SU1779587A1

SU1779587A1 - Manipulator operating member

Info

Publication number: SU1779587A1
Application number: SU914898489A
Authority: SU
Inventors: Igor V Vojnov; Aleksandr I Telegin; Mikhail B Vorovinskij; Sergej N Gerasev
Original assignee: Miasskij Elektromekhanicheskij
Priority date: 1991-01-02
Filing date: 1991-01-02
Publication date: 1992-12-07

Description

Изобретение относится к машиностроению, а именно к манипуляторам, работающим в условиях, где присутствие человека невозможно или нецелесообразно (например, при проведении ремонтных и демонтажно-восстановительных работ на атомных электростанциях).The invention relates to mechanical engineering, namely to manipulators operating in conditions where the presence of a person is impossible or impractical (for example, when carrying out repair and dismantling works at nuclear power plants).

Известны исполнительные органы манипуляторов, содержащие закрепленные одним концом на поворотной платформе шарнирно соединенные звенья с размещенными на них приводами.Known executive bodies of manipulators containing pivotally connected links with actuators mounted on them at one end on a rotary platform.

Известны также конструкции исполнительных органов манипуляторов, содержащих шарнирно соединенные подвижную и неподвижную опоры, плечо, предплечье, кисть, сменный инструмент и расположенные непосредственно на них приводы поворота этих звеньев.Also known are the designs of the executive organs of the manipulators, which are pivotally connected to the movable and fixed supports, the shoulder, the forearm, the hand, the interchangeable tool, and the rotation drives of these links located directly on them.

В описанных исполнительных органах лабораторных манипуляторов УЭМ-2, УЭМ5, УЭМ-20 в качестве двигателей приводов использованы высокооборотные электродвигатели постоянного тока (ДПМ-25, ДПМ35) и серводвигатели (СД-75, СД-250), что определяет применение редукторов с высоким передаточным числом (ϊ от 690 до 910), при этом обоснованное использование планетарных и волновых редукторов значительно усложняет конструкцию манипулятора из-за конструктивной сложности названных редукторов. Кроме того наличие люфта в волновом редукторе ограничивает возможности его применения в высокоточных манипуляторах. Выборка люфта в планетарном редукторе практически может быть осуществлена за счет значительного усложнения конструкции редуктора и технологии его изготовления и сборки. Для достижения наибольшей грузоподъемности в данных исполнительных органах манипуляторов использованы дополнительные механизмы (в том числе механизмы пружинного уравновешивания), утяжеляющие и усложняющие конструкцию. Приводы качания плеча, качания пред плечья, сгибания-разгибания кисти в известных исполнительных органах установлены несимметрично относительно осей звеньев, на которых они располагаются, что снижает динамические характеристики исполнительного органа за счет увеличения взаимного влияния движения отдельных звеньев. Наглядным подтверждением указанного снижения динамических характеристик является усложнение на 25-30% математической модели (точных уравнений динамики исполнительного органа, рассматриваемого как система твердых тел), т.е. при несимметричном расположении центров масс относительно соответствующих осей вращения возникают моменты инерции, которые взаимно не компенсируются.In the described executive bodies of laboratory manipulators UEM-2, UEM5, UEM-20, high-speed DC electric motors (DPM-25, DPM35) and servomotors (SD-75, SD-250) are used as drive motors, which determines the use of gears with a high transfer number (ϊ from 690 to 910), while the justified use of planetary and wave reducers significantly complicates the design of the manipulator due to the structural complexity of these reducers. In addition, the presence of play in the wave gear limits the possibilities of its use in high-precision manipulators. Sampling of backlash in a planetary gearbox can practically be carried out due to a significant complication of the design of the gearbox and the technology of its manufacture and assembly. To achieve the highest carrying capacity in these executive bodies of the manipulators, additional mechanisms were used (including spring balancing mechanisms), which aggravate and complicate the design. Drives for swinging the shoulder, swinging before the shoulder, flexion-extension of the hand in known actuators are installed asymmetrically with respect to the axes of the links on which they are located, which reduces the dynamic characteristics of the actuator by increasing the mutual influence of the movement of individual links. A clear confirmation of this decrease in dynamic characteristics is a 25-30% complication of the mathematical model (exact equations of the dynamics of the executive body, considered as a system of solids), i.e. with an asymmetric arrangement of the centers of mass relative to the corresponding axes of rotation, moments of inertia arise, which are not mutually compensated.

Цель изобретения - повышение удельной грузоподъемности, т.е. отношение массы поднимаемого груза к массе исполнительного органа, упрощение конструкции и повышение динамических характеристик...The purpose of the invention is to increase the specific load capacity, i.e. the ratio of the mass of the lifted load to the mass of the executive body, simplifying the design and increasing the dynamic characteristics ...

Для достижения поставленной цели в известном исполнительном органе, имеющем шарнирно соединенные неподвижную и подвижную опоры, плечо, предплечье, кисть со сменным схватом и расположенными непосредственно на них приводами, в качестве двигателей во всех приводах использованы высокомоментные низкооборотные электродвигатели со встроенными тахогенераторами .тормозными муфтами, например, бесколлекторные двигатели типа ДВ, разработанные предприятием и имеющие отношение развиваемого момента к собственной массе двигателя в пределах 34 Н.м/кг. Это позволяет более чем на порядок снизить передаточные числа редукторов (i от 25 до 70) при тех же скоростях перемещения исполнительного органа, значительно упростить их конструкцию и повысить удельную грузоподъемность исполнительного органа манипулятора. Ре дуктор каждого привода содержит два ряда прямозубых цилиндрических колес, расположенных симметрично относительно продольной оси эвена, на котором он установлен. Это позволяет уменьшить на 5-10% взаимное влияние движений звеньев манипулятора и использовать увеличивающуюся податливость редуктора для торсионной выборки люфта в приводе. Редукторы приводов поворота подвижной опоры, качания плеча, качания и ротации предплечья, а также сгибания-разгибания кисти имеют на выходных ступенях два зубчатых колеса, которые закреплены на смежном звене, развернуты и зафиксированы относительно друг друга, что позволяет конструктивно упростить выборку люфта в редукторах. Величина угла относительно разворота выходных колес в каждом редукторе колеблется в пределах 1-2-х градусов, что позволяет выбрать люфт в редукторе и придать предварительное напряжение его деталям, составляющее приблизительно 20% максимального напряжения, соответствующего максимальной внешней нагрузке на выходном валу редуктора.To achieve this goal, in a well-known executive body having pivotally fixed fixed and movable supports, a shoulder, a forearm, a brush with a removable grip and drives located directly on them, high-speed low-speed electric motors with built-in tachogenerators, brake clutches, for example, are used as engines in all drives. brushless motors of the DV type, developed by the enterprise and related to the developed moment to the own mass of the engine within 34 N.m / kg This allows you to more than an order to reduce the gear ratios of gearboxes (i from 25 to 70) at the same speeds of movement of the executive body, significantly simplify their design and increase the specific load capacity of the executive body of the manipulator. The gearbox of each drive contains two rows of spur gears located symmetrically relative to the longitudinal axis of the Even on which it is mounted. This allows you to reduce by 5-10% the mutual influence of the movements of the links of the manipulator and use the increasing flexibility of the gearbox for torsion sampling of play in the drive. The gearboxes of the drives for turning the movable support, swinging the arm, swinging and rotating the forearm, as well as flexion-extension of the hand have two gear wheels on the output steps, which are mounted on an adjacent link, deployed and fixed relative to each other, which makes it possible to constructively simplify the selection of play in the gearboxes. The angle relative to the rotation of the output wheels in each gearbox ranges from 1-2 degrees, which allows you to select the play in the gearbox and give pre-stress to its parts, which is approximately 20% of the maximum voltage corresponding to the maximum external load on the gearbox output shaft.

Для улучшения динамических характеристик манипулятора привод качания плеча расположен на подвижной опоре таким образом, что его центр масс лежит на оси поворота подвижной опоры, при этом приводы качания и ротации предплечья и привод сгибания-разгибания кисти расположены на предплечье так, что их центры масс лежат на оси ротации предплечья, а центры масс привода ротации кисти и привода схвата лежат на оси ротации кисти. Расположение приводов качания и ротации предплечья, а также приводов ротации кисти и схвата соответственно в уравновешивающих частях указанных звеньев исполнительного органа позволяет уравновесить часть статической нагрузки на предплечье и кисть и повысить грузоподъемность без дополнительного увеличения общей массы манипулятора.To improve the dynamic characteristics of the manipulator, the shoulder swing drive is located on the movable support so that its center of mass lies on the axis of rotation of the movable support, while the swing and rotation drives of the forearm and the flexor-extension drive of the hand are located on the forearm so that their centers of mass lie on the axis of rotation of the forearm, and the centers of mass of the drive of rotation of the hand and the drive of the grip lie on the axis of rotation of the hand. The location of the swing and rotation drives of the forearm, as well as the rotation drives of the hand and grip, respectively, in the balancing parts of the indicated links of the executive body, makes it possible to balance part of the static load on the forearm and hand and increase the load capacity without additional increase in the total mass of the manipulator.

На фиг. 1 приведена кинематическая схема исполнительного органа манипулятора: на фиг. 2 - вариант его конструктивного исполнения (за исходное принято положение исполнительного органа, показанное на фиг. 1 и 2. причем, все шарнирные оси находятся d плоскости чертежа).In FIG. 1 shows the kinematic diagram of the executive body of the manipulator: in FIG. 2 - a variant of its design (the position of the executive body shown in Figs. 1 and 2 is taken as the initial one; moreover, all the hinge axes are located in the d plane of the drawing).

Исполнительный орган манипулятора содержит неподвижную опору 1, к которой, с возможностью поворота относительно оси 1-1, прикреплена подвижная опора 2. Плечо 3 присоединено к подвижной опоре 2 так, что может качаться относительно оси Ιί-ΙΙ. К плечу 3 прикреплено двухзвенное пред плечье, в котором звено 4 обеспечивает качание предплечья относительно оси Ill-Ill, а звено 5 - ротацию предплечья вокруг оси IV-IV. К звену 5 предплечья, с возможностью сгибания-разгибания относительно оси VV, прикреплена кисть 6. На кисти 6. с возможностью ротации вокруг оси VI-VI, установлен привод 7 сменного схвата, осуществляющий рабочие движения губок схвата 8.The executive body of the manipulator contains a fixed support 1, to which, with the possibility of rotation about the axis 1-1, is attached a movable support 2. The shoulder 3 is attached to the movable support 2 so that it can swing relative to the axis Ιί-ΙΙ. A two-link pre-shoulder is attached to shoulder 3, in which link 4 provides swinging of the forearm relative to the Ill-Ill axis, and link 5 provides rotation of the forearm around axis IV-IV. A brush 6 is attached to the forearm link 5 with the possibility of bending-unscrewing relative to the VV axis. On the brush 6. with the possibility of rotation around the axis VI-VI, a removable gripper drive 7 is installed, which implements working movements of the gripper jaws 8.

На фиг. 1 прямоугольниками обозначены расположенные непосредственно на звеньях конструкции приводы 13-17, вращающие эти звенья вокруг соответствую-щих осей. Каждый привод представляет собой совокупность высокомоментного низкооборотного двигателя со встроенным тахогенератором и электромагнитной тормозной муфтой, редуктора с двумя рядами прямозубых цилиндрических колес (на фиг. 1 показаны выходные ступени рядов) и датчика углового положения звена (поворотного трансформатора). Блок управления электроприводами нэ фиг. 1 не показан.In FIG. 1, rectangles indicate the drives 13-17 located directly on the structural links that rotate these links around the corresponding axes. Each drive is a combination of a high-torque, low-speed engine with an integrated tachogenerator and an electromagnetic brake clutch, a gearbox with two rows of spur cylindrical wheels (the output stages of the rows are shown in Fig. 1) and a link angle sensor (rotary transformer). The electric drive control unit of FIG. 1 is not shown.

На фиг. 2 приведена конструктивная реализация изобретения. Неподвижная опора 1 представляет собой корпусную деталь с кронштейном для привода 13 поворота плечам фланцем для крепления коснованию 19. Выходные шестерни зубчатых рядов привода 13 входят в зацепление с двумя зубчатыми колесами 20 и 21, закрепленными на подвижной опоре 2. Зубчатое колесо 21 развернуто на 1-2 градуса относительно колеса 20 и зафиксировано фиксатором 12. В подвижной опоре 2 установлен привод 14, выходные шестерни которого входят в зацепление с двумя зубчатыми колесами 22 и 23, закрепленными на валу качания плечаIn FIG. 2 shows a constructive implementation of the invention. The fixed support 1 is a housing part with a bracket for the drive 13 to turn the shoulders with a flange for fastening to the cowling 19. The output gears of the gear rows of the drive 13 are engaged with two gear wheels 20 and 21 mounted on the movable support 2. The gear wheel 21 is rotated 1- 2 degrees relative to the wheel 20 and is fixed by the latch 12. A drive 14 is installed in the movable support 2, the output gears of which are engaged with two gears 22 and 23, mounted on the rocking shaft of the shoulder

3. Зубчатое колесо 23 развернуто на 1-2 градуса относительно колеса 22 и зафиксировано фиксатором 11. Плечо 3 заканчивается U-образной вилкой 24, на концах которой закреплены два зубчатых колеса 25 и 26, которые входят в зацепление с выходными шестернями привода качания предплечья 15, который установлен на звене 4 в уравновешивающей части предплечья. Зубчатое колесо 26 развернуто на 1-1,5 градусов относительно колеса 25 и зафиксировано фиксатором 10. На звене 4 предплечья, в его уравновешивающей части, установлен привод ротации предплечья 16. К звену 4 крепится звено 5 с U-образной вилкой, в которой установлен привод сгибания-разгибания кисти 17, его выходные шестерни входят в зацепление с двумя зубчатыми колесами 27 и 28, закрепленными на валу сгибания-разгибания кисти 6. Зубчатое колесо 28 развернуто на 1-1,5 гра дусов относительно колеса 27 и зафиксировано фиксатором 9. На кисти 6 в ее уравновешивающей части установлены привод ротации кисти 18 и привод схвата 7. К кисти. 6 крепится сменный схват 29.3. The gear wheel 23 is rotated 1-2 degrees relative to the wheel 22 and fixed by the latch 11. The shoulder 3 ends with a U-shaped fork 24, at the ends of which two gears 25 and 26 are fixed, which engage with the output gears of the forearm 15 which is installed on link 4 in the balancing part of the forearm. The gear wheel 26 is rotated 1-1.5 degrees relative to the wheel 25 and fixed by the latch 10. On the link 4 of the forearm, in its counterbalancing part, the drive of rotation of the forearm 16 is installed. Link 5 is attached to link 4 with a U-shaped fork, in which the drive of the flexion-extension of the brush 17, its output gears mesh with two gear wheels 27 and 28, mounted on the shaft of the flexion-extension of the brush 6. The gear wheel 28 is rotated by 1-1.5 degrees relative to the wheel 27 and fixed by the latch 9. On brush 6 in her balancing rotation drive parts are mounted brushes 18 and the gripper 7. To drive the brush. 6 a removable gripper 29 is attached.

Движения элементов исполнительного органа происходят при подаче на соответствующие приводы управляющих сигналов. Подача управляющего сигнала на привод 13 приводит к выключению электромагнитной тормозной муфты и повороту относительно оси I-Ι поворотной опоры 2, входящей в зацепление с выходными шестернями привода 13, закрепленного на неподвижной опоре 1. При наличии управляющего сигнала на приводе 14 вращение передается зубчатым колесам 22 и 23, неподвижно закрепленным на валу качания плеча 3, и плечо качается вокруг оси Il-Il. При снятии управляющего сигнала с привода 13 включается тормозная муфта и жестко фиксирует взаимное расположение данных сочлененных звеньев. При подаче управляющего сигнала на привод 15 его выходные шестерни обкатывают зубчатые колеса 25, 26, неподвижно закрепленные на вилке 24 плеча 3, и предплечье качается вокруг оси Ill-Ill; при этом часть статического момента от веса предплечья уравновешивается приводами 15, 16. Подача управляющего сигнала на привод 16 приводит к ротации звена 5 предплечья относительно оси I.V-IV. При наличии управляющего сигнала на приводе 17 вращение передается зубчатым колесам 27,28, неподвижно закрепленным на валу сгибания-разгибания кисти 6, и кисть поворачивается относительно оси V-V; при этом часть статического момента от веса кисти и схвата уравновешивается приводами 18 и 7, При подаче управляющего сигнала на привод 18 происходит ротация кисти 6 относительно оси VI-VI, а при подаче сигнала на привод 7 приходят в движение губки схвата 8. В процессе работы исполнительного органа сигналы со всех поворотных трансформаторов, несущие информацию об угловом положе нии соответствующего звена, обрабатываются в блоке управления.The movements of the elements of the executive body occur when applying to the appropriate drives control signals. The supply of a control signal to the drive 13 leads to the shutdown of the electromagnetic brake clutch and rotation about the axis I-Ι of the rotary support 2, which engages with the output gears of the drive 13, mounted on a fixed support 1. If there is a control signal on the drive 14, the rotation is transmitted to the gears 22 and 23, fixedly mounted on the swing shaft of the shoulder 3, and the shoulder is swinging around the axis of Il-Il. When removing the control signal from the actuator 13, the brake clutch is engaged and rigidly fixes the relative position of these articulated links. When applying a control signal to the drive 15, its output gears run around the gears 25, 26, which are fixedly mounted on the fork 24 of the shoulder 3, and the forearm sways around the axis Ill-Ill; in this case, a part of the static moment from the weight of the forearm is balanced by the actuators 15, 16. The supply of a control signal to the actuator 16 leads to rotation of the forearm link 5 relative to the axis I.V-IV. In the presence of a control signal on the drive 17, the rotation is transmitted to the gears 27.28, fixedly mounted on the bending-unbending shaft of the brush 6, and the brush rotates about the axis V-V; at the same time, part of the static moment from the weight of the brush and grip is balanced by the actuators 18 and 7, When a control signal is supplied to the drive 18, the brush 6 rotates relative to the axis VI-VI, and when a signal is supplied to the drive 7, the tongs of the grip 8 move. signals from all rotary transformers carrying information about the angular position of the corresponding link are processed by the control unit in the control unit.

В связи с применением во всех приводах высокомоментных низкооборотных двигателей со встроенными тахогенераторами и тормозными муфтами в сочетании с двухзарядными осесимметричными редукторами и уравновешиванием части статической нагрузки от веса предплечья и кисти без использования дополнительных механизмов и регулировочных элементов, а такжё расположением центров масс всех приводов на осях поворотов звеньев в описываемом исполнительном органе манипулятора реализуется их удельная грузоподъемность, превышающая эту величину на прототипах. Так описываемый исполнительный орган манипулятора при собственной массе 65-70 кг обеспечивает подъем полезного груза весом до 20 кг, т.е. имеет удельную грузоподъемность, равную 20/65-70 = 0,3, что превышает ее значения на прототипах УЭМ2 (2/18 = 0,1), УЭМ-5 (5/40 = 0,12) и УЭМ-20 (20/130 = 0,15) в два и более раз.Due to the use of high-torque low-speed engines in all drives with built-in tachogenerators and brake couplings in combination with double-charged axisymmetric gears and balancing part of the static load from the weight of the forearm and hand without the use of additional mechanisms and adjusting elements, as well as the location of the centers of mass of all drives on the axis of rotation of links in the described executive body of the manipulator, their specific load capacity is realized, exceeding this value by prototypes. The described executive body of the manipulator with its own weight of 65-70 kg provides the lifting of the payload weighing up to 20 kg, i.e. has a specific load capacity equal to 20 / 65-70 = 0.3, which exceeds its values on the prototypes UEM2 (2/18 = 0.1), UEM-5 (5/40 = 0.12) and UEM-20 (20 / 130 = 0.15) two or more times.

Claims

Claim

The executive body of the manipulator, containing successively arranged and articulated links in the form of a fixed and movable support, shoulder, forearm and hand with a grip, as well as located on them drives with gears, designed to rotate and swing the corresponding links, characterized in that, in order to increase the load capacity, each gearbox contains two rows of gears located symmetrically relative to the longitudinal axis of the corresponding link, while the gearboxes The support and rocking of the shoulder, forearm and hand are equipped with gear wheels located on their output steps, which are meshed with the corresponding gear wheels of the adjacent link.

2 <

20 '7 /// 721 ^ 22/7227

Φί / Ζ 2

G _ 7 •P-------- 5

Compiled by I. Voinov Editor S. Kulakova Tehred M. Morgenthal Corrector O. Kravtsova

Order 4412 Circulation Subscription

VNIIIPI of the State Committee for Inventions and Discoveries at the State Committee for Science and Technology

113035, Moscow. Zh-35, Raushskaya nab., 4/5

Production and Publishing Plant Patent, Uzhgorod, Gagarin St. 101