RU2783650C1

RU2783650C1 - Structure of a robotic manipulator

Info

Publication number: RU2783650C1
Application number: RU2021121443A
Authority: RU
Inventors: Елена Вячеславовна Поезжаева; Евгений Юрьевич Тонков; Дмитрий Николаевич Кучев; Михаил Александрович Веснин
Filing date: 2021-07-19
Publication date: 2022-11-15

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention relates to the field of industrial robotics, namely, to structures of industrial robotic manipulators intended for operation in automatic and semi-automatic modes. The robotic manipulator comprises a rotary support (OPU), arm, and forearm, connected in series. Herewith, the OPU-arm and arm-forearm connections are provided by joint elements. Electromechanical harmonic gear drives located on the outside of the arm and forearm are used as arm and forearm drives. A block system for intelligent analysis and control of the structure, as well as machine vision using a video camera and optical sensors, is located on the forearm. An eyelet is made on the forearm of the manipulator for installing the grip of the manipulator, and an electromechanical harmonic gear drive is installed for moving the grip of the manipulator.

EFFECT: strong structure allows the robotic manipulator to move heavy objects in space, while the structural durability is increased.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области промышленной робототехники, а именно к конструкциям промышленных роботов-манипуляторов, предназначенных для работы в автоматическом, полуавтоматическом режиме с использованием оператора и нейронных сетей, в промышленности и медицине, например, при перемещении особо-опасных объектов в нефтегазопереработке, химических производствах, конвейерных линиях, а также на других опасных для здоровья человека объектах.The invention relates to the field of industrial robotics, and in particular to the designs of industrial robotic manipulators designed to operate in automatic, semi-automatic mode using an operator and neural networks, in industry and medicine, for example, when moving especially dangerous objects in oil and gas processing, chemical industries, conveyor lines, as well as other objects hazardous to human health.

Известен манипулятор (патент РФ №202008, В25В 9/00), который относится к области манипуляторов с программным управлением, в частности к шсстиосевым роботам. Шестиосевой робот содержит основание, представляющее собой нулевое звено, прикрепленную к основанию стойку, представляющую собой первое звено робота, приводные механизмы, выполненные с возможностью обеспечения движения звеньев робота. Причем стойка прикреплена к основанию с возможностью вращения вокруг своей оси. Второе звено прикреплено к стойке с возможностью линейного перемещения вдоль стойки, третье звено прикреплено ко второму звену с возможностью вращения по существу в горизонтальной плоскости, четвертое звено прикреплено к третьему звену с возможностью вращения по существу в горизонтальной плоскости, пятое звено прикреплено к четвертому звену с возможностью вращения в плоскости, по существу параллельной вертикальной оси стойки, а шестое звено прикреплено к пятому звену с возможностью вращения вокруг оси проходящей через продольную ось пятого звена. Под горизонтальной плоскостью понимается плоскость, проходящая перпендикулярно вертикальной оси звена. При этом приводные механизмы робота реализованы на основе серводвигателя.A manipulator is known (RF patent No. 202008, V25V 9/00), which belongs to the field of program-controlled manipulators, in particular to high-axis robots. The six-axis robot contains a base, which is a zero link, a stand attached to the base, which is the first link of the robot, drive mechanisms configured to ensure the movement of the robot links. Moreover, the rack is attached to the base with the possibility of rotation around its axis. The second link is attached to the rack with the possibility of linear movement along the rack, the third link is attached to the second link with the possibility of rotation in a substantially horizontal plane, the fourth link is attached to the third link with the possibility of rotation in a substantially horizontal plane, the fifth link is attached to the fourth link with the possibility rotation in a plane essentially parallel to the vertical axis of the rack, and the sixth link is attached to the fifth link with the possibility of rotation around an axis passing through the longitudinal axis of the fifth link. The horizontal plane is understood as a plane passing perpendicular to the vertical axis of the link. At the same time, the drive mechanisms of the robot are implemented on the basis of a servomotor.

Недостатком конструкции данного манипулятора является использование приводов, установленных в звеньях с возможностью вращения в горизонтальной плоскости, а именно вал привода находится в плоскости перпендикулярной плоскости вращения звена, что вызывает высокие нагрузки на вал привода и выражается низкой грузоподъемностью.The design disadvantage of this manipulator is the use of drives mounted in links with the possibility of rotation in a horizontal plane, namely, the drive shaft is in a plane perpendicular to the plane of rotation of the link, which causes high loads on the drive shaft and is expressed by low load capacity.

Наиболее близким к данной конструкции является манипулятор робота, предназначенный для работы в труднодоступных и опасных для присутствия человека местах в дистанционном режиме (патент RU №2616317). Он содержит последовательно соединенные между собой опорно-поворотное устройство (ОПУ) с фланцем, плечо, предплечье и рабочий орган, каждый из которых снабжен индивидуальным управляемым приводом, отличающийся тем, что места сочленения ОПУ - плечо, плечо - предплечье и предплечье - рабочий орган выполнены в виде рычажных механизмов с возможностью поворота вверх и вниз плеча, предплечья и рабочего органа, при этом привод плеча расположен с его внешней стороны, основание привода закреплено в месте сочленения ОПУ с плечом, а шток на сочленении плеча и предплечья, причем внутри корпуса плеча расположен привод предплечья, основание которого закреплено на корпусе плеча, а его шток через кронштейн рычажного механизма соединен с предплечьем, привод рабочего органа установлен внутри корпуса предплечья, его основание закреплено на корпусе предплечья, а шток соединен с кронштейном рычажного механизма предплечья, причем на кронштейне предплечья установлено приспособление для крепления рабочего органа, выполненное в виде шлицевого вала со стопорным элементом, а на рабочем органе выполнено установочное отверстие под втулку с пазами. Приводы представляют собой линейный актуатор, превращающий возвратно-поступательное линейное движение выходного звена-штока.Closest to this design is a robot arm designed to work in places that are difficult to access and dangerous for human presence in remote mode (patent RU No. 2616317). It contains a slewing bearing (SLE) connected in series with a flange, a shoulder, a forearm and a working body, each of which is equipped with an individual controlled drive, characterized in that the articulation points of the SLE - shoulder, shoulder - forearm and forearm - working body are made in the form of lever mechanisms with the ability to turn up and down the shoulder, forearm and working body, while the drive of the shoulder is located on its outer side, the base of the drive is fixed at the junction of the OPU with the shoulder, and the rod is at the junction of the shoulder and forearm, and inside the body of the shoulder is located forearm drive, the base of which is fixed on the shoulder body, and its rod through the lever mechanism bracket is connected to the forearm, the working body drive is installed inside the forearm body, its base is fixed on the forearm body, and the rod is connected to the arm of the forearm lever mechanism, and the forearm bracket is mounted device for fastening the working organ on, made in the form of a splined shaft with a locking element, and on the working body there is an installation hole for a sleeve with grooves. The drives are a linear actuator that converts the reciprocating linear motion of the output link-rod.

Признаки прототипа, являющиеся общими с заявляемым техническим решением, - собой опорно-поворотное устройство (ОПУ), плечо, предплечье.Signs of the prototype, which are common with the claimed technical solution, is a slewing device (OPU), shoulder, forearm.

Недостатками известного робота, принятого за прототип, являются места сочленения, выполненные в виде рычажных механизмов, которые обуславливают громоздкость и сложность устройства; низкая силовая характеристика робота, грузоподъемность до 15 кг; расположение поступательно движущегося штока внутри звена манипулятора определяет минимальную жесткость конструкции; ОПУ имеет ротационный привод на основе планетарно-цевочного редуктора, что усложняет конструкцию и порождает трудности со смазыванием зубчатых колес.The disadvantages of the known robot, taken as a prototype, are the joints, made in the form of lever mechanisms, which cause the bulkiness and complexity of the device; low power characteristic of the robot, load capacity up to 15 kg; the location of the translationally moving rod inside the manipulator link determines the minimum rigidity of the structure; The control unit has a rotary drive based on a planetary lantern gear, which complicates the design and creates difficulties with gear lubrication.

Задача изобретения - создание более простой конструкции робота-манипулятора с широким спектром технологических возможностей, способного перемещать в пространстве более тяжелые объекты тяжелые с высокой точностью позиционирования в автоматическом или полуавтоматическом режиме.The objective of the invention is to create a simpler design of a robotic arm with a wide range of technological capabilities capable of moving heavier objects in space with high positioning accuracy in automatic or semi-automatic mode.

Поставленная задача была решена за счет того, что известный робот-манипулятор, содержащий: опорно-поворотное устройство (ОПУ), плечо и предплечье, которые последовательно соединены между собой при помощи шарнирных элементов. В качестве приводов плеча и предплечья используется электромеханический привод: электродвигатель, соединенный посредством муфты с волновой передачей, на которую надета направляющая, та в свою очередь при помощи шарниров связана с одним концом силовых элементов, а другим концом силовые элементы тем же образом соединены с ОПУ и предплечьем. Электромеханические приводы расположены на внешней части плеча и предплечья. На предплечье расположен блок-системы интеллектуального анализа и управления конструкцией, а также машинного зрения с использованием видеокамеры и оптических датчиков.The problem was solved due to the fact that the well-known robotic arm, containing: a slewing device (OPU), a shoulder and a forearm, which are sequentially connected to each other by means of hinged elements. As drives of the shoulder and forearm, an electromechanical drive is used: an electric motor connected by means of a coupling to a wave transmission, on which a guide is put on, which, in turn, is connected by means of hinges to one end of the power elements, and the other end of the power elements is connected in the same way to the control unit and forearm. Electromechanical actuators are located on the outer part of the shoulder and forearm. On the forearm there is a block system for intelligent analysis and design control, as well as machine vision using a video camera and optical sensors.

Кроме того, на предплечье манипулятора установлен электромеханический привод для перемещения схвата манипулятора.In addition, an electromechanical drive is installed on the forearm of the manipulator to move the gripper of the manipulator.

Кроме того, на предплечье манипулятора выполнена проушина для установки схвата манипулятора.In addition, an eyelet is made on the forearm of the manipulator for installing the manipulator gripper.

Признаки заявляемого технического решения, являющиеся отличительными от прототипа, - места соединения опорно-поворотного устройства (ОПУ) - плечо, плечо-предплечье выполнено в виде шарнирных соединений, при этом электромеханические приводы расположены на внешней части плеча и предплечья, содержащие электродвигатель соединенный посредством муфты с волновой передачей, на которую надета направляющая, связанная при помощи шарниров с ОПУ или предплечьем, в свою очередь на предплечье установлен блок с процессором, в котором расположены аналитические системы, и на котором крепится видеокамера, а на ней оптические датчики, светодиодный прожектор. Предплечье выполнено с возможностью установки схвата манипулятора.The features of the proposed technical solution, which are distinctive from the prototype, are the connection points of the slewing device (OPU) - the shoulder, shoulder-forearm is made in the form of articulated joints, while the electromechanical drives are located on the outer part of the shoulder and forearm, containing an electric motor connected by means of a coupling with wave transmission, on which a guide is put on, connected with the help of hinges to the OPU or forearm, in turn, a block with a processor is installed on the forearm, in which analytical systems are located, and on which a video camera is mounted, and optical sensors, an LED spotlight are mounted on it. The forearm is made with the possibility of installing a manipulator gripper.

Использование шарнирных соединений в роли сочленений между опорно-поворотным устройством (ОПУ), плечом и предплечьем позволяет упростить, облегчить конструкцию.The use of swivel joints as joints between the slewing device (SPU), shoulder and forearm allows to simplify and facilitate the design.

Установка электромеханических приводов плеча и предплечья не в шарнирах, а на их внешней поверхности, вдоль плеча и предплечья позволяет увеличить грузоподъемность.The installation of electromechanical drives of the shoulder and forearm not in the hinges, but on their outer surface, along the shoulder and forearm, allows to increase the load capacity.

Использование аналитических систем, а именно машинного зрения с видеокамерой и светодиодным прожектором, интеллектуальной системой управления, позволяет улучшить качество выполняемых задач манипулятором.The use of analytical systems, namely machine vision with a video camera and LED spotlight, an intelligent control system, improves the quality of the tasks performed by the manipulator.

Робот-манипулятор имеет простую конструкцию для его изготовления и применения, а эксплуатация возможна при любых условиях окружающей среды.The robotic arm has a simple design for its manufacture and application, and operation is possible under any environmental conditions.

Конструкция робота-манипулятора поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен чертеж конструкции манипулятора на виде спереди, на фиг. 2 на виде справа, на фиг. 3 в изометрии.The design of the robotic arm is illustrated by drawings, where in Fig. 1 shows a drawing of the design of the manipulator in front view, in Fig. 2 on the right side, in Fig. 3 isometric.

На фиг. 1-3 представлен пример конструкции робота-манипулятора. Он состоит из опорно-поворотного устройства (ОПУ) 1, соединенного посредством шарнира 2 с плечом манипулятора 3, тот в свою очередь тем же образом соединен при помощи шарнира 4 с предплечьем 5, на котором установлен шарнир 6 для установки схвата манипулятора, перемещения плеча на нем установлен электродвигатель 7, соединенный посредством муфты 8 с волновой передачей 9, на которую надета направляющая 10, та в свою очередь при помощи шарниров 11 связана с одним концом силовых элементов 12, а другим концом силовые элементы тем же образом при помощи шарниров 13 соединены с ОПУ, на предплечье установлен электродвигатель 14, соединенный при помощи муфты 15 с волновой передачей 16, на которой установлена направляющая 17, связанная посредством шарниров 18 с одним концом силовых элементов 19, а другим концом они установлены при помощи шарнира 20 крепятся к плечу 3. На предплечье 5 установлен электродвигатель 21, муфта 22, волновая передача 23 с направляющей 24 для перемещения схвата манипулятора, также на предплечье 5 установлен блок процессора 25, который соединен с видеокамерой 26, на которой крепятся оптические датчики 27 и светодиодный прожектор 28.In FIG. 1-3 shows an example of the design of a robotic arm. It consists of a slewing device (OPU) 1, connected by means of a hinge 2 to the arm of the manipulator 3, which, in turn, is connected in the same way by means of a hinge 4 to the forearm 5, on which the hinge 6 is installed to install the gripper of the manipulator, move the shoulder to an electric motor 7 is installed in it, connected by means of a coupling 8 with a wave transmission 9, on which a guide 10 is put on, which, in turn, is connected with one end of the power elements 12 by means of hinges 11, and the other end of the power elements is connected in the same way with the help of hinges 13 to OPU, an electric motor 14 is installed on the forearm, connected by means of a coupling 15 with a wave transmission 16, on which a guide 17 is installed, connected by means of hinges 18 with one end of the power elements 19, and at the other end they are installed with the help of a hinge 20 attached to the shoulder 3. On forearm 5 installed electric motor 21, clutch 22, wave transmission 23 with guide 24 to move the gripper manipulator and, also on the forearm 5, a processor unit 25 is installed, which is connected to a video camera 26, on which optical sensors 27 and an LED spotlight 28 are mounted.

Робот-манипулятор осуществляет работу следующим образом.The robotic arm works as follows.

ОПУ 1 монтируется на специально подготовленный фундамент. Манипулятор работает в автоматическом или полуавтоматическом режиме при помощи процессора, расположенного в блоке 25 (фиг. 1, 2, 3), в нем установлены системы интеллектуального управления и машинного зрения, соединенного с источником питания. Оператор устанавливает самостоятельно задачу манипулятору. Машинное зрение при помощи видеокамеры 26 и оптических датчиков 27 (фиг. 1, 2, 3) передают сигнал процессору, который координирует работу электродвигателей 7, 14 и 21, исходя из поставленной задачи. При вращении вала электродвигателя 7 происходит отклонение плеча 3 относительно ОПУ 1, а вращение вала электродвигателя 14 вынуждает перемещаться предплечье 5 относительно плеча 3. В свою очередь ОПУ 1 имеет возможность вращения вокруг своей оси ±360°.OPU 1 is mounted on a specially prepared foundation. The manipulator operates in automatic or semi-automatic mode using a processor located in block 25 (Fig. 1, 2, 3), it has intelligent control and machine vision systems connected to a power source. The operator sets the task to the manipulator on his own. Machine vision using a video camera 26 and optical sensors 27 (Fig. 1, 2, 3) transmit a signal to the processor, which coordinates the operation of the electric motors 7, 14 and 21, based on the task. When the shaft of the electric motor 7 rotates, the arm 3 deviates relative to the OPU 1, and the rotation of the motor shaft 14 forces the forearm 5 to move relative to the arm 3. In turn, the OPU 1 has the ability to rotate around its axis ±360°.

Таким образом, с помощью заявляемой конструкции манипулятора возможно перемещать объекты массы чем аналоги, с высокоточным позиционированием плеча, предплечья и схвата манипулятора.Thus, with the help of the proposed design of the manipulator, it is possible to move objects of mass than analogues, with high-precision positioning of the shoulder, forearm and grip of the manipulator.

Предлагаемая конструкция робота-манипулятора в отличие от прототипа является более простой, многофункциональной и обладает лучшими кинематическими и динамическими характеристиками. При помощи прочной конструкции, манипулятор может перемещать тяжелые объекты в пространстве, а использование интеллектуальных систем и машинного зрения, позволяет совершать свою работу в автоматическом или полуавтоматическом режиме, исключение редукторных систем позволяет увеличить долговечность конструкции.The proposed design of the robotic arm, unlike the prototype, is simpler, multifunctional and has better kinematic and dynamic characteristics. With the help of a solid design, the manipulator can move heavy objects in space, and the use of intelligent systems and machine vision allows you to do your job in automatic or semi-automatic mode, the exclusion of gear systems allows you to increase the durability of the structure.

Claims

1. A robotic manipulator containing a series-connected rotatory support device (SPU), a shoulder and a forearm, characterized in that the SPU-shoulder and shoulder-forearm are connected by means of hinge elements, while electromechanical drives with a wave transmission, which are located on the outer part of the shoulder and forearm, on the forearm there is a block system for intellectual analysis and design control, as well as machine vision using a video camera and optical sensors.

2. A robotic arm according to claim 1, characterized in that an eyelet is made on the forearm of the manipulator for installing the manipulator gripper and an electromechanical drive with a wave transmission is installed to move the manipulator gripper.