RU2156687C2

RU2156687C2 - Manipulator hinged joint

Info

Publication number: RU2156687C2
Application number: RU95118328A
Authority: RU
Inventors: А.В. Вовк; Е.П. Баснев
Original assignee: Вовк Анатолий Васильевич; Баснев Евгений Петрович
Priority date: 1995-10-25
Filing date: 1995-10-25
Publication date: 2000-09-27

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: toothed rims interacting with each other are positioned on driving and driven members of manipulator. Carriers are mounted on axles of driving and driven members. Roller coupled to driving system of manipulator by flexible tie-rod is installed on driving member axle for free turning. In addition, auxiliary rollers embraced by closed circular flexible tie-rod are positioned on axles of driving and driven members. Flexible tie-rod is fixed to driven member and roller coupled to driving system of manipulator. EFFECT: enhanced rigidity, enlarged gear ratio. 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для использования в манипуляторах и роботах. The invention relates to mechanical engineering and is intended for use in manipulators and robots.

В патенте США 3481494, НКИ 414 -1 представлен манипулятор с одноосным шарнирным узлом. In US patent 3481494, NKI 414 -1 presents a manipulator with a uniaxial articulated node.

Двухосный шарнир используется в манипуляторе, известном из патента США N 3314552. Двухосный шарнир организует передачу транзитных гибких тяг без взаимовлияния степеней свободы манипулятора. В известной конструкции двухосный шарнир передает большой крутящий момент за счет зубчатой передачи от шестерни, связанной с роликом приводной системы, к зубчатому сектору, связанному с ведомым звеном. A biaxial joint is used in a manipulator known from US Pat. No. 3314552. A biaxial joint organizes the transfer of transit flexible rods without interfering with the degrees of freedom of the manipulator. In a known construction, a biaxial joint transmits a large torque due to the gear transmission from the gear associated with the roller of the drive system, to the gear sector associated with the driven link.

Недостатками известной конструкции являются большие габариты, т.к. зубчатый сектор ведомого звена выходит за габариты звена. Выступающий сектор ведомого звена усложняет установку защитного чехла. При уменьшении радиуса зубчатого сектора уменьшается передаточное отношение по моменту от ролика приводной системы к ведомому эвену и соответственно увеличиваются усилия на гибких тягах, что отрицательно сказывается на жесткости манипулятора. Зазоры в зубчатой передаче образуют угловой люфт шарнирного звена, а попадание посторонних предметов в зацепление зубчатой передачи уменьшает надежность. The disadvantages of the known design are large dimensions, because the gear sector of the driven link extends beyond the dimensions of the link. The protruding slave sector complicates the installation of a protective cover. With a decrease in the radius of the gear sector, the gear ratio in time from the roller of the drive system to the driven Even decreases and accordingly the effort on the flexible rods increases, which negatively affects the rigidity of the manipulator. The gaps in the gear train form an angular play of the articulated link, and the ingress of foreign objects into the gear mesh reduces the reliability.

За прототип принят манипулятор по авт.св. SU 1115898, МКИ B 25 J 3/02. Манипулятор состоит из приводов, приводной системы на гибких тягах и подвижных звеньев, соединенных шарнирными узлами. The prototype adopted a manipulator for auth. SU 1115898, MKI B 25 J 3/02. The manipulator consists of drives, a drive system with flexible rods and movable links connected by articulated units.

Шарнирный узел манипулятора, принятый за прототип, содержит ролик приводной системы, который расположен на оси ведущего звена и жестко связан с водилом, соединяющим оси ведущего и ведомого звеньев. Взаимодействие ведущего и ведомого звеньев между собой осуществлено при помощи зубчатых венцов. Ролик ведущего звена взаимодействует через гибкую тягу с приводной системой манипулятора. Гибкая тяга состоит из двух ветвей, соединенных между собой элементами связи, выполненными в виде зубьев звездочки для цепной передачи или в виде шарика, скрепляющего концы ветвей тяги. Ветви гибкой тяги охватывают ролик по полупериметру и закреплены на нем путем, например, установки шарика в ложементе, выполненном на ролике. Передаточное отношение по углу от ролика к ведомому звену равно 2 (при условии, что передаточное отношение между зубчатыми венцами ведущего и ведомого звеньев равно 1). Соответственно передаточное отношение по моменту (без учета трения) между роликом и ведомым звеном равно 0,5. The hinge node of the manipulator, adopted as a prototype, contains a drive system roller, which is located on the axis of the drive link and is rigidly connected to the carrier connecting the axes of the drive and driven links. The interaction of the leading and driven links between each other is carried out using gear rims. The drive roller interacts through a flexible traction with the manipulator drive system. Flexible traction consists of two branches interconnected by communication elements made in the form of sprocket teeth for chain transmission or in the form of a ball fastening the ends of the traction branches. The branches of flexible traction cover the roller along the semi-perimeter and are fixed on it by, for example, installing a ball in a tool tray made on the roller. The gear ratio in the angle from the roller to the driven link is 2 (provided that the gear ratio between the gear rims of the driving and driven links is 1). Accordingly, the torque ratio (excluding friction) between the roller and the driven link is 0.5.

Известный манипулятор имеет следующие недостатки. Малое передаточное отношение (0,5) приводит к возникновению в тросе большого усилия, для компенсации которого приводится увеличивать диаметр троса и (или) диаметр ролика. Из-за этого возрастают габариты и масса манипулятора. Кроме того, жесткость манипулятора в значительной степени зависит от жесткости троса, осей, на которых размещены транзитные ролики тросовой передачи, и нагрузок на них. Увеличение нагрузок на эти и другие элементы приводит к потере жесткости манипулятора в целом. Это большой недостаток для копирующего манипулятора. В случав электромеханического манипулятора возникает увеличение опасности автоколебательных процессов и усложнение системы управления. Кроме того, передача момента через водило, жестко связанное с приводным роликом, приводит к тому, что водило работает на изгиб и, следовательно, является силовым элементом, которое должно быть достаточно массивным, чтобы обеспечить требуемые прочность и жесткость. Это увеличивает размеры и массу самого водила и инжирного узла в целом. Known manipulator has the following disadvantages. A small gear ratio (0.5) leads to a large force in the cable, to compensate for which it is necessary to increase the diameter of the cable and (or) the diameter of the roller. Because of this, the dimensions and weight of the manipulator increase. In addition, the rigidity of the manipulator largely depends on the rigidity of the cable, the axes on which the transit rollers of the cable transmission are located, and the loads on them. An increase in the loads on these and other elements leads to a loss of rigidity of the manipulator as a whole. This is a big drawback for the copy manipulator. In the case of an electromechanical manipulator, there is an increase in the danger of self-oscillating processes and a complication of the control system. In addition, the transmission of torque through the carrier, rigidly connected with the drive roller, leads to the fact that the carrier operates in bending and, therefore, is a power element that must be massive enough to provide the required strength and stiffness. This increases the size and weight of the carrier itself and the fig assembly as a whole.

Отмеченные недостатки не позволяют использовать манипулятор в условиях космической техники, в частности в условиях орбитального полета, из-за малого передаточного числа, малой жесткости, больших габаритов и массы. The noted drawbacks do not allow the use of the manipulator in space technology, in particular in the conditions of orbital flight, due to the small gear ratio, low stiffness, large dimensions and mass.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является устранение указанных недостатков, а именно увеличение передаточного отношения и жесткости шарнирного узла. The technical result of the invention is to eliminate these drawbacks, namely an increase in gear ratio and rigidity of the hinge assembly.

Достижение технического результата осуществляется за счет того, что шарнирный узел манипулятора содержит зубчатые венцы ведущего и ведомого звеньев, водила, установленные на осях ведущего и ведомого звеньев, ролик, который расположен на оси ведущего звена и взаимодействует через гибкую тягу с приводной системой манипулятора, а также элемент связи ветвей гибкой тяги. The achievement of the technical result is due to the fact that the hinge assembly of the manipulator contains gears of the driving and driven links, the carrier mounted on the axes of the driving and driven links, a roller that is located on the axis of the driving link and interacts through a flexible rod with the drive system of the manipulator, and element of connection of branches of flexible traction.

В шарнирный узел введены дополнительные ролики, один из которых установлен на оси ведущего звена, а другой расположен на оси ведомого звена. При этом дополнительные ролики охвачены замкнутой кольцевой гибкой тягой, имеющей неподвижную связь с роликом и с ведомым звеном. Additional rollers are introduced into the hinge assembly, one of which is mounted on the axis of the driving link, and the other is located on the axis of the driven link. In this case, additional rollers are covered by a closed annular flexible rod having a fixed connection with the roller and with the driven link.

Сущность изобретении поясняется чертежами, где
на фиг. 1 - шарнирный узел в сборе;
на фиг. 2, 3 - общий и "взорванный" виды шарнирного узла в аксонометрии.The invention is illustrated by drawings, where
in FIG. 1 - hinge assembly;
in FIG. 2, 3 - general and “blown up” types of hinge assembly in axonometry.

Шарнирный узел манипулятора состоит из ведущего звена 1 и ведомого звена 2, взаимодействующих между собой при помощи зубчатых венцов 3 и 4. Звенья связаны между собой двумя водилами 5, расположенными на оси 6 ведущего звена и оси 7 ведомого звена. На оси 6 ведущего звена 1 расположен ролик 8 с возможностью свободного поворота. The hinge assembly of the manipulator consists of a leading link 1 and a driven link 2, interacting with each other using gear rims 3 and 4. The links are connected by two carriers 5 located on the axis 6 of the driving link and the axis 7 of the driven link. On the axis 6 of the driving link 1 is a roller 8 with the possibility of free rotation.

В шарнирный узел ведены вновь дополнительные ролики 9 и 10. Ролик 9 установлен на оси 7 и выполнен зацело с ведомым эвеном 2. Ролик 10 расположен на оси 6 ведущего звена 1. Диаметр ролика 8 больше, чем диаметр ролика 10. За счет разности диаметров образуется ступенчатое соединение этих двух роликов. Дополнительные ролики 9 и 10 охвачены замкнутой кольцевой гибкой тягой 11, имеющей неподвижную связь с роликом 8 и с ведомым звеном 2. Обеспечение неподвижной связи может быть выполнено конструктивно по-разному. Например, кольцевая гибкая тяга 11 может быть выполнена в виде цепи, а ролик 10 - звездочкой, жестко закрепленной на ролике 8. Ролик 9 при этом может быть как звездочкой, жестко закрепленной на ведомом звене 2, так и цилиндрическим роликом. Во втором случае кольцевая тяга должна иметь фиксацию к ведомому звену в точке "A". Ролик 8 охвачен гибкой тягой 12, "сбегающие" с ролика 8 ветви гибкой тяги взаимодействуют с приводной системой манипулятора. Additional rollers 9 and 10 are again driven into the hinge assembly. The roller 9 is mounted on the axis 7 and is made integrally with the driven Even 2. The roller 10 is located on the axis 6 of the driving link 1. The diameter of the roller 8 is larger than the diameter of the roller 10. Due to the difference in diameters step connection of these two rollers. Additional rollers 9 and 10 are covered by a closed annular flexible rod 11 having a fixed connection with the roller 8 and with the driven link 2. Providing a fixed connection can be performed constructively in different ways. For example, the annular flexible rod 11 can be made in the form of a chain, and the roller 10 - with an asterisk rigidly attached to the roller 8. The roller 9 can be either an asterisk rigidly attached to the driven link 2, and a cylindrical roller. In the second case, the ring rod should have a fixation to the driven link at point "A". The roller 8 is covered by a flexible rod 12, branches of the flexible rod "running away" from the roller 8 interact with the drive system of the manipulator.

При работе шарнирного узла, когда движение шарнирному узлу передается от приводной системы манипулятора, разность сил натяжения (P₁-P₂) гибкой тяги 12 на ролике 8 передается на ролик 10. За счет неподвижной связи между кольцевой тягой 11, роликом 8 и ведомым звеном 2 разность сил натяжения передается на ролик 9, и на ведомом звене 2 создается крутящей момент.During operation of the hinge unit, when the movement of the hinge unit is transmitted from the drive system of the manipulator, the difference in the tension forces (P ₁ -P ₂ ) of the flexible rod 12 on the roller 8 is transmitted to the roller 10. Due to the fixed connection between the ring rod 11, the roller 8 and the driven link 2, the difference in the tension forces is transmitted to the roller 9, and a torque is created on the driven link 2.

Момент М на ведомом звене выражается формулой
M=(P₁-P₂)•R₈•R₉/R₁₀,
где (P₁ - P₂) - разность сил натяжения ветви 12 тяги,
R₈ - радиус ролика 8,
R₉ - радиус ролика 9,
R₁₀ - радиус ролика 10.The moment M on the driven link is expressed by the formula
M = (P ₁ -P ₂ ) • R ₈ • R ₉ / R ₁₀ ,
where (P ₁ - P ₂ ) is the difference between the tension forces of the branch 12 of the thrust,
R ₈ is the radius of the roller 8,
R ₉ is the radius of the roller 9,
R ₁₀ is the radius of the roller 10.

Из формулы видно, что момент на ведомом звене 2 зависит от радиуса ролика 8 и отношения радиусов дополнительных роликов 9 и 10. При увеличении диаметров рожков 8 и 9 и уменьшении диаметра ролика 10 происходит резкое увеличение передаточного отношения по моменту и уменьшение натяжения троса, а следовательно, увеличивается жесткость шарнирного узла и манипулятора в целом. It can be seen from the formula that the moment at the driven link 2 depends on the radius of the roller 8 and the ratio of the radii of the additional rollers 9 and 10. With an increase in the diameters of the horns 8 and 9 and a decrease in the diameter of the roller 10, a sharp increase in the gear ratio in time and a decrease in the cable tension occurs, and therefore increases the rigidity of the hinge assembly and the manipulator as a whole.

Claims

Swivel assembly of a manipulator having a drive system and driving and driven links with axes, containing gears made on driving and driven links and arranged to interact, carrier mounted on the axes of the driving and driven links, a roller placed on the axis of the driving link and connected by means of flexible traction with the drive system of the manipulator, and communication elements of flexible traction, characterized in that it is equipped with two additional rollers and a closed ring flexible traction enveloping them, while one of additional rollers are mounted on the axis of the driven link, a second additional roller is placed on the axis of the driving link, the roller associated with the drive system of the manipulator is mounted on the axis of the driving link with the possibility of free rotation, and a closed annular flexible rod is fixedly connected to the driven link and the roller associated with manipulator drive system.