Универсальные захватывающие устройства

При создании универсальных механических захватных устройств для манипулирования твердыми, хрупкими и мягкими объектами произвольной формы могут использоваться многозвенные механизмы, способные совершать волнообразные движения. В таких механизмах звенья приводятся в движение двумя тросами через систему роликов. Захватное устройство может удерживать объект любой формы, причем давление распределяется равномерно по всей линии контакта звеньев с объектом. Плотное облегание по всем точкам контура обеспечивается как для выпуклых, так и для вогнутых профилей объектов. Необходимым условием являются размерные ограничения на звенья, которые должны представлять собой малые сегменты, не имеющие резких изломов по длине.  

Наличие двух приводных тросов объясняется их функциями: один — разжимает звенья ЗУ, если требуется высвободить объект, другой — обеспечивает сжимание звеньев при захвате объекта. Таким образом, устройство не имеет индивидуальных сервоприводов для каждого из звеньев, а приводится в действие при помощи натяжения общих для всех звеньев тросов. Это упрощает конструкцию захватного устройства в целом и повышает надежность его ра­боты.  

Захватное устройство с описанными свойствами показано на рис. 11, а. Оно представляет собой многозвенную кинематическую цепь 3, звенья которой соединены сдвоенными роликами 4.Каждая из систем сдвоенных роликов связана тросовыми передачами 1 и 2 соответственно для сжимания и разжимания многозвенных кинематических цепей. Процесс захвата объекта 6начинается с положения захватного устройства, при котором за счет натяжения троса 2 звенья разжаты. При этом трос ослаблен. Когда объект за счет переносных движений руки с захватным устройством попадает в область захвата, т. е. оказывается между разжатыми нижней и верхней многозвенными кинематическими цепями 3, осуществляются постепенное ослабление троса 2 и натяжение троса 1. При натяжении троса 1 в процесс захвата вовлекаются поочередно все звенья кинематической цепи в направлении от основания к конечным звеньям 5 до тех пор, пока объект не окажется равномерно схваченным по периметру с пропорционально распределенным захватным усилием. Поскольку каждое звено обеспечивает определенное зажимное усилие, то при последовательном распространении такого усилия на очередное звено цепи начинает поворачиваться следующее звено, пока и оно не войдет в плотное соприкосновение с объектом. Процесс разжимания звеньев происходит в обратном направлении — от конечных звеньев 5 к основанию захватного устройства.  

Одним из основных вопросов при проектировании многозвенных ЗУ является выбор конструктивных соотношений роликового приводного механизма. Для конструкции со сдвоенными роликами соотношения радиусов роликов определяются следующей последовательностью: 1, 9/11, 8/10, 7/9. 6/8, 5/7, 4/6, 3/5, 2/4, 1/3, 0. Именно такое соотношение радиусов роликов в одиннадцатизвенной кинематической цепи с длиной звеньев по 3 см каждое при силе натяжения тросов 100 Н позволяет захватному устройству развивать захватное усилие 200 Н/см.  

Равномерное давление на поверхность захватываемого объекта, возможности регулирования захватного усилия в широком диапазоне и работы захвата с объектами сложной формы обусловливают широкое применение многозвенных механических ЗУ при обслуживании технологических процессов в машино-, приборо-, электроаппаратостроении и др.  

Наличие передаточных звеньев, не­обходимость установки приводного элемента двухстороннего действия, а также использование тросовых передач снижают надежность захватных устройств и усложняют конструкцию. Кроме того, конструктивные ограничения при выборе минимального размера элементов многозвенной кинематической цепи приводят к возникновению дискретных точек касания звеньев с поверхностью захватываемого объекта и, как следствие, к концентрации нагрузок на отдельных участках поверхности объекта.  

Этих недостатков можно избежать, если зажимной элемент выполнить в виде гибкой ленты 1,концы которой жестко закреплены в корпусе 3 захватного устройства (рис. 11, б). Шток 4 пневмопривода 5 присоединен к среднему перегибу ленты 1, два крайние перегиба которой служат губками ЗУ. Все устройство крепится к руке 6 промыш­ленного робота (или к ее кисти).  

В исходном положении шток 4 привода о выдвинут влево, и гибкая лента занимает положение, обозначенное на рисунке сплошной линией. После выведения захватного устройства манипуляционной системой промышленного робота в область расположения объекта от системы управления ПР на привод подается команда на продольное перемещение штока 4 вправо. Это перемещение вызывает деформацию упругой ленты 1, приводящую к перекатыванию ее внешних перегибов с уменьшением радиуса кривизны соответствующего участка ленты у мест ее крепления к корпусу 3. Появляются усилия, при которых внешние перегибы-губки стремятся сжать детали 2. Усилие захвата определяется упругими свойствами материала ленты 1, ее конструктивными параметрами (длиной, шириной, толщиной и радиусами закругления в местах крепления к корпусу 3 и штоку 4 привода 5), а также габаритными размерами захватываемого объекта.  

Возвращение губок в исходное положение может происходить под воздействием сил упругости материала ленты, и в этом случае для работы захватного устройства достаточно приводного элемента одностороннего действия. Если же для возвращения губок в исходное положение этих сил недостаточно, используются приводы двухстороннего действия.  

Описанное захватное устройство предназначено для захвата объектов, имеющих плоские поверхности, с которыми наилучшим образом взаимодействует эластичная лента. Наиболее универсальны ЗУ с эластично-схватывающими зажимными элементами, позволяющими производить захват объектов произвольных форм, жесткости, выполненных из различных материалов. Такие ЗУ обеспечивают необходимую податливость, приспособление к форме, равномерное распределение усилия зажима по всей поверхности объекта, т. е. оптимальные условия наложения удерживающих связей.
  Захватное устройство с эластично- охватывающими зажимными элементами (рис. 11, в)состоит из  корпуса 2 с размешенными в нем камерами 1 и силораспределительными нагнетателями 3, каналов 4 для подвода рабочего тела в полости камер 1 и амортизирующего сильфона 5. Захватное устройство кре­пится в руке 6 (или ее кисти) промышленного робота.  

В исходном положении рабочих камер воздух (рабочее тело) из них стравлен через нагнетатели 3 и каналы 4 в атмосферу. При этом захватное устройство выводится манипуляционной системой промышленного робота в область расположения объекта 7, После того, как объект 7 попал в зону между рабочими камерами 1, от системы управления ПР поступает команда на подачу воздуха через каналы 4 и нагнетатели 3 в полости рабочих камер 1. Происходит «мягкий» захват поверхности объекта 7 оболочками камер 1. При достижении давления в полостях камер, достаточного для удержания объекта, система подачи воздуха отключается. Высвобождение объекта 7 осуществляется стравливанием воздуха из полостей рабочих камер 1 и возвращением их в исходное положение.  

К недостаткам рассмотренных универсальных камерных ЗУ с эластично- охватывающими зажимными элементами относится избыточное давление на поверхность захватываемых объектов при наложении удерживающих связей. В ряде случаев, особенно при обслуживании объектов из хрупких материалов, избыточное давление недопустимо, а процесс удержания должен осуществляться за счет гравитационных сил (веса объекта). Вместе с тем сложная форма объектов и отсутствие четко выраженных базирующих поверхностей не допускают применения призматических, штыревых и других гравитационных ЗУ.
Применение камерных ЗУ с гранулированными наполнителями (см. рис. 11, в) также не всегда решает задачу захвата тел произвольной формы и жесткости, так как они не обеспечивают плотного прилегания материала рабочей камеры к поверхности захватываемого объекта, что приводит к неравномерным нагрузкам на эту поверхность. Кроме того, гранулированный сыпучий наполнитель не позволяет изменять усилия захвата. Поставленная задача может быть решена при использовании универсальных камерных захватных устройств с зажимными элементами в виде эластичных тонкостенных камер, заполненных электрореологической или электромагнитной жидкостью и снабженных соответственно управляемыми источниками электрического или магнитного поля.  

Захватное устройство (рис. 11, г) содержит корпус 6, в котором подвижно крепятся рычаги 2 с губками 5 в виде эластичных камер. Камеры соединены с рычагами через сильфоны 4, создающие амортизационный эффект при захвате объекта. В качестве наполнителей камер 5 используется электрореологическая или электромагнитная жидкость, представляющая собой суспензию, в состав которой входят жидкое тело (масла, керосин и т. п.) и находящиеся в нем во взвешенном состоянии частицы различных материалов (например, для электрореологической жидкости — частицы силикатов, для электромагнитной — ферромагнитные наполнители). В местах соединения корпусов рычагов 2 с камерами установлены управляемые источники 3электрического (например, электроды) или магнитного (например, электромагнитные катушки) поля.  

Захватное устройство функционирует следующим образом. В исходном положении рычаги 2разведены,  источники 3 электрического (магнитного) поля обесточены и электрореологическая (элетромагнитная) жидкость в камерах 5 губок находится в свободном (аморфном) состоянии. Для захвата объекта 1 захватное устройство выводится манипуляционной системой ПР в зону расположения объектов различной формы, которые могут находиться в произвольном положении навалом либо в предварительно ориентированном (упорядоченном).  

После выведения ЗУ в область расположения объекта 1 рычаги 2 по команде системы управления ПР сводятся до крайнего фиксированного положения. При этом в зависимости от свойств захватываемого объекта (жесткость, условия деформируемости поверхностей и т. п.) на управляемые источники 3 электрического (магнитного) поля от системы управления робота поступают управляющие сигналы необходимого уровня. Изменение напряженности электрического (магнитного) поля приводит к изменению вяжущих свойств наполнителей камер 5и упругих свойств губок, что обеспечивает необходимое для надежного захвата и удержания объекта 1 усилие, не превышающее допустимого из условия неповреждения деформируемых поверхностей захватываемого объекта. Если же форма захватываемого объекта такова, что возможно облегание его поверхностей эластичной тонкостенной камерой, удержание может происходить за счет гравитационных сил, т. е. веса самого объекта без дополнительных деформирующих усилий со стороны губок.  

После транспортирования объекта 1 к рабочей позиции управляемые источники 3обесточиваются, рабочая жидкость губок 5 восстанавливает исходные свойства, рычаги 2разводятся и объект 1 освобождается.  

Таким образом, применение электрореологических и электромагнитных жидкостей в качестве наполнителей рабочих камер позволяет значительно расширить технологические возможности захватных устройств за счет возможности расширения номенклатуры захватываемых объектов без переналадки ЗУ.  

Расширение функциональных возможностей промышленных роботов, обусловленное необходимостью обслуживания объектов, имеющих различные характеристики (конфигурация, масса, материал, механические свойства), требует использования более сложных приемов и технических средств получения и обработки сенсорной информации. Наиболее эффективным путем решения таких задач является использование адаптивных захватных устройств. При этом создаются условия для организации многоуровневой обработки информации, обеспечивающей уже на нижнем уровне (собственно захватные устройства) выделение при помощи детекторов простейших признаков захватываемого объекта, существенных для его распозна­вания и переналадки в широком диапазоне порога чувствительности встроенных сенсорных каналов в зависимости от поставленной задачи и состояния окружающей среды.
  Рассмотрим более подробно вопросы создания адаптивных ЗУ, выполняющих функции контроля геометрических параметров, распознавания формы, класса и положения объекта в пространстве. 

На рис. 12 показано ЗУ, позволяющее повысить надежность захвата объектов путем точного их базирования, а также позволяющее осуществить контроль геометрических параметров захватываемых объектов. Захватное устройство содержит две съемные губки 8 (рис. 12, а),установленные на рычагах 7. Рычаги насажены на оси с роликами 6, охваченными гибкой лентой 5. Оси роликов 6, установленные в корпусе 1 захватного устройства, неподвижны по отношению к рамке 4, перемещающейся по направляющим корпуса 1. Гибкая лента 5 одним концом жестко соединена с левой гранью рамки, а вторым — с помощью шарнира с коротким плечом двухплечевого рычага 11. Длинное плечо рычага 11 связано с регулировочным винтом 12.  

Такая механическая система представляет собой преобразователь линейных возвратно-поступательных движений выходного штока приводного двигателя 2 во вращательное движение установленных на осях роликов 6 и сво­дящее и разводящее движения насаженных на ролики 6рычагов 7 захватного устройства. Демпфирующее действие обеспечивается упругими свойствами пружины 3, связывающей шток приводного двигателя 2 с рамкой 4. Губки выполнены в виде призм (рис. 12, б), в которых устанавливаются сменные контактные пластины 15. Каждая губка снабжена измерительным устройством, представляющим собой пьезометрический преобразователь 14, расположенный на упругой пластине и связанный с блоком управления 10 и измерительным штоком 13 с шариковым наконечником со стороны расположения объекта 9.  

Захватное устройство работает следующим образом. В исходном положении шток приводного двигателя и рамка 4 находятся в левом крайнем положении, а рычаги 7 с губками 8 разведены. После выведения захватного устройства манипуляционной системой робота в область расположения объекта система управления ПР формирует команду на захват объекта. Включается приводной двигатель 2, его шток через упругую связь 3 воздействует на рамку 4,которая перемещается  слева направо, протаскивая гибкую ленту 5 через укрепленные на осях ролики 6.  

Рычаги 7 начинают сходиться до момента захвата объекта 9 губками 8. Поскольку размер захватываемого объекта 9 может отличаться от номинального (например, при его максимальном значении), в кинематической цепи оси роликов 6 — рычаги 7 — губки 8 — сменные контактные пластины 15 — объект 9 возникают деформации. Уменьшить деформации, приводящие к аварийным ситуациям, а также к повреждению поверхности объекта, позволяют введение демпфирующей упругой связи 3, правильный подбор угла охвата роликов 6 гибкой лентой 5, изменение соотношения коэффициентов трения материалов роликов и ленты и натяжения ленты регулировочным механизмом 11— 12. Вместе с тем сжатие пружины 3 повышает надежность захвата объекта губками 8 захватного устройства.  

Размер объекта определяется по деформации пьезометрического преобразователя 14,включенного согласно дифференциальной схеме, и фиксируется регистрирующим устройством блока управления 10.  

При необходимости захвата и контроля многоступенчатых объектов (типа ступенчатого вала, втулки) захватное устройство снабжается несколькими преобразователями поступательных перемещений во вращательные, имеющими различные передаточные отношения за счет подбора диаметров роликов соответственно ступеням объектов, на которые накладываются удерживающие связи, и выполненными аналогично преобразователю, состоящему из элементов 5...8. Преобразователи располагаются друг над другом и приводятся в движение одним приводным двигателем.  


Как видно из приведенного выражения, усилие захвата зависит от хода пружины. Для обеспечения постоянства усилия захвата предусмотрена конструкция захватного устройства с фрикционной связью между приводными роликами 6 и рычагами 7. Усилие захвата регулируется по объекту с наименьшим возможным диаметром. Тогда рамка 4 будет перемещаться до тех пор, пока шток приводного двигателя 2 и упругая связь 3 не займут свои крайние правые положения, что будет соответствовать расчетному усилию зажима.  

При захватывании других объектов (большего диаметра) шток двигателя 2 дойдет до крайнего правого положения, а пружина 3, перемещаясь после создания расчетного усилия зажима, вызовет дальнейшее перемещение рамки 4, но уже в режиме проскальзывания ленты 5относительно роликов 6. Таким образом, усилие зажима оказывается равным силе трения между лентой 5 и роликами 6 и практически не зависит от абсолютного размера захватываемого объекта в диапазоне, на который настроено ЗУ.  

Переналадка захватного устройства может заключаться в регулировании натяжения гибкой ленты регулировочным винтом 12, смене рычагов 7, контактных пластин 15, роликов 6 и упругой связи 3.  

Разновидность универсальных ЗУ— многопальцевая конструкция, в которой пальцы могут перемещаться вдоль своей продольной оси, адаптируясь к форме захваченной детали. В зависимости от конкретной конструкции фиксация детали в ЗУ производится различными способами: с помощью вакуумных присосок, расположенных на каждом из пальцев; механическим зажатием боковой поверхности детали прилегающими к ней пальцами; двухсторонним обхватом детали многопальцевыми створками. Установка датчика перемещения на каждом пальце дает возможность определять рельеф поверхности захваченной детали, ее размеры, расположение в плоскости ЗУ. Эта информация служит для выработки управляющих воздействий на приводы промышленного робота и внешние устройства.  

 Например, универсальное ЗУ (рис. 13), разработанное в Великобритании, состоит из двух секций, на которых укреплено по 128 телескопических пальцев. Каждый палец оснащен дискретным 16-уровневым датчиком перемещения. Все датчики перемещения соединены с блоком распознавания образов, из которого информация поступает на блок управления приводами ПР. Таким образом, многопальцевое ЗУ служит здесь в качестве датчика тактильной информации, на основе которой получают пространственный образ захваченной детали.  

Возможность получения большого объема информации в процессе захвата и перемещения деталей делает подобную систему в некоторых конкретных случаях даже более эффективной по сравнению с системой технического зрения (СТЗ), у которой некоторая часть времени до захвата определенной детали затрачивается на «осмотр». Кроме того, упрощается аппаратурное и программное обеспечение систем обработки поступающей информации за счет практически полного отсутствия искажений входной информации (для видеоизображений наличие таких искажений характерно) и меньшей избыточности входной информации, чем в СТЗ, где зачастую решают задачу изоляции неинформативных деталей, попадающих в поле зрения телекамеры.  

Общим недостатком универсальных ЗУ как датчиков тактильной информации является их низкая разрешающая способность. Точность измерения размеров детали в направлении продольной оси ЗУ может быть высокой благодаря применению совершенных датчиков перемещений пальцев. Например, ЗУ, разработанное в Японии, в качестве датчика перемещения имеет оптоэлектронную пару светодиод — фототранзистор. Перемещение измеряется по изменению интенсивности светового потока; при этом люкс-амперная характеристика фототранзистора интерполируется полиномом пятого порядка. Возможны и другие варианты технических решений — например, использование потенциометрических датчиков перемещения.  

Сложнее решить задачу повышения разрешающей способности схватов в плоскости, перпендикулярной к продольной оси пальцев. Это обусловлено ограничениями, накладываемыми на жесткость каждого пальца, необходимую для надежного захвата детали. Эта величина зависит от параметров захватываемой детали: массы, размеров, шероховатости боковых поверхностей.  

Поэтому при создании универсальных ЗУ необходимо учитывать конкретные условия их применения — для измерительных операции или же в основном для захвата разноразмерных деталей за приблизительно одинаковое время при резко ограниченных измерительных возможностях. В первом случае для уменьшения шага размещения пальцев функции удержания детали передаются вспомогательным узлам ЗУ, а сами пальцы используются в основном для получения тактильной информации.
  На рис. 14 изображен многопальцевый схват, в котором по краям каждой из четырех разводных губок имеется силовой Г-образный палец. Фиксация детали в таком схвате происходит в два этапа: 1) обжим боковой поверхности детали прямыми пальцами; 2) поворот на угол 45° Г-образных пальцев, на которые воздействует вес детали при перемещении, что позволяет выполнить прямые пальцы с меньшим поперечным сечением и разместить их с меньшим шагом.  

Такие схваты можно использовать в промышленности при выполнении контрольных операций, таких как выявление (по внешнему виду) бракованных изделий, предупреждение поступления к станкам неправильно расположенных деталей и т. д. В большинстве случаев детали имеют правильные геометриче­ские формы и наиболее простой способ их распознавания — отыскание коэффи­циента формы изделия К_ф = L²/S,  

где L — периметр изделия,  

S — его площадь.  

Существуют таблицы для определения К_ф в зависимости от геометрической формы детали. Практически, чтобы определить К_ф, нужно измерить площадь детали по количеству утопленных пальцев, а периметр найти как сумму гипотенуз АВ, BE, аппроксимирующих треугольников (рис. 15), или проще — отрезков ступенчатой кривой АС, СВ, BD.... 
   

Погрешность определения периметра детали по формуле является случайной величиной и в неблагоприятных условиях может достигать 40 %. Повышение разрешающей способности измерения размера детали по каждому ряду пальцев позволяет систематизировать эту погрешность, сделав ее всегда положительной величиной.  

Установлено, что для большинства конфигураций деталей погрешность сохраняется на уровне 30 % и может учитываться как систематическая.  

Практически повышение разрешающей способности измерения размера детали по ряду пальцев возможно при вве­дении дополнительной податливости в плоскости, перпендикулярной к про­дольной оси пальцев. Конструктивно дополнительная податливость обеспечи­вается плоской пружиной, соединяющей две части каждого пальца. Определив прогиб пружины, возникающий при зажиме детали, можно судить о ее точном размере в направлении расположения данного ряда пальцев.  

Процесс измерения размера детали при использовании такого схвата состоит из двух этапов: 1) грубое измерение по числу утопленных пальцев; 2) уточнение результата по прогибу соответствующей пружины.  

Следует отметить, что создание универсальных ЗУ с несколькими податливостями позволяет использовать описанную конструкцию и для выполнения сборочных операций. Здесь плоские пружины служат в качестве пассивного центрирующего звена, облегчающего сборку изделий. Изучается возможность использования такой податливости для получения тактильной информации о сборочном процессе с целью введения корректирующих движений манипулятора.