RU146552U1 - Антропоморфный манипулятор - Google Patents

Abstract

Антропоморфный манипулятор, содержащий исполнительное и задающее устройства, выполненные с возможностью закрепления соответственно на основании и корпусе оператора, и приборы для замера относительного движения звеньев задающего устройства, при этом задающее устройство выполнено по схеме, включающей плечо, предплечье и кисть, причем на предплечье размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, а плечо образовано двумя звеньями с возможностью соединения первого из них с корпусом оператора через универсальный шарнир, а второго - с предплечьем, отличающийся тем, что звенья, образующие плечо задающего устройства, соединены между собой цилиндрической парой, при этом второе звено соединено с предплечьем через вращательную пару, ось которой соосна оси локтевого сустава оператора.

Description

Полезная модель относится к робототехнике и может быть использована при создании антропоморфных манипуляторов с дистанционным управлением копирующего типа.

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).

Недостатком известного решения является сложность конструкции в силу избыточного количества звеньев - элементов шарнирно-рычажных механизмов и кинематических пар.

Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели является копирующий манипулятор (см. ПМ РФ №135956, B25J 3/00). В соответствии с известным решением антропоморфный манипулятор, содержит 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, на предплечье задающего устройства размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, при этом 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, а оси карданов и поступательная пара оснащены приборами замера относительного движения звеньев.

Недостатком известного устройства является сложность в реализации отдельных узлов. В частности, размещение кардана в зоне соединения с предплечьем оператора требует дополнительного пространства. Это увеличивает габариты задающего устройства и ограничивает возможности работы оператора, особенно при наличии препятствий в окружающем его рабочем пространстве. Техническая реализация поступательной пары так же сопряжена с оснащением дополнительными элементами, или же использования специальных профилей, обеспечивающих реализацию только поступательного движения между звеньями, образующими плечо.

Техническая задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в упрощении конструкции задающего устройства.

Техническая задача решается тем, что в известном манипуляторе, содержащем исполнительное и задающее устройства, реализованных с возможностью закрепления соответственно на основании и корпусе оператора, задающее устройство, выполненное по схеме, включающей плечо, предплечье, кисть, на предплечье размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, плечо образовано двумя звеньями, с возможностью соединения первого из них с корпусом оператора через универсальный (карданный) шарнир, а второго с предплечьем, приборы для замера относительного движения звеньев задающего устройства, при этом звенья, образующие плечо, соединены между собой цилиндрической парой, второе звено соединяется с предплечьем через вращательную пару, ось которой соосна оси локтевого сустава оператора.

На фиг.1 представлены кинематические схемы задающего и исполнительного устройств.

Антропоморфный 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. Основание 10 и звенья 7, 8 и 9 соединены между собой кинематическими парами 11…15. Кинематическая пара 11 образована основанием 10 и звеном 7 и обеспечивает движение типа ротация с углом α_1И. Кинематическая пара 12, обеспечивает поворот на угол β_1И вокруг оси перпендикулярной звену 7. Кинематическая пара 13 образована звеном 7 и дополнительным звеном 16 и обеспечивает движение типа ротация с углом α_2И. В совокупности три кинематические пары обеспечивают движение по трем обобщенным координатам аналогичное тому, что реализовано в суставе 17, соединяющем плечо 18 и корпус 19, и являющимся сферической парой. При этом положение плеча в пространстве определяется углами γ_x, γ_y, γ_z.

Плечо задающего устройства 1 образовано двумя подвижными звеньями 4 и 5. Звено 4 выполнено с возможностью соединения с корпусом оператора 19 универсальным (карданным) шарниром 20. Положение звена 4, относительно корпуса 19, определяется двумя углами относительного поворота: β₁₃, β₂₃. Звено 5 соединяется со звеном 4 цилиндрической парой 21, допускающей вращательное и поступательное (вдоль оси вращения) движения, определяемые соответственно обобщенными координатами α_2И и h. Звенья 5 и 6 соединены между собой вращательной парой 22. Движение в ней характеризуется координатой β₃₃. При этом ось вращения вращательной пары 22 - β₃₃, соосна оси локтевого сустава 23 - γ_лок. Звено 6 через ложемент 24 соединяется с предплечьем 25.

Все кинематические пары 20, 21, 22 задающего устройства 1 оснащены приборами для замера относительного движения звеньев (на фиг.1 условно не показаны) и регистрации значений обобщенных координат β₁₃ и β₂₃ - универсальный шарнир 20, α_2И и h - цилиндрическая пара 21, β₃₃ - вращательная пара 22. Выполнение плеча задающего устройства 1 в виде двух звеньев 4 и 5 с образованием цилиндрической пары 21 и соединение с основанием через универсальный (карданный) шарнир 20, предплечьем через вращательную пару 22, обеспечивает пространственную ориентацию звена 6. При этом звенья задающего устройства 1 не ограничивают движения плеча 18 и предплечья 25 оператора. Сохраняется полная свобода движений руки оператора. Соосность оси вращательной пары 22 с осью локтевого сустава 23 совместно с соединением предплечья 6, задающего устройства 1 с предплечьем оператора 25 через ложемент 24 обеспечивает равенство углов γ_лок=β_3З.

Соединение звеньев 4 и 5 цилиндрической парой 21 позволяет конструктивно исключить использование дополнительных деталей. Например, звено 4 выполняется в виде охватывающей детали с цилиндрическим отверстием, в котором перемещается поступательно и вращается звено 5 цилиндрической формы. Уменьшение количества деталей, входящих в состав задающего устройства 1, обеспечивает упрощение его конструкции.

Вращательная пара 22 имеет небольшие габариты, в силу того, что имеет только одну ось вращения. При этом реализует только движение звена 5 в плоскости, параллельной плоскости движения плеча 18 и отсутствует движение в плоскости его пересекающей. Это позволяет размещать звенья 4, 5 и 6 задающего устройства 1, в непосредственной близости с рукой оператора. Как следствие, при размещении на руке оператора задающего устройства 1, незначительно увеличиваются ее естественные габариты. Это позволяет реализовывать управляющие движения антропоморфным манипулятором при наличии в непосредственной близости с рукой оператора внешних объектов.

Задающее устройство 1 кинематически связано с рукой оператора и имеет с ним общее звено - предплечье 25, пространственное положение которого определяется параметрами β_1З, β_2З, β_3З, h с одной стороны и углами поворота γ_x, γ_y, γ_z, γ_лок в плечевом суставе 17. При этом γ_лок=β_3З, а три угла поворота γ_x, γ_y, γ_z, определяющие положение плеча оператора 17, вычисляются через замеренные величины: β_1З, β_2З, β_3З, h. Это позволяет определять абсолютные значения углов поворота в суставе 17 с точностью, совпадающей с точностью замера приборами относительного движения звеньев 4, 5 и 6.

Антропоморфный манипулятор работает следующим образом.

При необходимости задать управляющие сигналы для выполнения движений в кинематических парах 11, 12, 13 и 14 исполнительного устройства 2 оператор выполняет повороты в движении в суставе 17 и 23.

При этом поворот предплечья 25 обеспечивает поворот ложемента 24 и вращение во вращательной паре 22 на угол β_3З. В силу соосности оси вращательной пары 22 и оси поворота в суставе 23 обеспечивается равенство углов γ_лок=β_3З. При этом приборы замера угла поворота размещенное во вращательной паре 22 обеспечивают фиксацию угла β_3З, а следовательно, и угла поворота предплечья 25 относительно плеча 18 - γ_лок. Далее управляющий сигнал используется для формирования движения в кинематической паре 14 исполнительного устройства 2.

Структурная схема задающего механизма 1, в силу выполнения плеча в виде соединенных цилиндрической пары 21 звеньев 4 и 5 и соединения звена 5 со звеном 6 через вращательную пару, обеспечивает число степеней подвижности равное 4. За счет этого рука оператора имеет возможность свободно выполнять движения, не ограничиваемые задающим устройством 1. Движение руки оператора сопровождается поворотами в кинематической паре 20 - измерение величин углов β_1З и β_2З, движением в цилиндрической паре 21 - изменение величины β_2З и h, поворотом во вращательной паре 22 - измерение величины угла β_3З. Т.к. все кинематические пары 20, 21, 22 оснащены приборами замера относительного движения звеньев их образующих, то обеспечивается фиксация величин β₁₃, β₂₃, β₃₃, h. По их численным значениям углы поворота в плечевом суставе 17: γ_x, γ_y, γ_z

Значения углов поворота γ_x, γ_y, γ_z, плеча оператора 18 и предплечья 25 являются достаточными для задания соответствующих углов поворота α_1И, α_2И, β_1И исполнительного механизма 2.

В силу свободного движения руки оператора, замер величин β₁₃, β₂₃, β₃₃, h определяется только точностью приборов, т.е. обеспечивается получение информации, достаточной для управления движением исполнительного устройства 2: α_1И, α_2И, β_1И.

Таким образом, заявляемый антропоморфный манипулятор обладает более простой конструкцией, размещается в непосредственной близости с рукой оператора, не ограничивает ее движения и обеспечивает формирование управляющих сигналов, необходимых для функционирования исполнительного устройства, за счет определения через задающее устройство значений углов поворота в плечевом 17 и локтевом 23 суставах оператора.

Claims (1)

1. Антропоморфный манипулятор, содержащий исполнительное и задающее устройства, выполненные с возможностью закрепления соответственно на основании и корпусе оператора, и приборы для замера относительного движения звеньев задающего устройства, при этом задающее устройство выполнено по схеме, включающей плечо, предплечье и кисть, причем на предплечье размещен ложемент для соединения его с предплечьем оператора, а плечо образовано двумя звеньями с возможностью соединения первого из них с корпусом оператора через универсальный шарнир, а второго - с предплечьем, отличающийся тем, что звенья, образующие плечо задающего устройства, соединены между собой цилиндрической парой, при этом второе звено соединено с предплечьем через вращательную пару, ось которой соосна оси локтевого сустава оператора.

   

Images