinematic pairs.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является копирующий манипулятор (см. а.с. СССР №1646842, B25J 3/00). В соответствии с известным решением, манипулятор содержит задающий и исполнительный органы, закрепленные на основании, и выполнен по единой схеме, состоящей из трех звеньев: плеча, предплечья и кисти, которые соединены между собой посредством промежуточных элементов, имеющих универсальные шарниры. При этом на задающем органе расположен ложемент для руки оператора, отличающийся тем, что он снабжен пружиной растяжения, установленной между основанием и плечом задающего органа, а ложемент расположен на предплечье и имеет U образную форму.The closest analogue to the claimed utility model is a copy manipulator (see USSR AS No. 1646842, B25J 3/00). In accordance with the known solution, the manipulator contains a master and an actuator, mounted on the base, and is made according to a single scheme consisting of three links: a shoulder, a forearm and a brush, which are interconnected by means of intermediate elements having universal joints. At the same time, a lodgement for the operator’s hand is located on the driver’s body, characterized in that it has a tension spring installed between the base and the shoulder of the driver’s body, and the tool tray is located on the forearm and has a U shape.

Недостатком известного устройства является неточность определения углов поворота плеча оператора задающим устройством и, как результат, ненадежность работы исполнительного устройства. Это обусловлено тем, что одна из осей универсального шарнира задающего устройства не соосна оси сустава, соединяющей плечо оператора с корпусом. В результате углы поворота по этой оси, задаваемые оператором, не совпадают с углами поворота задающего устройства. Имеет место расхождение между углом поворота плеча оператора и формируемым сигналом на поворот плечевого звена исполнительного устройства. Кроме того универсальный шарнир смещен относительно сустава, соединяющего плечо оператора с корпусом, что так же ведет к расхождению углов поворота в плечевом шарнире оператора и задающем устройстве. Плечевой сустав оператора имеет три степени подвижности, а задающее устройство способно «считывать только» два угла поворота, что не позволяет сформировать управляющие сигналы в полном объеме, в частности нет угла ротации. Перечисленные особенности известного решения ведут к тому, что задающее устройство формирует управляющие сигналы с искажением величин углов поворота руки оператора. Задающее устройство не обеспечивает точного формирования управляющих сигналов исполнительному устройству и не обеспечивает точности его работы.A disadvantage of the known device is the inaccuracy of determining the angles of rotation of the shoulder of the operator of the master device and, as a result, the unreliability of the actuator. This is due to the fact that one of the axes of the universal hinge of the driver is not aligned with the axis of the joint connecting the operator’s shoulder to the body. As a result, the rotation angles on this axis, set by the operator, do not coincide with the rotation angles of the master. There is a discrepancy between the angle of rotation of the shoulder of the operator and the generated signal to rotate the shoulder link of the actuator. In addition, the universal joint is offset relative to the joint connecting the operator’s shoulder with the body, which also leads to a divergence of the rotation angles in the operator’s shoulder joint and the driver. The shoulder joint of the operator has three degrees of mobility, and the master device is able to “read only” two rotation angles, which does not allow generating control signals in full, in particular there is no rotation angle. The listed features of the known solution lead to the fact that the master device generates control signals with distortion of the values of the rotation angles of the operator's hand. The master device does not provide accurate formation of control signals to the actuator and does not ensure the accuracy of its operation.

Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении точности работы исполнительного устройства, за счет формирования задающим устройством значений углов поворота, совпадающих с плечом оператора.The technical problem to which the utility model is directed is to increase the accuracy of the actuator, by forming the angles of rotation that match the operator’s shoulder by the master.

Техническая задача решается тем, что в известном копирующем манипуляторе, содержащем задающее и исполнительное устройства, закрепленные соответственно на корпусе оператора и основании, выполненные по схеме, включающей: плечо, предплечье кисть, соединенные между собой вращательными парами, при этом на предплечье задающего устройства размещен ложемент, соединяющий его с предплечьем оператора, плечо задающего устройства выполнено в виде двух звеньев соединенных между собой поступательной парой, а с корпусом и предплечьем оператора через карданы, причем одна из осей кардана соединяющего с предплечьем соосна оси вращательной пары плечо предплечье. Кроме того, оси карданов и поступательная пара оснащены приборами замера относительного движения.The technical problem is solved in that in the well-known copying manipulator, containing the master and actuator, mounted respectively on the operator’s body and base, made according to the scheme, including: shoulder, forearm, brush, interconnected by rotational pairs, while the lodgement is placed on the forearm of the master connecting it with the forearm of the operator, the shoulder of the driver is made in the form of two links interconnected by a translational pair, and with the body and forearm of the operator through Cardan shafts, wherein one of the axes of the universal joint connecting the forearm is coaxial with the rotational axis of the pair of shoulder arm. In addition, the cardan axes and the translational pair are equipped with relative motion measuring devices.

На фиг. 1 представлены кинематические схемы задающего устройства, установленного на операторе и исполнительного устройства.In FIG. 1 shows the kinematic diagrams of a driver installed on an operator and an actuator.

Копирующий манипулятор содержит: задающее устройство 1 (фиг. 1) и исполнительное устройство 2. Задающее устройство 1 имеет подвижные звенья 4, 5 и 6. Исполнительное устройство 2 включает в себя звенья: плечо 7, предплечье 8, кисть 9 и закреплено на основании 10. Звенья 7, 8 и 9 соединены между собой кинематическими парами 11, 12 и 14. Кинематическая пара 11 образована основанием 10 и звеном 7 и обеспечивает движение типа ротация α_И1. Кинематическая пара 12, обеспечивает движение типа качание β_1И. Кинематическая пара 13 образована звеном 7 и дополнительным звеном 15 и обеспечивает движение типа ротация α_1И. В совокупности три кинематические пары обеспечивают движение по трем обобщенным координатам аналогичное тому, что реализовано в суставе 16, соединяющем плечо 17 и корпус 18, и являющегося шаровым шарниром. При этом положение плеча в пространстве определяется углами γ_x, γ_y, γ_z.The copy manipulator contains: a driver 1 (Fig. 1) and an actuator 2. The driver 1 has movable links 4, 5 and 6. The actuator 2 includes links: a shoulder 7, a forearm 8, a brush 9 and is fixed to the base 10 The links 7, 8 and 9 are interconnected by kinematic pairs 11, 12 and 14. The kinematic pair 11 is formed by the base 10 and link 7 and provides movement of the type of rotation α _I1 . Kinematic pair 12, provides movement type rocking β _1I . The kinematic pair 13 is formed by a link 7 and an additional link 15 and provides a rotation type movement α _1I . In total, three kinematic pairs provide movement along three generalized coordinates similar to that implemented in the joint 16 connecting the shoulder 17 and the housing 18, which is a ball joint. The position of the shoulder in space is determined by the angles γ _x , γ _y , γ _z .

Кинематическая пара 14, образована дополнительным звеном 15 и звеном 8.Kinematic pair 14, formed by an additional link 15 and link 8.

Подвижное звено 4, задающего устройства 1, соединено с корпусом оператора 18 вращательной кинематической парой IV класса 19 (типа кардан). Положение звена 4, относительно корпуса 18, определяется двумя углами относительного поворота: β_1З, β_1З. Звено 5 соединяется со звеном 4 поступательной парой 20. Звенья 5 и 6 соединены между собой вращательной кинематической парой IV (типа кардан) - 21. Поворот звена 6 относительно звена 5 определяется углами β_3З, β_4З. При этом ось вращения по углу β_4З соосна углу поворота в суставе 22, соединяющем плечо оператора 17 и предплечье 23. Звено 6 через ложемент 24 соединяется с предплечьем 23.The movable link 4, the driving device 1, is connected to the body of the operator 18 by a rotational kinematic pair of IV class 19 (type of cardan). The position of the link 4, relative to the housing 18, is determined by two angles of relative rotation: β _1З , β _1З . Link 5 is connected to link 4 by a translational pair 20. Links 5 and 6 are interconnected by a rotational kinematic pair IV (cardan type) - 21. The rotation of link 6 relative to link 5 is determined by angles β _3З , β _4З . In this case, the axis of rotation in the angle β _{4З is} coaxial to the angle of rotation in the joint 22 connecting the shoulder of the operator 17 and the forearm 23. Link 6 through the lodgement 24 is connected to the forearm 23.

Кинематическая пара 19 оснащена приборами (на фиг. условно не показаны), регистрирующими величину угла поворота β_1З и β_2З, в качестве которых могут быть использованы: потенциометры, оптические энкодеры и др. В поступательной паре 20 установлены прибор (на фиг. условно не показаны), обеспечивающие замер относительного движения звена 5 вдоль звена 4 - h.Kinematic pair 19 is equipped with devices (not shown conditionally in Fig.) _That record the angle of rotation β _1З and β _2З , which can be used as: potentiometers, optical encoders, etc. A device is installed in the translational pair 20 (fig. shown), providing measurements of the relative motion of link 5 along link 4 - h.

Выполнение плеча задающего устройства 1 в виде двух звеньев 4 и 5, соединенных между собой поступательной парой 20, а с основанием и предплечьем через вращательные пары (карданы) 20 и 21, обеспечивает пространственную ориентацию ложемента 24. При этом звенья задающего устройства не ограничивают движения плеча 17 и предплечья 23 оператора. Сохраняется полная свобода движений руки оператора. Соосность оси кардана 21 с углом поворота с осью вращательной пары плечо-предплечье обеспечивает равенство углов γ_ПР.=β_4З·The implementation of the shoulder of the driver 1 in the form of two links 4 and 5, interconnected by a translational pair 20, and with the base and forearm through rotational pairs (cardans) 20 and 21, provides spatial orientation of the tool tray 24. Moreover, the driver links do not limit the movement of the shoulder 17 and forearm 23 operator. Full freedom of movement of the operator’s hand is maintained. The alignment of the axis of the universal joint 21 with the angle of rotation with the axis of the rotational pair of the shoulder-forearm ensures equality of angles γ _PR. = β _4З

При этом наличие поступательной пары 20 и вращательных пар 19 и 21 позволяет точно замерять величины относительного движения: углы относительного поворота β_1З и β_2З, h. Задающее устройство 1 кинематически связано с рукой оператора и имеет с ним общее звено - предплечье 23, пространственное положение которого определяется параметрами β_1З, β_2З, h, β_4З с одной стороны и углами поворота в плечевом суставе 16: γ_x, γ_y, γ_z, γ_ПР. При этом γ_ПР.=β_4Зб а три угла поворота, определяющие положение плеча оператора 17: γ_x, γ_y, γ_z, вычисляются через замеренные величины β_1З, β_2З, h. Это позволяет определять абсолютные значения углов поворота в суставе 16 с точностью, совпадающей с точностью замера приборами относительного движения, установленными в кинематических парах 19, 20 и 21.Moreover, the presence of a translational pair 20 and rotational pairs 19 and 21 allows you to accurately measure the relative motion: the angles of relative rotation β _1З and β _2З , h. The master device 1 is kinematically connected with the operator’s hand and has a common link with it - the forearm 23, the spatial position of which is determined by the parameters β _1З , β _2З , h, β _4З on one side and the rotation angles in the shoulder joint 16: γ _x , γ _y , γ _z , γ _PR. In this case, γ _PR . = Β _4З b and three rotation angles that determine the position of the shoulder of the operator 17: γ _x, γ _y , γ _z , are calculated through the measured values β _1З , β _2З , h. This allows you to determine the absolute values of the rotation angles in the joint 16 with an accuracy that coincides with the accuracy of measurement with relative motion instruments installed in the kinematic pairs 19, 20 and 21.

Копирующий манипулятор работает следующим образом.Copy manipulator works as follows.

При необходимости задать управляющие сигналы для выполнения движений в кинематических парах исполнительного устройства 2: 11, 12, 13 и 14, оператор выполняет повороты в движении в суставе 22 и 16.If necessary, set control signals to perform movements in the kinematic pairs of the actuator 2: 11, 12, 13 and 14, the operator performs rotations in motion in the joint 22 and 16.

При этом поворот предплечья 23 обеспечивает поворот ложемента 24 в кардане 21, а именно поворот вокруг оси по углу β_4З. В силу соосности оси кардана 21 и оси поворота в суставе 22 обеспечивается равенство углов γ_ПР.=β_4З. При этом устройство фиксации угла поворота, размещенное в кардане 21, обеспечивает замер угла β_4З, а следовательно, и угла поворота предплечья 23 относительно плеча 17 - γ_ПР. Управляющий сигнал при полной линейной зависимости с углом поворота предплечья передается двигателю, формирующему движение в кинематической паре 14 исполнительного устройства 2.In this case, the rotation of the forearm 23 provides the rotation of the lodgement 24 in the cardan 21, namely, rotation around the axis along the angle β _4З . Due to the alignment of the axis of the cardan 21 and the axis of rotation in the joint 22, the equality of the angles γ _PR. = β _4З . Moreover, the device for fixing the angle of rotation, located in the cardan 21, provides a measurement of the angle β _4З , and therefore the angle of rotation of the forearm 23 relative to the shoulder 17 - γ _PR . The control signal with a full linear relationship with the angle of rotation of the forearm is transmitted to the engine, which forms the movement in the kinematic pair 14 of the actuator 2.

Поворот в суставе 22 приводит к движению в задающем устройстве 1, в силу соединения его с корпусом оператора 18 через вращательную пары 19 и предплечьем 23, через звено 6. Структурная схема задающего механизма 1, в силу выполнения плеча в виде двух звеньев 4 и 5 и соединения их карданами 19, 21 соответственно с корпусом 18 и звеном 6, обеспечивает число степеней подвижности равное 4. В связи с этим рука оператора имеет возможность свободно выполнять движения, не ограничиваемые задающим устройством 1. Движение в задающем устройстве 1 сопровождается поворотами в кинематической паре 19 (изменение величин углов β_1З, β_2З), поворотом в кинематической паре 21 (изменение величины угла β_3З) и движением в поступательной паре 20 (изменение величины h). Т.к. все кинематические пары 19, 20, 21 оснащены приборами фиксации относительного движения, обеспечивается фиксация величин β_1З, β_2З, β_3З, h. Их численные значения соответствуют углам поворота в суставе 16: γ_x, γ_y, γ_z, что позволяет определить их численные значения по замеренным параметрам относительного движения.The rotation in the joint 22 leads to movement in the master device 1, due to its connection with the operator’s body 18 through the rotational pair 19 and the forearm 23, through the link 6. The structural diagram of the master mechanism 1, due to the implementation of the shoulder in the form of two links 4 and 5 and connecting them with cardans 19, 21, respectively, with the housing 18 and link 6, provides a number of degrees of mobility equal to 4. In this regard, the operator’s hand is able to freely perform movements that are not limited to the setting device 1. The movement in the setting device 1 is accompanied by a turn by the kinematic pair 19 (change in the angles β _1З , β _2З ), rotation in the kinematic pair 21 (change in the angle β _3З ) and movement in the translational pair 20 (change in h). Because all kinematic pairs 19, 20, 21 are equipped with instruments for fixing relative motion, the values of β _1З , β _2З , β _3З , h are _fixed . Their numerical values correspond to the rotation angles in the joint 16: γ _x , γ _y , γ _z , which allows us to determine their numerical values from the measured parameters of relative motion.

Значения углов поворота плеча оператора 17 и предплечья 23: γ_x, γ_y, γ_z, являются достаточными для задания соответствующих углов поворота исполнительного механизма 2: α_1И, α_2И, β_1И.The values of the rotation angles of the shoulder of the operator 17 and forearm 23: γ _x , γ _y , γ _z , are sufficient to set the corresponding rotation angles of the actuator 2: α _1И , α _2И , β _1И .

В силу свободного движения руки оператора замер величин β_1З, β_2З, β_3З, h определяется только точностью приборов, т.е. обеспечивается требуемое значение, достаточное для формирования управляющих движений обеспечивающих поворот звеньев исполнительного устройства 2: α_1И, α_2И, β_1И.Due to the free movement of the operator’s hand, the measurement of β _1З , β _2З , β _3З , h is determined only by the accuracy of the instruments, i.e. provides the required value sufficient for the formation of control movements providing rotation of the links of the actuator 2: α _1I , α _2I , β _1I .

Таким образом, заявляемый копирующий манипулятор, обеспечивает повышение точности работы исполнительного устройства за счет определения через задающее устройство абсолютных значений углов поворота в плечевом 16 и локтевом 22 суставах оператора.Thus, the inventive copy manipulator, improves the accuracy of the actuator by determining through the master device the absolute values of the rotation angles in the shoulder 16 and elbow 22 joints of the operator.

Claims

A copy manipulator containing a master and an actuator, adapted to be fixed respectively to the operator’s body and base, and made according to a scheme including a shoulder, a forearm, a brush connected by rotational pairs, while a lodgement is placed on the forearm of the master device to connect it to operator forearm, characterized in that the shoulder of the driver is made in the form of two links interconnected by a translational pair and with the possibility of connection with the housing forearm of the operator through the universal joints, one of cardan axles are designed for connection with the forearm, is coaxial with rotational axis, a pair of shoulder forearm, the cardan axis and translational measuring instruments are equipped with a pair of relative motion units.