RU222567U1 - Мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области робототехники и может быть использована при обработке крупногабаритных объектов. Устройство содержит мобильное шасси, выполненное с возможностью перемещения в рабочей зоне, робот-манипулятор, на котором закреплен обрабатывающий инструмент для обработки поверхности объекта, две платформы, одна из которых жестко связана с мобильным шасси, а вторая, на которой жестко установлен робот-манипулятор, соединена с платформой шасси с помощью размещенных между ними четырех регулируемых по высоте винтовых электрических механизмов, при этом на углах платформы шасси размещены четыре опорных узла с опорными элементами, выполненными с возможностью ручного перемещения, и винтовыми механизмами, обеспечивающими устойчивое положение платформы шасси при обработке объекта на нежесткой грунтовой поверхности. При этом робот-манипулятор выполнен с возможностью перемещения обрабатывающего инструмента в процессе обработки, опорные узлы выполнены поворотными, а упомянутые винтовые электрические механизмы выполнены с возможностью автоматического управления положением платформы робота-манипулятора относительно платформы шасси с обеспечением стабилизации пространственного положения платформы робота-манипулятора при изменении положения платформы шасси. Использование полезной модели позволяет повысить точность и качество обработки крупногабаритных объектов, в том числе, в полевых условиях. 3 ил.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к роботехнических устройствам для обработки крупногабаритных объектов, в том числе в полевых условиях, и может быть использована для утилизационной резки, сварки, обработки поверхности, очистки и нанесения покрытий при ремонтно-восстановительных работах деталей и узлов с использованием различных, в том числе лазерных, технологий.

Уровень техники

Известен мобильный робототехнический комплекс (патент RU 2364500 С2, дата публикации 20.08.2009), включающий мобильный робот, пост дистанционного управления, комплект дополнительного оборудования, причем мобильный робот представляет собой самоходное транспортное средство с электроприводом движителя и бортовыми источниками питания, на котором смонтированы система дистанционной связи с постом дистанционного управления, бортовая телевизионная система, которая включает отдельные видео блоки, расположенные на звеньях многостепенного манипулятора и на корпусе транспортного средства, причем каждый видео блок содержит видеокамеру, заключенную в защитный кожух с источниками подсветки, и по меньшей мере один из видео блоков, выполняющий обзорные функции, расположен на рабочем органе привода индивидуального наведения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, при этом на транспортном средстве укреплены манипулятор с захватным устройством и его приводы, система сигнализации, разъемы для подключения бортового, сервисного оборудования и зарядного устройства, кронштейны для укрепления бортового оборудования и бортовая система диагностики с бортовыми пультами управления и устройствами индикации дополнительно снабжен выносной системой видеонаблюдения. Мобильный робот дополнительно включает устройство доставки выносной системы видеонаблюдения в заданную точку местности и ее оперативного развертывания, а комплект дополнительного оборудования - раздвижную телескопическую штангу-удлинитель, с узлом вертикального крепления ее в кормовой части транспортного средства мобильного робота на одном конце и узлом крепления привода наведения видео блока, выполняющего обзорные функции, на другом конце.

Недостатком известного мобильного робототехнического комплекса является его узкая функциональная направленность, выраженная в решении только задачи размещения систем видеонаблюдения на местности.

Известен автоматизированный лазерный технологический комплекс (заявка RU 94004622/08, дата публикации 10.04.1996) преимущественно для резки объемных крупногабаритных конструкций сложного профиля, содержащий технологический лазер, оптический манипулятор, обеспечивающий перемещение лазерного пучка по двум координатам вертикальной плоскости, состоящий из опорно-поворотного устройства, плеча и предплечья с встроенной конструкцией оптико-механического тракта в виде набора ромб-призм и резака, устройства охлаждения технологического лазера и зеркал, устройства подачи сжатого газа в зону резки, устройства электропитания, системы управления комплексом и вспомогательных систем жизнеобеспечения комплекса. Комплекс размещен на подвижном носителе, снабженном опорным устройством, а резак снабжен приводом продольного перемещения в горизонтальном направлении, датчиками положения и угла, выключателями, между опорно-поворотным устройством и плечом установлен первый оптический шарнир с приводом, между плечом и предплечьем установлен второй оптический шарнир со своим приводом, при этом первая ромб-призма и вторая ромб-призма установлены в шарнирные подвески, устройство охлаждения лазера и зеркал дополнительно снабжено теплообменником "жидкость-жидкость".

Недостатками известного комплекса являются возможность обработки поверхности перемещением рабочего инструмента (лазерного пучка) только в вертикальной плоскости, а также конструктивное решение, направленное на выполнение только одной операции - утилизационной резки крупногабаритных объектов, что существенно ограничивает область его применения.

В качестве наиболее близкого аналога выбрано известное устройство автоматизированной обработки поверхности профилированного большого конструктивного элемента (патент RU 2647407 С2, дата публикации 15.03.2018), ориентированное на выполнение операции шлифования лопасти ветроэнергетической установки. Известное устройство автоматизированной обработки поверхности профилированного большого конструктивного элемента содержит подвижный портал, систему робототехники с управляющей системой и обрабатывающий инструмент рабочей головки, причем подвижный портал выполнен в виде подвижной тележки или мобильного шасси, выполненного с возможностью перемещения в рабочей зоне без механического ограничения вдоль профилированной поверхности профилированного конструктивного элемента. Система робототехники содержит приводимую в действие между мобильным шасси и обрабатывающим инструментом подающую робототехнику, с помощью которой обеспечивается возможность подачи обрабатывающего инструмента поперек профилированной поверхности профилированного конструктивного элемента. Управляющая система выполнена с возможностью выполнения движения перемещения мобильного шасси и движения подачи подающей робототехники в соответствии с моделью профилированной поверхности профилированного конструктивного элемента. Обрабатывающее устройство выполнено с возможностью проверки износа обрабатывающего инструмента.

Недостатками известного устройства является отсутствие системы стабилизации углового положения подвижной тележки при ее перемещение в процессе выполнения операции, которое при наличии неровностей на поверхности перемещения или ее низкой твердости при работе в полевых условиях (грунтовая поверхность) вызовет нежелательные колебания рабочего инструмента и невозможность обеспечения необходимой точности обработки для выполнения механической или лазерной операций. Кроме этого, опорная база тележки, определяемая расположением ее колес, существенно ограничивает совокупную длину звеньев исполнительной кинематической цепи манипулятора подающей робототехники из условия устойчивости его положения и обуславливает значительные по величине переменные нагрузки на опорные поверхности колес. Эти нагрузки могут вызвать недопустимые угловые перемещения тележки при работе подающей робототехники в процессе обработки крупногабаритного объекта в полевых условиях на грунтовой поверхности, в которых более предпочтительной является обработка объекта участками, предложенная в патенте (RU 2623632, дата публикации 28.06.2017), только с помощью подающей робототехники при неподвижной тележке в процессе обработки одного участка и последовательном ее перемещении на следующие участки для обработки всего объекта.

Указанные недостатки значительно снижают точность выполнения операций механической или лазерной операций при движении тележки по неровной поверхности и практически исключают возможность использования известного технического решения при выполнении ремонтно-восстановительных работ в полевых условиях на грунтовой поверхности.

Сущность полезной модели

Задача, решаемая настоящей полезной моделью, состоит в расширении эксплуатационных и технологических возможностей мобильного роботизированного оборудования для обработки крупногабаритных объемных объектов на месте их расположения с заданной точностью в недетерминированных, в том числе полевых, условиях.

В ходе решения поставленной задачи, достигается следующий технический результат: повышение точности и качества обработки крупногабаритных объектов мобильным роботизированным оборудованием за счет обеспечения стабильности положения рабочего инструмента при непрерывном движении мобильного средства перемещения роботизированного оборудования (робота-манипулятора) в процессе работы вдоль обрабатываемой поверхности, а также при обработке крупногабаритных объектов участками при неподвижном положении мобильного шасси в процессе обработки одного участка.

Дополнительный технический результат состоит в повышении устойчивости и жесткости неподвижного положения мобильного шасси на нежесткой, например, грунтовой поверхности при работе в полевых условиях.

Дополнительный технический результат состоит также в расширении области применения.

Указанный технический результат достигается тем, что мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов содержит мобильное шасси, выполненное с возможностью перемещения в рабочей зоне, робот-манипулятор, на котором закреплен обрабатывающий инструмент для обработки поверхности объекта, робот-манипулятор выполнен с возможностью перемещения обрабатывающего инструмента в процессе обработки, устройство содержит две платформы, одна из которых платформа шасси жестко связана с мобильным шасси и вторая платформа робота-манипулятора, на которой жестко установлен робот-манипулятор и которая соединена с платформой шасси с помощью размещенных между ними четырех регулируемых по высоте винтовых электрических механизмов, обеспечивающих стабилизацию пространственного положения платформы робота-манипулятора при изменении положения платформы шасси и выполненных с возможностью автоматического управления положением платформы робота-манипулятора относительно платформы шасси.

Указанный технический результат достигается также тем, что на углах платформы шасси размещены четыре поворотные или выдвижные опоры тележки с опорными элементами и винтовыми механизмами, выполненными с возможностью ручного перемещения опорных элементов, с помощью которых обеспечивается возможность создания устойчивого и жесткого положения платформы шасси при обработке объекта на нежесткой грунтовой поверхности.

Отличительной особенностью настоящей полезной модели является размещение двух связанных между собой платформ одна из которых установлена на шасси мобильного шасси, а на другой расположено основание манипулятора и выполненных с возможностью стабилизации пространственного углового положения платформы основания манипулятора при изменении положения платформы шасси с помощью размещенных между ними четырех винтовых электромеханизмов, расположенных на углах платформ и выполненных с возможностью автоматического управления положением платформы основания манипулятора относительно платформы шасси, а также размещение на углах платформы шасси поворотных или выдвижных опор мобильного шасси с опорными узлом и винтовыми механизмами, выполненными с возможностью ручного перемещения опорных элементов.

Перечень фигур чертежей

На фиг. 1 представлен вид мобильного устройства для обработки крупногабаритных объектов.

На фиг. 2 представлен вариант конструктивного исполнения винтового электромеханизма.

На фиг. 3 представлен вариант конструктивного исполнения опорного узла для нижней платформы с винтовым механизмом.

Осуществление полезной модели

Подавляющее большинство операций при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных объектов, например, очистка поверхности и наплавка изношенных ковшов и других деталей карьерного оборудования горнодобывающей промышленности; очистка, наплавка и сварка при ремонтно-восстановительных работах крупногабаритных деталей и узлов подъемно-транспортного оборудования на месте его эксплуатации; механическая обработка и наплавка изношенных рабочих кромок лопаток крупных паровых турбин без их разлопачивания; утилизационная резка, например, корпусов судов осуществляется вручную с применением средств механизации непосредственно на месте их расположения. При этом обработка крупногабаритного объекта должна выполняться с требуемой точностью в условиях его практически недетерминированного пространственного положения. Задача автоматизированной обработки крупногабаритных объектов с требуемой точностью, в том числе в полевых условиях может быть решена с использованием мобильного робототехнического комплекса, мобильное шасси которого в процессе выполнения операции должна перемещаться часто по неровной и не твердой (грунтовой) поверхности или базироваться на ней при обработке крупногабаритного объекта участками. Требуемую точность и качество обработки при нестабильном положении мобильного шасси можно обеспечить путем измерения ее текущего положения в некоторой инерциальной системе координат и введения корректирующих воздействий в траекторию движения рабочего инструмента и его положения относительно объекта обработки. Однако это потребует сложной измерительной системы, сложных алгоритмов вычисления корректирующих воздействий на управляющие сигналы для приводов подающей робототехники в реальном масштабе времени и может привести к нежелательным колебательным процессам входе выполнения операции. Поскольку в общем случае мобильное шасси может смещаться по всем шести координатам декартовой системы, реализация обозначенного выше решения потребует большого количества степеней подвижности манипулятора подающей робототехники.

Для обеспечения требуемой точности и качества обработки крупногабаритных объектов в мобильном робототехническом устройстве предлагается реализовать систему стабилизации положения основания подающей робототехники (робота-манипулятора) относительно мобильного шасси и обеспечить высокую устойчивость и жесткость неподвижного положения мобильного шасси на нежесткой, например, грунтовой поверхности при работе в полевых условиях.

Мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов, показанное на Фиг. 1, содержит подвижный портал, выполненный в виде подвижной тележки или мобильного шасси 6, манипулятор 3 с основанием 11 и рабочий инструмент 5 (например, оптическую головку или малогабаритный лазер, воздействующий на объект обработки лучом 4). Рабочий инструмент 5 выполняет обработку объекта 1, разделенного на участки с условными границами 2. При этом положение платформы 8 мобильного шасси 6 фиксируется четырьмя выдвижными или поворотными опорами 10, а положение платформы 7 основания манипулятора 11 относительно регулируется управляемыми электромеханизмами поступательного перемещения 9 с использованием, например, гироскопов.

Вариант конструктивного исполнения одного из каждых четырех винтовых электромеханизмов стабилизации положения платформы 7 основания манипулятора 11 относительно платформы 8 мобильного шасси 6 приведен на Фиг. 2.

Электромеханизм имеет в своем составе передачу гайка -винт, например, шариковую, в которой винт 13 шарнирно соединен с платформой 7 основания манипулятора с помощью шарового шарнира 14 с корпусом 15. Корпус 15 имеет основание 12 для прикрепления к платформе 7. Гайка 16 передачи гайка-винт с жестко закрепленным на ней ротором 17 электродвигателя, например, синхронного, установлена в радиально - упорных подшипниках 18, которые закреплены в корпусе 19 электромеханизма. В корпусе 19 также размещен статор электродвигателя 20 и закреплен вставленный в отверстие 21 винта 13 неподвижный круглый стержень 22, в котором установлена призматическая шпонка 23 с возможностью перемещения по шпоночному пазу 24 и предотвращения поворота винта 13 вокруг его продольной оси при вращении гайки 16. Нижняя часть корпуса 19 с помощью шарового шарнира 25, закрепленного на опоре 26, и замыкающей пластины 27 подвижно соединена с платформой мобильного шасси 8. При этом для обеспечения необходимой подвижности и предотвращения поворота корпуса 19 вокруг продольной оси при работе электродвигателя в замыкающей пластине 27 размещен палец 28 с возможностью перемещения по пазу 29, выполненному в шаровом шарнире 25. Для измерения расстояния между платформой основания манипулятора 7 и платформой мобильного шасси 8 и их относительного перемещения в процессе стабилизации платформы 7 относительно платформы 8 по оси передачи гайка - винт в электромеханизме установлен датчик, например, цифровой оптический, линейка 30 которого закреплена на корпусе 19, а считывающая головка 31 установлена на винте 13.

Вариант конструктивного исполнения одного опорного узла для нижней платформы с винтовым механизмом приведен на Фиг. 3.

Опорный узел с винтовым механизмом, установленный на конце корпуса 32 поворотной или выдвижной опоры 10 (см. Фиг. 1), содержит винт 33 с трапецеидальной упорной резьбой и возможностью вращения вокруг оси в бронзовой гайки 34, запрессованной в корпус 32, за квадратный участок 35, расположенный в верхней части винта 33. В нижней части винта 33 с помощью стопорного кольца 36 закреплен упорный подшипник 37, расположенный в корпусе 38 и зафиксированный крышкой 39. Корпус 38 жестко связан с шаровым шарниром 40, установленным в опоре 41, соединенной с опорной пластиной 42.

Работа мобильного роботизированного устройства для обработки крупногабаритных объектов осуществляется следующим образом. Перед выполнением операции обработки осуществляется оценка твердости поверхности на выбранной позиции (позициях) установки мобильного шасси с принятием решения о необходимости использования поворотных опор 10 (см.Фиг. 1) путем расчета возможных угловых перемещений платформой мобильного шасси 8 при перемещениях рабочего инструмента 5 в процессе выполнения операции и сравнения их с допустимыми значениями. Мобильное шасси 6 размещается на выбранной позиции и при необходимости вручную устанавливаются поворотные опоры 10 вращением винтов 35 поступательно перемещаемых в гайке 32, изображенных на Фиг. 3. После этого включается система автоматического управления положением, например, стабилизации в горизонтальной плоскости платформы основания манипулятора 7 относительно платформой мобильного шасси 8. Для этого четыре электромеханизма 9 осуществляют необходимые перемещения для стабилизации положения платформы основания манипулятора 7 относительно платформой мобильного шасси 8 с управлением от контроллера по сигналам с датчиков, например, двух взаимно ортогональных гироскопов, расположенных на поверхности верхней платформы (на Фиг. 1 не показаны). Перемещения платформы основания манипулятора 7 относительно платформой мобильного шасси 8 электромеханизмами по варианту на Фиг. 2 производятся за счет поступательного перемещения винта 13 передачи гайка - винт относительно корпуса 19 при вращении ротора 17 электродвигателя, жестко связанного с гайкой 16, относительно статора 20 электродвигателя. Расстояния и величины перемещения между платформой основания манипулятора 7 и платформой мобильного шасси 8 по оси передач винт-гайка измеряются датчиком 30, 31, осуществляющим обратную связь в приводах. Кроме этого сигналы с указанных датчиков поступают в систему управления работой подающей робототехники для осуществления коррекции траектории движения манипулятора 3 и рабочего инструмента 5, запрограммированной в координатах с центром на оси основания подающей робототехники при заданном стабилизированном положении платформы основания манипулятора 7, смещающемся при выполнении стабилизирующих перемещений.

Система стабилизации положения основания подающей робототехники относительно мобильного шасси и поворотные опоры, повышающие устойчивость и жесткость неподвижного положения мобильного шасси, расширяет эксплуатационные и технологические возможности мобильного роботизированного оборудования и обеспечивают требуемую точность и качество обработки крупногабаритных объектов мобильным робототехническим устройством на нежесткой и неровной, например, грунтовой поверхности при работе в полевых условиях.

Все элементы конструкции образуют конструктивно-функциональное единство и являются устройством.

Claims (1)

1. Мобильное устройство для обработки крупногабаритных объектов, содержащее мобильное шасси, выполненное с возможностью перемещения в рабочей зоне, робот-манипулятор, на котором закреплен обрабатывающий инструмент для обработки поверхности объекта, две платформы, одна из которых жестко связана с мобильным шасси, а вторая, на которой жестко установлен робот-манипулятор, соединена с платформой шасси с помощью размещенных между ними четырех регулируемых по высоте винтовых электрических механизмов, при этом на углах платформы шасси размещены четыре опорных узла мобильного шасси с опорными элементами, выполненными с возможностью ручного перемещения, и винтовыми механизмами, обеспечивающими устойчивое положение платформы шасси при обработке объекта на нежесткой грунтовой поверхности, причем робот-манипулятор выполнен с возможностью перемещения обрабатывающего инструмента в процессе обработки, отличающееся тем, что опорные узлы выполнены поворотными, а упомянутые винтовые электрические механизмы выполнены с возможностью автоматического управления положением платформы робота-манипулятора относительно платформы шасси с обеспечением стабилизации пространственного положения платформы робота-манипулятора при изменении положения платформы шасси.