CC BY
227-9, 2012, Krasnoyarsk) / edited by U. U. Loginov ; Siberian State Aerospace University Krasnoyarsk, 2012. Part 1. P. 230-231.
5. Bogdanov A. A., Zhidenko I. G., Kiyatkin D. V., Kutlubaev I. M., Permyakov A. F. Poleznaya model'
Ispolnitel'nyj modul' manipulyatora. [Useful model Process execution module of manipulator]. Patent RF, no. 135956, 2013.
© ApacnaHOB M. C., 2016
УДК 621.865.8
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ В КОНСТРУКЦИЯХ
АНТРОПОМОРФНЫХ ЗАХВАТОВ
А. А. Богданов1'2, И. Г. Жиденко1, И. М. Кутлубаев1'2, А. Ф. Пермяков1
1АО «НПО Андроидная техника» Российская Федерация, 109518, г. Москва, ул. Грайвороновская, 23
2Магнитогорский государственный технический университет имени Г. Н. Носова Российская Федерация, 455000, г. Магнитогорск, просп. Ленина, 38 E-mail: [email protected], [email protected]
Излагается концепция построения системы передачи движения исполнительным звеньям антропоморфного захвата на базе дифференциальных механизмов. Представлены варианты практической реализации с использованием канатных и рычажных механизмов. Оценивается возможность применения подобных захватов для выполнения технологических операций из состава полетных заданий космонавта.
Ключевые слова: антропоморфный захват, дифференциальный механизм, функциональная схема, кинематическая схема, рычажный механизм, канатная передача.
USING DIFFERENTIAL MECHANISMS IN THE DESIGN OF ANTHROPOMORPHIC CAPTURE
A. A. Bogdanov1,2, I. G. Zhydenko1,3, I. M. Kutlubaev1,2, A. F. Ретуакот1
JSC "SPA "Android technics" 23, Grayvoronovskaya Street, Moscow, 109518, Russian Federation 2Nosov Magnitogorsk State Technical University 38, Lenin Av., Magnitogorsk, 455000, Russian Federation E-mail: [email protected], [email protected]
The motion translation to anthropomorphic gripper executive element system on the basis of differential gear structure is presented. There are practical implementation variants with rope and lever drive appliance. The opportunity of corresponding gripper appliance to execute process operations from cosmonaut flight job is estimated.
Keywords: anthropomorphic gripper, differential gear, functional scheme, kinematic scheme, lever device, rope drive, rope transmission.
Эксплуатация орбитальных станций (ОС) предполагает выполнение работ по обслуживанию и ремонту аппаратуры и оборудования, размещенных вне гер-мооотсеков. На сегодняшний день их реализация требует выхода космонавтов в открытый космос. Это сопряжено со значительным риском, затратами времени и ресурсов.
Безусловным трендом в научном и практическом аспекте является создание роботов, в первую очередь антропоморфных, космического исполнения [1; 2]. В полетных операциях определены действия космонавтов вне гермоотсеков. включающие: взятие рабочего инструмента из укладки, подготовку его к работе, стыковку / расстыковку кабельных разъемов, работу с гаечными ключами, кусачками, застегивание / расстёгивание карабинов.
Перечисленные действия осуществляются с использованием мелкой моторики. Выполнение аналогичных операций антропоморфным захватом возможно при наличии не менее семнадцати степеней подвижности.
Соблюдение жестких требований к научной аппаратуре по массе и энергопотреблению возможно за счет использования нетривиальных подходов к построению антропоморфного захвата. Наиболее перспективным является использование группового привода [3]. Это позволяет уменьшить число используемых двигателей до двух раз. Следствие возникающей при этом кинематической зависимости движения звеньев в пределах каждой исполнительной группы звеньев (ИГЗ) можно исключить, используя специальные конструктивные решения.
{Решетневс^ие чтения. 2016
Рис. 1. Схема построения группового привода с дифференциальной структурой системы передачи движения: а - функциональная схема; варианты построения кинематических схем; б - с канатной передачей;
в - с рычажным механизмом
Антропоморфный захват содержит пять исполнительных групп звеньев. Каждая ИГЗ включает три звена. Групповой привод используется для обеспечения движения звеньев вокруг параллельных осей.
Анализ последовательности движений кисти человека при удержании объемных объектов показал, что в общем случае удержание реализуется за счет контакта не менее чем двух фаланг каждого пальца. При этом соблюдается определенная последовательность движений - контакт начинается с фаланги, ближней к ладони.
Групповой привод с «внутренним входом» позволяет передавать движения со звена-аналога второй фаланги на два оставшихся и обеспечивает рациональную последовательность движения звеньев [4]. При контакте первого звена с объектом движение остальных звеньев сохраняется. Однако реализация данного принципа построения требует использования двух параллельных рычажных систем передачи движения, что ведет к усложнению системы передачи движения.
Более простая конструкция группового привода, с требуемой последовательностью движения выходных звеньев, обеспечивается при использовании в системе передачи движения дифференциальных механизмов. При этом осуществляется деление потока мощности (крутящего момента) на три, или два, выходных звена. Общий принцип построения отражен на функциональной схеме, представленной на рис. 1, а. Следует отметить, что функциональные схемы позволяют выполнять анализ и синтез на более высоком иерархическом уровне. В схемах моделируется процесс работы многодвигательных механизмов без конкретизации конструктивного исполнения, что позволяет формировать общие принципы построения [5].
На функциональной и кинематических схемах используются единые обозначения: А, В, С - кинемати-
ческие пары, 1, 2, и 3 - подвижные звенья, ti - регуляторы отбора мощности. Движение с двигателя, установленного на основании 0, передается одновременно на три звена по общей системе передачи движения а (стрелочка отражает направление потока мощности), имеющей кинематические соединения со всеми звеньями. Отбор мощности (деление потока) для реализации движения каждого звена 1, 2 и 3 обеспечивается за счет дополнительных силовых компонентов ti, устанавливаемых в кинематические пары. В наиболее простой версии регуляторы ti выполняются в виде устройства создания дополнительной нагрузки движению i звена в кинематической паре.
Реализация варианта с канатной передачей [6] обеспечила создание захватов, успешно используемых в роботах серии AR-600, выпускающихся АО «НПО «Андроидная техника» (рис. 2).
Рис. 2. Общий вид захвата с канатной системой передачи движения
Максимальные размеры кинематической пары А -15 х 18 мм. Для передачи движения используются канаты диаметром 1 мм. Это обеспечивает создание усилий до 5 Н на конце звена 3.
а б
Рис. 3. Функционирование антропоморфного захвата с групповым приводом исполнительных групп звеньев: а - снятие стопора контейнера «БИОРИСК»; б - установка карабина
Аналогичный по построению захват создается для оснащения робота космического исполнения серии SAR. Компактность конструкции ИГЗ позволяет выполнять действия с объектами размером до 2 мм.
Большие усилия создаются при использовании варианта с передачей движения через рычажный механизм (рис. 1, в). В этом случае на конце третьего звена развивается усилие до 48 Н. ИГЗ имеет максимальный поперечный размер 28 мм. Реализуемая последовательность движений, начиная с первых звеньев, обеспечивает выполнение типовых операций из состава полетных заданий (рис. 3).
В разработанных и апробированных вариантах построения систем передачи движения ИГЗ с использованием дифференциальных механизмов число активных приводов сокращено до восьми при общем числе степеней подвижности, равном семнадцати. Это позволило существенно упростить конструкцию и массу захвата. При этом обеспечивается последовательность движения выходных звеньев, достаточная для выполнения действий, соответствующих тонкой моторике.
Библиографические ссылки
1. Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Сычков В. Б. Перспективы создания антропоморфных робототех-нических систем для работы в космосе // Пилотируемые полеты в космос. 2012. № 1 (3). С. 78-84.
2. Жиденко И. Г., Богданов А. А., Кутлубаев И. М., Сычков В. Б. Обоснование выбора структурной схемы роботов космического исполнения // Решетневские чтения: материалы XVII Междунар. науч. конф., по-свящ. памяти акад. М. Ф. Решетнева (12-14 ноября 2013, Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2013. Ч. 1. С. 278-280.
3. Макаров А. Н., Кутлубаев И. М. Механика ма-нипуляционных систем : монография. Магнитогорск : МГТУ, 1999. 178 с.
4. Богданов А. А., Горбанева А. С., Кутлубаев И. М., Кутлубаева Ю. И. Принципы построения антропоморфных захватов с групповым приводом звеньев // Решетневские чтения : материалы XVIII Междунар. науч. конф., посвящ. памяти акад. М. Ф. Решетнева (10-14 сент. 2014, Красноярск) : в 2 ч. / под общ. ред.
Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2014. Ч. 1. С. 273-274.
5. Кутлубаев И. М. Использование структурных схем для анализа многодвигательных машин // Вестник машиностроения. 2004. № 12. С. 8-11.
6. Пат. 115712 Российская Федерация, МПК7 B25J15/12. Полезная модель Захват манипулятора / Богданов А. А., Канаева Е. И., Кияткин Д. В., Кутлу-баев И. М., Пермяков А. Ф. ; заявитель и патентообладатель Кияткин Д. В. и Пермяков А. Ф. № 2011153199; заявл. 26.12.11; опубл. 01.02.12. БИПМ. № 2, 2012. С. 48.
References
1. Bogdanov A. A., Kutlubaev I. M., Sychkov V. B. Promising anthropomorphic robotic systems for using in space // Manned space mission. 2012. № 1 (3). С. 78-84.
2. Zhidenko I. G., Bogdanov A. A., Kutlubayev I. M., Sychkov V. B. Explanation of structural scheme selection of space application robots // Reshetnev's readings: materials of XVI International Scientific Conference, dedicated to the member of the academy M. F. Reshetnev (November 12-14, 2013, Krasnoyarsk): at 17.00 / edited by U. U. Loginov; Siberian State Aerospace University Krasnoyarsk, 2013. Part 1. P. 278-280.
3. Makarov A. N., Kutlubayev I. M. Mechanic of manipulating systems: monograph. Magnitogorsk: Nosov Magnitogorsk State Technical University,1999. 178 p.
4. Bogdanov А. А., Gorbaneva А. S., Kutlubayev I. М., Kutlubayeva U. I. Principles of anthropomorphic captures construction with function elements group drive // Reshetnev's readings: materials of XVIII International Scientific Conference, dedicated to the member of the academy M. F. Reshetnev (November 10-12, 2014, Krasnoyarsk): at 17.00 / edited by U. U. Loginov; Siberian State Aerospace University Krasnoyarsk, 2014. Part 2. P. 273-274.
5. Kutlubayev I. М. The use of block diagrams for the analysis of multiengined machines // Vestnik mashinostroeniya. 2004. No 12. P. 8-11.
6. Boganov A. A., Kanaeva Е. I., Kiyatkin D. V., Kutlubayev I. M., Permyakov A. F. Poleznaya model' Zakhvat manipulyatora. [Useful model Manipulator gripper]. Patent RF, no. 115712, 2012.
© Богданов А. А., Жиденко И. Г., Кутлубаев И. М.,
Пермяков А. Ф., 2016
