Изобретение относится к робототехнике, в частности, к захватным устройствам для роботизированных систем манипулирования объектами.

Известны варианты захватных устройств, содержащие два или более пальцев (захватных рычагов), состоящих из разного количества звеньев, использующие различные механизмы управления рычагами, содержащие дополнительные датчики и т.д.

Так, патент США US9126332 раскрывает портативный роботизированный манипулятор, который содержит основание, множество моторизованных соединений, множество элементов кузова и захватное устройство. Захватное устройство содержит три пальца и отверстие для инструмента, центрированное между тремя пальцами.

Захватное устройство согласно патенту США US 10099388 содержит два или три пальца, причем каждый палец состоит из множества звеньев, предназначенных для захвата объекта. В момент оказания давления на объект проксимальное звено пальца сжимается. Проксимальные звенья приводятся в движение зубчатым колесом. Одним из преимуществ данного захватного устройства является способность адаптироваться к размерам захватываемых объектов.

Патент США US8991884 описывает захватное устройство, включающее в себя основание для крепления трех пальцев и размещенный в нем двигатель. Двигатель активируется для открытия и закрытия пальцев. Пальцы захватывают объект с силой, распределенной по всей поверхности пальца. Захватное устройство работает подобно человеческой руке, закрывая первый палец до тех пор, пока он не зацепит объект, затем закрывая второй палец до тех пор, пока он не зацепит объект, а затем закрывая третий палец. Роботизированный узел пальца содержит соединительный шкив, содержащий внутреннюю поверхность, которая входит в зацепление с внешней поверхностью вала шкива, причем указанные зацепляющие поверхности образуют управляющее трение. Также есть промежуточный шкив, содержащий внутреннюю поверхность. Описанные выше устройства позволяют обеспечить надежный захват объектов, а недостатками является их массивность, т.е. они достаточно тяжелые и большие по размерам, а также сложность конструкции, что влияет на надежность.

В качестве наиболее близкого аналога настоящего изобретения может быть выбрано захватное устройство согласно патенту РФ RU118579. Известное устройство содержит основной корпус, промежуточный корпус и зажимные губки, кинематически связанные между собой зубчатой передачей. В промежуточном корпусе установлен электродвигатель и планетарный редуктор. Основной корпус содержит систему управления и конусный фланец с электрическими соединителями. Устройство также содержит шестикомпонентный датчик сил и моментов, датчик измерения ширины раскрытия губок, тензорезистивные датчики касания, две телекамеры и четыре осветителя, резистивные нагревательные элементы и датчики температуры. Плоскопараллельное движение зажимных губок осуществляется двумя парами рычагов, на одной из которых закреплены цилиндрические зубчатые секторы, входящие в зацепление с зубчатой рейкой, совершающей возвратно-поступательное движение от передачи винт-гайка. Помимо прочего, захватное устройство обеспечивает надежность захвата и удержания объектов разной формы, безопасность захвата объекта, ускорение выполнения технологических операций за счет предоставления оператору более полной информации о процессе захвата и удержания объекта.

Основным недостатком ближайшего аналога является сложный механизм передачи усилия от электродвигателя к крайним звеньям пальцев, которые осуществляют захват. Так, указанный механизм включает планетарный редуктор, вращающийся винт, на котором установлена передача винт-гайка, соединенную с передачей винт-гайка зубчатую рейку, совершающую возвратно-поступательное движение, от которой усилие через зубчатые цилиндрические секторы передается на первые звенья пальцев. Такая длинная механическая цепь обладает низкой надежностью, а также является источником потерь мощности, в частности, из-за трения. Кроме того, малое количество звеньев пальцев захватного устройства не позволяет очень точно дозировать силу хвата, что потребовало использования датчиков сил и моментов и тензорезистивных датчиков, а также характеризуется недостаточно высокой подвижностью, необходимой для захвата сложных по форме объектов.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание такого захватного устройства, которое обеспечивает надежный захват сложных по форме объектов, пальцы которого могут прецизионно управляться (контролироваться) без использования сложных механизмов привода и дополнительных датчиков, но при этом обладает простой и надежной конструкцией.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности дозирования усилия захвата и поддержания его постоянным при одновременном снижении механических потерь при передаче усилия от привода к пальцам, упрощении и облегчении конструкции захватного устройства.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается в захватном устройстве, содержащем корпус, установленные в нем два подшипника, в которых с возможностью вращения размещен винт, управляемый приводным устройством, установленный на винте ползун, выполненный с возможностью совершения поступательного движения вдоль винта при вращении винта, и два многозвенных пальца, расположенных противоположно друг другу относительно ползуна. Каждый многозвенный палец содержит последовательно шарнирно соединенные своими концами первое звено, второе звено, третье звено и четвертое звено, где свободный конец первого звена шарнирно соединен с ползуном, а также пятое звено, одним своим концом шарнирно соединенное с корпусом, а другим своим концом шарнирно соединенное с четвертым звеном в области, отстоящей от места соединения четвертого звена с третьим звеном и от свободного конца четвертого звена.

В отличие от ближайшего аналога, в заявленном захватном устройстве усилие от привода передается исключительно через пару винт-ползун без преобразования его сначала в поступательное движение, а потом во вращательное. Усилие передается на первое, ближайшее к приводу звено, которое последовательно соединено с тремя звеньями вплоть до четвертого звена, осуществляющего захват, а не через промежуточное пятое звено, как это выполнено в устройстве-аналоге. Рычажная система из четырех последовательно соединенных звеньев и пятого звена, соединяющего четвертое звено с корпусом, как она реализована в заявленном захватном устройстве, обеспечивает точный контроль величины усилия сжатия и постоянство приложенного усилия сжатия даже при отсутствии датчиков силы, а кроме того, приложение усилия сжатия без лишних механических потерь, при этом обладая простой конструкцией.

Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается также в предпочтительных вариантах исполнения захватного устройства. В частности, на вторых звеньях могут быть выполнены выступы для ограничения перемещения соответствующих третьих звеньев по направлению друг к другу. При этом пятые звенья соединены друг с другом посредством пружинного элемента в областях, находящихся между местами крепления концов пятых звеньев к соответствующим концам четвертых звеньев и местами крепления концов пятых звеньев к корпусу. Такое исполнение позволяет с более высокой точностью управлять положением четвертого звена, осуществляющего захват, которое также определяется размерами захватываемого объекта и его положением относительно захватного устройства, и обеспечить параллельность захватных поверхностей четвертого звена друг другу в свободном состоянии захватного устройства.

Для более точной регулировки усилия захвата, исключения повреждения захватываемого объекта, распределения усилия на большую площадь и увеличения коэффициента трения между поверхностями звеньев и захватываемым объектом является предпочтительным, если обращенные друг к другу поверхности свободных концов четвертых звеньев, и/или обращенные друг к другу поверхности пятых звеньев и/или прилежащая к ним поверхность корпуса содержат эластичные накладки. Кроме того, для этих же целей на обращенных друг к другу поверхностях свободных концов четвертых звеньев, обращенных друг к другу поверхностях пятых звеньев, а также прилежащей к ним поверхности корпуса могут быть установлены датчики силы. В качестве датчиков силы предпочтительно использовать резисторы давления.

Еще Одним объектом настоящего изобретения, решающим поставленную задачу и позволяющим достичь заявленный технический результат, является способ захвата объекта посредством описанного выше захватного устройства. Согласно заявленному способу, размещают захватное устройство около объекта так, чтобы объект по крайней мере частично находился между обращенными друг к другу поверхностями свободных концов четвертых звеньев. Далее приводят во вращение винт и перемещают ползун в положение, при котором объект охватывают и сжимают по крайней мере обращенными друг к другу поверхностями свободных концов четвертых звеньев.

В предпочтительном варианте осуществления заявленного способа объект дополнительно охватывают и сжимают обращенными друг к другу поверхностями пятых звеньев. Кроме того, объект могут дополнительно прижимать к поверхности корпуса, прилежащей к обращенным друг к другу поверхностям пятых звеньев. При этом является предпочтительным, если при осуществлении способа задают и постоянно поддерживают значение силы сжатия объекта.

Далее заявленное изобретение и некоторые возможные варианты его осуществления более подробно поясняются со ссылкой на фигуры, на которых показано: на фиг. 1 - общая конструкция заявленного захватного устройства; на фиг. 2а, 2Ь, 2с - варианты захвата объекта; на фиг. 3 - предпочтительное размещение датчиков силы.

На фигурах ссылочными позициями отмечены:

1 - корпус;

2 - приводное устройство;

3 - винт;

4, 5 - подшипники;

6 - ползун;

7 - палец;

8 - первое звено;

9 — второе звено;

10 - третье звено;

11 - четвертое звено;

12 - штифт;

13 — шайба; 14 - пятое звено;

15 -выступ;

16 - пружинный элемент;

17 - штифт;

18, 19, 20 - накладки;

21 , 22, 23 - датчики силы.

Захватное устройство предназначено для захватывания и удержания с заданной силой сжатия и ориентацией в пространстве различных объектов. Захватное устройство (фиг. 1) в общем случае содержит корпус 1, в котором размещены приводное устройство 2, например, электродвигатель, соединенный с приводным устройством 2 винт 3, установленный с возможностью вращения в подшипниках 4, 5, ползун 6, который при вращении винта 3 совершает возвратно-поступательное движение вдоль винта 3, и механически связанные с ползуном 6 два многозвенных пальца 7.

Каждый из пальцев 7 состоит из пяти звеньев: первого звена 8, второго звена 9, третьего звена 10, четвертого звена 11, последовательно шарнирно соединенных друг с другом посредством штифтов 12 с установленными на них стопорными шайбами 13, и пятого звена 14. Свободный конец первого звена 8 шарнирно соединен с ползуном 6, так что перемещение ползуна 6 вызывает перемещение первого звена 8. Пятое звено 14 одним своим концом шарнирно соединено с корпусом 1 посредством штифта 17, а другим своим концом шарнирно соединено с четвертым звеном 11 в точке (области), отстоящей от места соединения четвертого звена 11 с третьим звеном 10 и от свободного конца четвертого звена 11, так что четвертое звено 11 выполняет вращательное движение относительно указанной точки. Свободный конец четвертого звена 11 по сути является захватной частью заявленного устройства.

При активации приводного устройства 2 приводится во вращение винт 3, что вызывает перемещение ползуна 6 и, соответственно, перемещение первого звена 8. Перемещение первого звена 8 передается дальше по звеньям пальца 7, вызывая перемещение противолежащих свободных концов четвертых звеньев 11 либо навстречу друг другу, либо друг от друга в зависимости от направления вращения винта 3, благодаря пятым звеньям 14, которые удерживают четвертые звенья 11 и ограничивают амплитуду их движения. Так осуществляется соответственно сведение и разведение захватных частей заявленного захватного устройства.

Для осуществления захвата объекта посредством заявленного захватного устройства размещают захватное устройство около объекта так, чтобы объект по крайней мере частично находился между обращенными друг к другу поверхностями свободных концов четвертых звеньев 11, приводят во вращение винт 3 и перемещают ползун 6 в положение, при котором объект охватывают и сжимают по крайней мере обращенными друг к другу поверхностями свободных концов четвертых звеньев 11.

На вторых звеньях 9 могут быть выполнены выступы 15 для ограничения перемещения соответствующих третьих звеньев 10 по направлению друг к другу и, соответственно, ограничения амплитуды движения четвертых звеньев 11. Наличие выступов 15, а также соединение пятых звеньев 14 друг с другом посредством пружинного элемента 16 через штифты 17 в областях, находящихся между местами крепления концов пятых звеньев 14 к соответствующим концам четвертых звеньев 11 и местами крепления концов пятых звеньев 14 к корпусу 1, позволяет обеспечить параллельность в свободном состоянии свободных концов четвертых звеньев 11, являющихся захватными частями заявленного захватного устройства.

В зависимости от размеров захватываемого объекта и положения его относительно пальцев 7 возможны приведенные на фиг. 2а, 2Ь, 2с различные варианты захвата объектов.

Так, захват и удержание объекта может осуществляться только свободными концами четвертых звеньев 11, как показано на фиг. 2а. Возможен вариант захвата объекта, при котором объект дополнительно охватывают и сжимают обращенными друг к другу поверхностями пятых звеньев 14, как показано на фиг.2Ь. Также возможен вариант захвата объекта, при котором объект еще и дополнительно прижимают к поверхности корпуса 1, прилежащей к обращенным друг к другу поверхностям пятых звеньев 14, как показано на фиг. 2с. При этом для предотвращения повреждения захватываемых объектов захватное устройство может быть дополнительно снабжено эластичными накладками 18, 19, 20, установленными соответственно на обращенных друг к другу поверхностях свободных концов четвертых звеньев 11, обращенных друг к другу поверхностях пятых звеньев 14 и прилежащей к ним поверхности корпуса 1, как показано на фиг. 1.

Для контроля силы сжатия объекта в углублениях четвертых звеньев 11 и корпуса 1 могут быть установлены датчики 21, 22, 23 силы, как показано на фиг. 3. Датчики 21 силы измеряют усилие при зажиме объекта согласно варианту, показанному на фиг. 2а, датчики 22 силы - согласно варианту, показанному на фиг. 2Ь, датчики 22, 23 силы - согласно варианту, показанному на фиг. 2с.

В качестве датчиков 21, 22, 23 силы могут быть использованы любые подходящей для этих целей устройства, например, резисторы давления, в частности резисторы давления атр-х126 (предпочтительно для датчиков 21, 23 силы) и атр-х125 (предпочтительно для датчиков 22 силы).

Наличие контроля силы сжатия позволяет задавать и постоянно поддерживать ее значение в зависимости от характеристик захватываемого объекта. Однако следует отметить, что и без датчиков 21, 22, 23 силы заявленное устройство показало свою возможность очень точно и четко дозировать силу сжатия, а также поддерживать ее постоянной в течение долгого времени даже после большого количества рабочих циклов. Тем не менее, для определенных объектов, например, хрупких, контроль приложенного усилия сжатия предпочтительно осуществлять с использованием датчиков 21, 22, 23 силы.

Может оказаться необходимым задать и далее поддерживать определенное значение силы сжатия объекта. Силу сжатия, в частности, можно определить посредством датчиков 21, 22, 23 силы. Что же касается последующего поддержания заданной силы сжатия, конструкция заявленного устройства позволяет это осуществлять без использования датчиков 21, 22, 23 силы, поскольку с помощью многозвенной системы пальцев 7 достаточно легко точно определять положение захватных поверхностей захватных звеньев 11 и дозировать силу захвата. Однако возможны ситуации, когда использование датчиков 21, 22, 23 силы для целей поддержания заданной силы сжатия объекта является целесообразным.

Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает надежный захват и удержание сложных по форме объектов, позволяя прецизионно управлять пальцами захватного устройства, обладает простой и надежной конструкцией и при этом характеризуется низкими механическими потерями при передаче усилия от привода к пальцам.