RU2737323C1

RU2737323C1 - Polyspast drive of movable hinge elements and gripper of robot arm

Info

Publication number: RU2737323C1
Application number: RU2019123686A
Authority: RU
Inventors: Юрий Хабижевич Хамуков; Юрий Игоревич Попов
Priority date: 2019-07-22
Filing date: 2019-07-22
Publication date: 2020-11-27

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to rope drives of manipulator hinges, prostheses and grippers of robot working members. Drive includes shafts with movable pulleys fitted in hinge moving elements. On elastic pulleys elastic or inelastic rope, said hinge is actuated by transfer of forces from mechanic power source to movable hinge elements. Pulleys on shafts with a cable with a head on them form power tackle.

EFFECT: higher efficiency of manipulator hinge drives.

1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению и предназначено, главным образом, для использования при создании манипуляторов роботов и протезов.The invention relates to mechanical engineering and is intended mainly for use in creating manipulators for robots and prostheses.

Известны тросовые приводы шарниров манипуляторов, в том числе схватов роботов, включающие запасованный на установленные на закрепленных в подвижных элементах шарнира валах шкивы эластичный или неэластичный трос, приводящий шарнир в действие передачей на подвижные элементы шарнира усилий от источника механической энергии.Known cable drives for manipulators, including grips of robots, including stored on the pulleys mounted on the shafts fixed in the movable elements of the hinge elastic or inelastic cable, which drives the hinge by transferring forces to the movable elements of the hinge from a source of mechanical energy.

Главное достоинство тросовых приводов манипуляторов заключается в том, что они позволяют значительно снизить массогабаритные и инерционные характеристики шарниров манипулятора за счет вывода источников механической энергии из конструкций шарниров, а также снимают ограничения на массогабаритные характеристики самих источников механической энергии и позволяют установить их в удобном для закрепления и обслуживания месте.The main advantage of cable drives for manipulators is that they can significantly reduce the weight, size and inertial characteristics of the manipulator joints due to the removal of mechanical energy sources from the hinge structures, and also remove restrictions on the weight and size characteristics of the mechanical energy sources themselves and allow them to be installed in a convenient for fixing and service location.

Существует множество конструкций протезов и манипуляторов роботов с тросовыми приводами. Аналогами изобретения могут служить изобретение «Механическая кисть», защищаемое патентом RU 2245120, захватное устройство по патенту РФ 2502592, тяговый протез в работе «Анализ работы тягового протеза, расчет натяжений нити в протезе» (http://os-russia.com/SBORNIKI/KON-244-2.pdf), а также антропоморфическая кисть руки для робота, созданная робототехниками из университета Вашингтона в Сиэтле (http://roboting.ru/1963-noveyshaya-antropomorficheskaya-kist-ruki-dlya-robota.html).There are many designs of prostheses and manipulators for cable-driven robots. Analogs of the invention may be the invention "Mechanical brush", protected by the patent RU 2245120, the gripping device according to the patent of the Russian Federation 2502592, the traction prosthesis in the work "Analysis of the operation of the traction prosthesis, calculation of the thread tension in the prosthesis" (http://os-russia.com/SBORNIKI /KON-244-2.pdf), as well as an anthropomorphic hand for a robot, created by robotics from the University of Washington in Seattle (http://roboting.ru/1963-noveyshaya-antropomorficheskaya-kist-ruki-dlya-robota.html) ...

Конструкции этих протезов и манипуляторов являются рычажно-шарнирными механическими системами. Шарниры в конструкциях схватов представленных аналогов приведены тросами, запасованный на шкивы или на специальные желоба в подвижных и/или несущих элементах конструкции. При этом их объединяют общие взаимосвязанные недостатки - сравнительно низкие силомоментные характеристики приведенных тросами шарниров и ограниченный угол отклонения подвижных элементов.The designs of these prostheses and manipulators are lever-articulated mechanical systems. The hinges in the designs of the grippers of the presented analogs are provided with cables, stored on pulleys or on special grooves in the movable and / or load-bearing structural elements. At the same time, they are united by common interconnected disadvantages - the relatively low force-moment characteristics of the hinges brought by the cables and the limited deflection angle of the moving elements.

Главная причина низких силомоментных характеристик известных конструкций манипуляторов роботов и протезов с тросовыми приводами подвижных элементов шарниров заключается в том, что конструкции шарниров манипуляторов роботов и протезов имеют геометрические ограничения, не позволяющие создать достаточной величины плечи приложения сил натяжения тросов для создания моментов сил на подвижных элементах шарниров.The main reason for the low force-moment characteristics of the known designs of robotic manipulators and prostheses with cable drives of movable hinge elements is that the hinge designs of robotic manipulators and prostheses have geometric constraints that do not allow creating a sufficient amount of arms for applying tension forces of the cables to create moments of forces on the movable hinge elements ...

Главная причина ограничений углов отклонений подвижных элементов известных конструкций шарниров с тросовым приводом заключается в том, что величина плеча моментов сил, создаваемых тросом на подвижном элементе, и максимальный угол отклонения подвижного элемента находятся в сложной обратной зависимости:The main reason for limiting the angles of deflection of movable elements of the known designs of hinges with a cable drive is that the magnitude of the arm of the moments of forces created by the cable on the movable element and the maximum deflection angle of the movable element are in a complex inverse relationship:

или

or

где М - величина момента сил на подвижном элементе, Т = величина натяжения троса, L = величина расстояния от оси шарнира до оси опорного ролика или до точки крепления троса на подвижном элементе, ϕ = величина угла относительного отклонения смежных подвижных элементов.where M is the value of the moment of forces on the movable element, T = the value of the cable tension, L = the value of the distance from the hinge axis to the axis of the support roller or to the point of attachment of the cable on the movable element, ϕ = the angle of the relative deflection of adjacent movable elements.

Таким образом, при увеличении плеча действия силы натяжения троса, создающей отклоняющий момент сил на подвижном элементе шарнира при сгибании манипулятора, уменьшается максимальный угол отклонения подвижного элемента в шарнире. То есть, уменьшается подвижность манипулятора, его способность фиксировать и удерживать объекты.Thus, with an increase in the arm of the cable tension force, which creates a deflecting moment of forces on the movable element of the hinge when bending the manipulator, the maximum deflection angle of the movable element in the hinge decreases. That is, the mobility of the manipulator decreases, its ability to fix and hold objects.

Эти свойства известных конструкций манипуляторов с тросовым приводом шарниров ограничивают их эффективность и применимость.These properties of the prior art cable joint manipulator designs limit their effectiveness and applicability.

Наиболее наглядно этот недостаток конструкций представлен на схеме тягового управления пальцеобразного манипулятора протеза в работе «Анализ работы тягового протеза, расчет натяжений нити в протезе» (Рис 1).This deficiency of structures is most clearly presented in the diagram of the traction control of the finger-shaped manipulator of the prosthesis in the work "Analysis of the operation of the traction prosthesis, calculation of the tension of the thread in the prosthesis" (Fig. 1).

На схеме изображены фаланги пальцеподобного манипулятора протеза, образованные подвижными элементами шарниров с фиксированными осями. Подвижные элементы 1-4 манипулятора приведены тросами сгибающим 7 и разгибающим 8, опирающимися на установленные на закрепленных в подвижных элементах валах 5 шкивы 6. Трос 7 обеспечивает сгибание манипулятора сведением подвижных элементов 1-4 шарниров. Трос 8 обеспечивает разгибание манипулятора разведением подвижных элементов шарниров. Подвижные элементы манипулятора изображены в положении предельных углов отклонений, при которых тяговые тросы остаются в пределах объема подвижных элементов. Дальнейшее сгибание пальцеподобного манипулятора с соответствующим увеличением угла отклонения фаланг приведет к выходу тросов за пределы объема фаланг и контакту тросов с охватываемым манипулятором объектом. При этом усилие, с которым пальцеподобный манипулятор может фиксировать объект, определяется моментами сил, которые создают на подвижных элементах силы давления тросов на шкивы или на точку закрепления тросов в последней.The diagram shows the phalanges of the finger-like manipulator of the prosthesis, formed by the movable elements of the hinges with fixed axes. The movable elements 1-4 of the manipulator are provided by bending cables 7 and unbending 8, resting on pulleys 6 mounted on the shafts 5 fixed in the movable elements. The cable 7 provides the manipulator bending by bringing the movable elements 1-4 hinges. Cable 8 provides unbending of the manipulator by spreading the movable elements of the hinges. The movable elements of the manipulator are shown in the position of the limiting angles of deviations at which the traction cables remain within the volume of the movable elements. Further bending of the finger-like manipulator with a corresponding increase in the angle of deflection of the phalanges will lead to the cables going beyond the volume of the phalanges and contact of the cables with the object covered by the manipulator. In this case, the force with which the finger-like manipulator can fix the object is determined by the moments of forces that create on the movable elements the forces of the cables' pressure on the pulleys or on the cable attachment point in the latter.

Задачей изобретения является повышение эффективности и применимости манипуляторов с тросовым приводом.The objective of the invention is to improve the efficiency and applicability of manipulators with a cable drive.

Задача решается тем, что для создания момента сил на подвижных элементах шарниров манипуляторов применяют силовой полиспаст, для чего в конструкции смежных подвижных элементов шарниров встраивают валы с установленными на них роликами и запасованным на них тросом, оба конца которого раздельно или после соединения в один трос подаются на тяговое устройство источника механической энергии. Схематическое изображение шарнира манипулятора с полиспастовым приводом сгибания подвижных элементов приведено на Рис 2 и Рис 3.The problem is solved by the fact that to create a moment of forces on the moving elements of the manipulators' hinges, a power pulley block is used, for which shafts with rollers installed on them and a cable stored on them are built into the design of adjacent moving elements of the hinges, both ends of which are fed separately or after being connected into one cable on the traction device of the source of mechanical energy. A schematic representation of the manipulator hinge with a pulley drive for bending the movable elements is shown in Fig. 2 and Fig. 3.

Работает такой тросовый привод следующим образом.Such a cable drive works as follows.

Тяговое устройство источника механической энергии привода создает натяжение троса/тросов 7 сгибания, запасованного/запасованных в ролики 6 полиспаста с валами 5 в подвижных элементах 1, 2 шарнира манипулятора. На валы 5 действует сводящая их сила, равная силе натяжения троса, умноженной на кратность полиспаста. Кратность полиспаста определяется количеством пар роликов, в которые запасован трос. В результате, при сохранении величины плеча действия силы натяжения тросов, кратно увеличивается момент сил, отклоняющий подвижные элементы при сгибании манипулятора и схватывании объекта. Величина момента сил на подвижном элементе, приведенном полиспастом, возрастет, примерно, как:

где k - кратность полиспаста.The traction device of the source of mechanical energy of the drive creates a tension on the cable / cables 7 bending stored / stored in the rollers 6 of the chain hoist with shafts 5 in the

movable elements

1, 2 of the manipulator hinge. The shafts 5 are subjected to a force that brings them together, equal to the cable tension force multiplied by the frequency of the chain hoist. The multiplicity of the chain hoist is determined by the number of pairs of rollers in which the cable is stocked. As a result, while maintaining the magnitude of the arm of the tension force of the cables, the moment of forces that deflects the movable elements when the manipulator is bent and the object is grasped multiply increases. The magnitude of the moment of forces on the movable element, given by the pulley block, will increase approximately as:

where k is the multiplicity of the chain hoist.

Соответственно, повышаются эффективность и применимость манипулятора за счет того, что он может манипулировать объектами большей массы или оказывать на них большие силомоментные воздействия.Accordingly, the efficiency and applicability of the manipulator are increased due to the fact that it can manipulate objects of a larger mass or exert large force-moment effects on them.

Разгибание манипулятора, или разведение смежных подвижных элементов его шарниров осуществляют любым известным способом. В том числе, тросом-антагонистом с приводом от источника механической энергии, или упругими элементами различного вида и т.п.The extension of the manipulator, or the spreading of adjacent movable elements of its hinges, is carried out in any known manner. Including, an antagonist cable driven from a source of mechanical energy, or elastic elements of various types, etc.

При разгибании манипулятора происходит обращение полиспаста из силового в скоростной. Для обеспечения высокой скорости разгибания манипулятора оба конца приводного троса 7 полиспаста выполняются ходовыми. При отдаче ходовых концов обратным ходом тягового устройства источника механической энергии привода полиспаста обеспечивается быстрое разведение смежных элементов шарниров манипулятора.When the manipulator is extended, the chain hoist turns from power to high-speed. To ensure a high speed of unbending of the manipulator, both ends of the drive cable 7 of the chain hoist are running. With the return of the running ends by the return stroke of the traction device of the source of mechanical energy of the chain hoist drive, rapid dilution of the adjacent elements of the manipulator hinges is ensured.

Привод может быть выполнен с эластичным тросом или неэластичным.The drive can be made with elastic or non-elastic.

Использование изобретения при создании протезов с приведенными активными элементами и шарнирно-рычажных манипуляторов роботов и схватов для них позволит существенно повысить эффективность их двигательных действий и расширить применимость.The use of the invention in the creation of prostheses with the given active elements and articulated-lever manipulators of robots and grips for them will significantly increase the efficiency of their motor actions and expand their applicability.

Claims

1. Rope drive of manipulator hinges, including prostheses and grips of robotic working bodies, including shafts fixed in the movable hinge elements with pulleys mounted on them and an elastic or inelastic rope stored on the pulleys, which drives the hinge by transferring forces from the source to the movable hinge elements mechanical energy, characterized in that the pulleys on the shafts with the rope stored on them form a power chain hoist.

2. The cable drive of the manipulator joints according to claim 1, characterized in that the incoming and outgoing branches of the cable on the chain hoist are running and are connected to the traction device of the mechanical energy source separately or after being connected into one cable.