(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (51) IntCl6: B25J 9/06 B25J 3/00 (54) Manipulator (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 06/96 (73) Uprawniony z patentu: Politechnika Warszawska, Warszawa, PL (72) Twórcy wynalazku: Kazimierz Nazarczuk, Warszawa, PL Krzysztof Mianowski, Warszawa, PL (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/98 (74) Pełnomocnik: Woźnicki Jerzy PL B1 (57) 1. M anipulator składający się ze sztywnych członów połączonych szeregowo przegubami płaskimi, w którym dwa pierwsze przeguby mają osie równoległe do siebie a zespoły napędowe dwóch pierwszych stopni swobody są umieszczone na nieruchomej podstawie, znamienny tym, że pierwszy człon (2) ma postać ukośnej korby zakończonej z dwóch stron tulejami o osiach równoległych, korzystnie pionowych, wewnątrz której, w kanale łączącym tuleje, umieszczony jest ukośny równoległowód łączący drugi człon (6) z napędzającym ten człon drążonym wałem (3) osadzonym obrotowo w pierwszej tulei pierwszego członu (2), przy czym trzeci człon (7) oraz kiść manipulatora są napędzane przez oddzielne zespoły napędowe zamocowane na trzecim członie (7). FIG 1

2 M anipulator Zastrzeżenia patentowe 1. Manipulator składający się ze sztywnych członów połączonych szeregowo przegubami płaskimi, w którym dwa pierwsze przeguby mają osie równoległe do siebie a zespoły napędowe dwóch pierwszych stopni swobody są umieszczone na nieruchomej podstawie, znamienny tym, że pierwszy człon (2) ma postać ukośnej korby zakończonej z dwóch stron tulejami o osiach równoległych, korzystnie pionowych, wewnątrz której, w kanale łączącym tuleje, umieszczony jest ukośny równoległowód łączący drugi człon (6) z napędzającym ten człon drążonym wałem (3) osadzonym obrotowo w pierwszej tulei pierwszego członu (2), przy czym trzeci człon (7) oraz kiść manipulatora są napędzane przez oddzielne zespoły napędowe zamocowane na trzecim członie (7). 2. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że wiązka przewodów zasilania i sterowania jest doprowadzona do zespołów napędowych zamocowanych na trzecim członie (7) poprzez drążony wał (3), pomiędzy łącznikami (4) równoległowodu umieszczonego w kanale pierwszego członu (2), poprzez kanał drugiego członu (6) i otwór (16) w trzecim członie (7), przy czym ukośny równoległowód jest złożony z co najmniej trzech równoległych łączników (4) zakończonych przegubami (5). 3. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że trzeci człon (7) ma postać płyty o kształcie zbliżonym do trójkąta, w którego jednym wierzchołku jest osadzona kiść złożona z trzech członów, czwartego (8), piątego (9) i szóstego (10), zaś w dwóch pozostałych rozmieszczone są silniki napędowe (12,13,14) zespołu napędowego kiści i silnik (11) napędu trzeciego stopnia swobody. 4. Manipulator według zastrz. 1, znamienny tym, że przegub trzeci, utworzony przez obrotowe połączenie członów drugiego (6) i trzeciego (7) oraz przegub czwarty, utworzony przez obrotowe połączenie członu trzeciego (7) z kiścią, mają osie równoległe. 5. Manipulator według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że środek masy układu złożonego z członu drugiego (6) i trzeciego (7) jest usytuowany na osi przegubu pomiędzy członem pierwszym (2) i drugim (6). * * * Przedmiotem wynalazku jest manipulator, zwłaszcza o sześciu obrotowych stopniach swobody, bez ograniczeń konfiguracji. Znane są roboty typu SCARA, w których dwa pierwsze stopnie swobody stanowią szeregowe połączenie dwóch członów za pomocą przegubów płaskich o równoległych osiach pionowych, co eliminuje wpływ oddziaływania sił ciężkości na ruch w tych przegubach. W nowszych rozwiązaniach robotów SCARA obydwa zespoły napędowe dwóch pierwszych stopni swobody są umieszczone na nieruchomej podstawie, przy czym napęd drugiego członu odbywa się za pośrednictwem płaskiego równoległowodu dźwigniowego lub przekładni paskowej zębatej o przełożeniu 1:1. Zapewnia to zmniejszenie bezwładności elementów ruchomych i umożliwia eliminację interakcji dynamicznych dwóch pierwszych stopni, szczególnie ważną w przypadku stosowania silników elektrycznych napędu bezpośredniego (DIRECT DRIVE). Wadą typowego równoległowodu płaskiego jest ograniczony zakres przenoszonego ruchu obrotowego, a wadą przekładni paskowej mniejsza sztywność. W innych dziedzinach techniki, na przykład w konstrukcji maszyn rolniczych, spotyka się specjalne równoległowody ukośne zapewniające nieograniczony zakres przenoszonego ruchu obrotowego. W mechanizmach tych ruch obrotowy wału wejściowego

3 jest przenoszony na ruch wału wyjściowego za pomocą kilku łączników usytuowanych ukośnie, w stosunku do obu osi obrotu wałów, związanych z każdym wałem połączeniami obrotowymi o osiach równoległych ale nie pokrywających się z osiami wałów. Łączniki te w trakcie obracania się wałów mijają się wykonując ruchy postępowe po torach będących współśrodkowymi okręgami. Celem wynalazku jest opracowanie konstrukcji m anipulatora z zespołem napędowym dwóch pierwszych stopni swobody o osiach równoległych i nieograniczonych zakresach ruchów obrotowych oraz zredukowanych interakcjach dynamicznych w przegubach. Manipulator według wynalazku, składający się ze sztywnych członów połączonych szeregowo przegubami płaskimi, w którym dwa pierwsze przeguby mają osie równoległe do siebie a zespoły napędowe dwóch pierwszych stopni swobody są umieszczone na nieruchomej podstawie, charakteryzuje się tym, że pierwszy człon ma postać ukośnej korby zakończonej z dwóch stron tulejami o osiach równoległych, korzystnie pionowych, wewnątrz której, w kanale łączącym tuleje, umieszczony jest ukośny równoległowód łączący drugi człon napędzającym ten człon drążonym wałem osadzonym obrotowo w pierwszej tulei pierwszego członu. Trzeci człon oraz kiść manipulatora są napędzane przez oddzielne zespoły napędowe zamocowane na trzecim członie. Wiązka przewodów zasilania i sterowania jest doprowadzona do zespołów napędowych zamocowanych na trzecim członie poprzez drążony wał, pomiędzy łącznikami równoległowodu umieszczonego wewnątrz pierwszego człon, a następnie przez kanał drugiego członu i otwór w trzecim członie, przy czym ukośny równoległowód złożony jest z co najmniej trzech równoległych łączników zakończonych przegubami. Trzeci człon ma postać płyty o kształcie zbliżonym do trójkąta. W jednym wierzchołku tego trójkąta jest osadzona kiść złożona z trzech członów, czwartego, piątego i szóstego, dla której przeciwciężarem względem osi przegubu trzeciego są silniki napędowe zespołu napędowego kiści i silnik napędu trzeciego stopnia swobody rozmieszczone w dwóch pozostałych wierzchołkach trójkąta. Korzystnym jest, jeżeli przegub trzeci, utworzony przez obrotowe połączenie członów drugiego i trzeciego oraz przegub czwarty, utworzony przez obrotowe połączenie członu trzeciego z kiścią, mają osie równoległe, zaś środek masy układu złożonego z członu drugiego i trzeciego jest usytuowany na osi przegubu pomiędzy członem pierwszym i drugim. Podczas nieograniczonego ruchu obrotowego w pierwszym przegubie manipulatora wiązka przewodów nie ulega skręcaniu, lecz jedynie nieznacznemu zginaniu. Natomiast podczas ruchu obrotowego w drugim lub trzecim przegubie wiązka obraca się wewnątrz kanału i ulega skręcaniu na zewnątrz manipulatora co umożliwia wykonanie wielu obrotów w tych przegubach bez zniszczenia przewodów. Silniki zamocowane na trzecim członie manipulatora są tak usytuowane, że człon ten wraz z zamocowaną na min kiścią zakończoną chwytakiem jest w przybliżeniu równoważny bryle sztywnej, w której jedna z głównych centralnych osi bezwładności pokrywa się z osią przegubu trzeciego, a momenty bezwładności względem dwóch pozostałych osi głównych i centralnych są sobie równe. Odpowiednie usytuowanie środka masy układu złożonego z członu drugiego i trzeciego zapewnia, że bezwładność manipulatora nie zależy od konfiguracji ramienia, to znaczy od kątów obrotu w przegubie pierwszym, drugim i trzecim. Ponadto spełnienie tych warunków zapewnia również eliminację intrakcji dynamicznych w przegubach ramienia w przypadku, kiedy osie obrotu przegubów drugiego i trzeciego są do siebie prostopadłe. Natomiast równoległość osi osi przegubu trzeciego i czwartego przy odpowiednim rozkładzie mas kiści manipulatora powoduje, że jego bezwładność nie zależy również od kąta obrotu w przegubie czwartym i nie występują interakcje dynamiczne zależne od prędkości obrotowej w tym przegubie. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia ramię manipulatora w przekroju podłużnym wraz z widokiem

4 kiści, a fig. 2 przedstawia schematycznie rozmieszczenie na trzecim członie silników realizujących napęd trzeciego, czwartego, piątego i szóstego stopnia swobody w rzucie głównym. Człon pierwszy 2 manipulatora ma postać ukośnej korby zakończonej z obydwu stron krótkimi tulejami o równoległych osiach usytuowanych pionowo. Pierwsza z tych tulei, ułożyskowana na nieruchomej podstawie 1 manipulatora, jest napędzana przez nie pokazany na rysunku silnik napędowy pierwszego stopnia swobody odpowiadającego pierwszemu przegubowi manipulatora. Przegub ten stanowi opisane wyżej obrotowe połączenie pierwszej tulei członu 2 z podstawą 1. Wewnątrz tej tulei jest osadzony obrotowo drążony wał 3 napędzany przez silnik napędowy drugiego stopnia swobody nie pokazany na rysunku. Korpusy silników napędowych pierwszego i drugiego stopnia swobody są sztywno związane z podstawą 1 manipulatora. Drugi przegub manipulatora, odpowiadający drugiemu stopniowi swobody, stanowi obrotowe połączenie tulei umieszczonej na przeciwnym końcu pierwszego członu 2 z drugim członem 6. Napęd na drugi człon 6 jest przenoszony z wału 3 poprzez ukośny równoległowód utworzony przez trzy łączniki 4 zakończone z obydwu stron przegubami 5. Osie pierwszego i drugiego przegubu manipulatora są równoległe i usytuowane pionowo. Trzeci przegub manipulatora stanowi obrotowe połączenie drugiego członu 6 z członem trzecim 7, na którym jest osadzona kiść manipulatora, utworzona przez człon czwarty 8, piąty 9 i szósty 10, oraz zamocowane są cztery silniki 11,12,13, 14 realizujące napęd kolejnych stopni swobody, od trzeciego do szóstego. Człon trzeci 7 ma postać płyty o kształcie zbliżonym do trójkąta. Kiść jest osadzona w jednym z wierzchołków tego trójkąta. W drugim wierzchołku trójkątnej płyty zamocowany jest ciężki silnik 11 realizujący za pośrednictwem przekładni napęd trzeciego stopnia swobody, a w trzecim wierzchołku skupione są trzy lżejsze silniki 12,13,14, stanowiące wraz z odpowiednimi przekładniami układ napędowy kiści. Silniki 11, 12, 13 i 14 spełniają równocześnie rolę przeciwciężarów zapewniających odpowiedni rozkład mas, przy którym momenty bezwładności manipulatora nie zależą praktycznie od kątów obrotu w przegubach ramienia, tzn. w przegubie pierwszym, drugim i trzecim, a w przypadku kiedy osie przegubów drugiego i trzeciego są do siebie prostopadłe, wyeliminowane są również interakcje dynamiczne w tych przegubach, to znaczy macierz bezwładności ramienia jest diagonalna. Ponadto osie przegubów trzeciego i czwartego są do siebie równoległe, co zapewnia wyeliminowanie interakcji dynamicznych ramienia zależnych od prędkości obrotowej w czwartym przegubie. Wiązka przewodów elektrycznych 15 doprowadzających zasilanie i sygnały sterujące do silników 11,12,13 i 14 jest prowadzona kanałem biegnącym wewnątrz drążonego wału 3 i równoległowodu ukośnego w środku między łącznikami 4, a następnie kanałem wykonanym wzdłuż drugiego członu 6 i otworem 16 w trzecim członie 7 usytuowanym w osi przegubu trzeciego. Koniec tej wiązki jest przymocowany do członu trzeciego 7. Tak doprowadzona wiązka przewodów nie powoduje ograniczenia zakresu ruchu obrotowego w przegubach ramienia.

5 FIG 2

6 FIG 1 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł