|
|
Рассмотрим некоторые
конструктивные схемы основных узлов манипуляторов - "рук", кареток,
колонн и платформ, неподвижных и перемещающихся оснований. Охватить огромное
разнообразие конструкций узлов, созданных за последние десятилетия и
продолжающих интенсивно совершенствоваться, невозможно в кратком изложении, а
поэтому ограничимся ознакомлением лишь с некоторыми наиболее
распространенными техническими решениями. Более подробные сведения могут быть
почерпнуты из специальной литературы. (см. ссылки в конце 5 гл.).
5.2.1. "Руки" манипуляторов
Как отмечено выше, "рука" манипулятора по своим
функциям и структуре сходна с рукой человека. Наибольшее сходство имеет место
у многозвенных "рук" и, в частности, у двухзвенной, что наглядно
Функцию захватывания, удержания и освобождения объектов
выполняет звено ("кисть") 1, состоящее из основания
("ладони") и клещевин ("пальцев"). Изменение положения
захватного устройства в каждой заданной точке рабочей зоны обеспечивает
ориентирующее устройство ("запястье") 2 "руки",
перемещающее захватное устройство по ориентирующим степеням подвижности I, П,
Ш, показанным на рисунке стрелками. Перенос захватного устройства из одной
точки рабочей зоны в другую осуществляется путем вращательного перемещения IV
нижнего звена ("локтя") 3 в "локтевой" кинематической
паре 4 и вращательных движений V и VI верхнего звена ("плеча") 5,
реализуемых в "плечевой" кинематической паре 6, установленной на
основании (корпусе) 7.
Итак, в общем виде многозвенная "рука" содержит
звенья ("плечо", "локоть"), обеспечивающие переносные
движения, ориентирующее устройство ("запястье") и рабочий орган
("кисть") в виде захватного устройства или технологического
инструмента Однозвенная "рука" (как частный случай) состоит лишь из
одного звена ("локтя" или "плеча") с поступательной или
вращательной степенью подвижности, ориентирующего ("запястье") и
захватного ("кисть") устройств. Рассмотрим особенности конструкции
отдельных элементов "руки" манипулятора
Звено "руки" - несущий элемент, к которому
крепятся ориентирующее и захватное устройства Основное требование к этому
элементу - достаточная жесткость, ограничивающая до минимума величины упругих
деформаций "руки" под нагрузкой. Недопустимость значительных
упругих деформаций обусловлена необходимостью достижения требуемой точности
позиционирования рабочего органа в различных точках рабочей зоны.
Звенья с поступательной степенью подвижности (однозвенные
"руки") бывают цилиндрические или призматические. Цилиндрические
звенья просты по конструкции и технологичны в изготовлении, упрощают
конструкцию направляющих, но требуют специальных мер предотвращения вращения
звена относительно продольной оси. В качестве одной из таких мер используется
конструкция звена из двух параллельно расположенных и жестко связанных между
собой цилиндров. Призматические звенья с квадратными, прямоугольными,
трапециевидными и другими формами поперечных сечений обеспечивают высокую жесткость
при относительно малой собственной массе, исключают возможность поворота
звена относительно его продольной оси. Звенья таких сечений широко
применяются при электрическом приводе манипулятора и в конструкциях
двухзвенных "рук".
Ориентирующие механизмы (ОМ), назваемые часто кистевыми,
предназначены для ориентации рабочего органа или объекта манипулирования,
обычно имеют от одной до трех степеней подвижности и представляют собой
устройства с вращательными кинематическими парами, оси которых наклонены друг
к другу под некоторыми углами. Они конструируются соответственно требуемым
числу и виду (сгиб, ротация) ориентирующих степеней подвижности. На 5.2
показаны различные схемы ориентирующих механизмов. В частном случае ОМ может
отсутствовать ( 5.2,а) и тогда рабочий орган (РО) крепится непосредственно к
звену "руки" (Р). При необходимости иметь одну ориентирующую
степень подвижности используют ОМ, обеспечивающие ротацию ( 5.2, б) либо сгиб
( 5.2, в). Для получения двух или трех ориентирующих степеней подвижности ОМ
выполняются соответственно двухзвенными ( 5.2, г,д) или трехзвенными ( 5.2,
е, ж).
Рабочий орган является конечным элементом
"руки", непосредственно взаимодействующим с объектом
манипулирования или окружающими предметами. Для манипулирования объектами
рабочий
орган выполняют в виде захватного устройства,
конструктивное построение которого зависит от вида и параметров объекта, что-
обусловило большое многообразие разновидностей захватных устройств, подробно
рассматриваемых далее, в гл. 6.
Конструкция этих устройств зависит от вида применяемых
силовых приводов и от величин требуемых перемещений узлов манипулятора -
"руки", каретки или колонны.
В качестве силовых приводов применяют пневмо- и
гидроцилиндры, обеспечивающие прямолинейное движение, или различные моторы
(электрические, пневматические, гидравлические), вращательное движение
которых преобразуется в поступательное. Преобразование вида движения
осуществляется преимущественно с помощью реечных, винтовых, шариковинтовых
механизмов, а для снижения частоты вращения и повышения крутящего момента в
кинематической цепи между мотором и этими механизмами устанавливаются те или
иные редукторы. К наиболее компактным и удобным для использования в модулях
движения следует отнести планетарные и волновые редукторы.
схемы устройств для обеспечения прямолинейного движения с
использованием силовых пневмо- и гидроцилиндров. Наиболее просто реализуется
передача движения узлу (У)
при использовании цилиндра (Ц) двухстороннего действия (
5.3, а); применение двух цилиндров с общим штоком ( 5.3, б) позволяет
расположить шток на двух опорах, что снижает изгибающие нагрузки.
Использование цилиндра одностороннего действия ( 5.3, в) упрощает
золотниковую распределительную систему управления энергоносителем, но требует
введения пружины, обеспечивающей перемещение штока в одну из сторон.
Крепление захватного устройства непосредственно к штоку
цилиндра существенно упрощает конструкцию, и в этом случае шток исполняет
роль звена "руки", а цилиндр - роль направляющей, однако При
выдвижении захвата на полную величину И значительно возрастают поперечные
нагрузки на шток и уплотняющие элементы цилиндра от сил тяжести штока,
захватного устройства и объекта, что ограничивает применение такой схемы для
больших перемещений и грузо- подъемностей манипулятора Для исключения
возможного поворота относительно своей продольной ос-и шток соединяют с
дополнительной направляющей - скалкой (С). Разгрузить шток от поперечных
нагрузок можно путем крепления рабочего органа к специальной двухскаль- чатой
раме ( 5.3, <Э), в этом случае шток воспринимает только осевую нагрузку.
Когда требуемая величина перемещения н значительно
превышает длину хода штока, в состав устройства передвижения включают
телескопические цилиндры или выполняют его с несколькими цилиндрами. В таком
случае ( 5.3, е) суммарная величина перемещения Н складывается из величин/-^,
Н2 и Н3 ходов поршней соответствующих цилиндров, которые могут включаться в
работу одновременно и поочередно, что позволяет регулировать скорость
перемещения, а также упрощать позиционирование рабочего органа Существенное
достоинство этой схемы - малый габарит (вылет) "руки" со стороны,
противоположной рабочему органу.
При моторном приводе широко применяют устройства ( 5.4),
где ходовая гайка или зубчатая рейка, жестко связанные с перемещаемым звеном,
получают прямолинейное движение от мотора (М) через редуктор (Рд) и винт или
шестерню.
В конструкциях манипуляторов часто применяют различные
комбинированные устройства для создания прямолинейных движений со
значительными величинами перемещений Н звеньев при относительно малых
перемещениях элементов самих приводов - поршней и штоков цилиндров, гаек
винтов. схемы некоторых из таких устройств. Комбинация силового цилиндра с
зубчатореечной парой ( 5.5, а) позволяет получить перемещение узла Н, вдвое
больше величины хода S поршня. В этом случае ось шестерни закрепляют на конце
штока цилиндра, а саму шестерню располагают между двумя зубчатыми рейками:
одной - установленной на общей раме с цилиндром, другой - жестко связанной с
перемещаемым узлом.
Еще большего увеличения длины перемещения Н при
относительно малой величине рабочего хода штока можно достичь комбинацией силовых
цилиндров с различными шарнирно-рычажными механизмами. Так, в схеме,
показанной на 5.5,6, применены два связанных между собой шарнирных
параллелограмма одинаковых размеров, к рычагу одного из которых (левого)
присоединен шток гидроцилиндра, к концу другого (правого) - рабочий орган.
При перемещении поршня со штоком на величину S система параллелограммов
деформируется, обеспечивая прямолинейное перемещение рабочего органа на
величину Н. Параметры устройства выбирают из расчета получения хода рабочего
органа Н, который в несколько раз больше величины перемещения
Для устойчивости системы используется цепная передача с
двумя звездочками, из которых меньшая связана с правым параллелограммом, а
большая устанавливается неподвижно. По такой схеме, например, устроена
складывающаяся "рука" промышленного робота "Matbac
IRB-10" японской фирмы "Tokio-Keiki".
Сочетание силового привода с шарнирно-рычажной системой
ромбовидного построения ("нюрнбергские ножницы") находит применение
в модулях подъема каретки и выдвижения "руки". При движении по
направляющим ведущих элементов на величины 0,5 S крайняя точка
шарнирно-рычажной системы, связанная с каким-либо узлом манипулятора,
например, с кареткой, перемещается на величину Н, существенно большую, чем S.
В этом случае удобно приводить в движение ведущие элементы винтов с двумя
противоположными нарезками. Подобным механизмом подъема каретки в виде
четырех-
звенного пантографа оснащен промышленный робот
'"Универсал-5", з котором рычажный механизм выполняет функцию
повышающей передачи, обеспечивая при небольших размерах по высоте и малом
ходе ведущих элементов значительное вертикальное перемещение каретки (800 мм).
|