RU2803718C2 - Amenable differential hinge of the manipulator with torque sensing - Google Patents
Amenable differential hinge of the manipulator with torque sensing Download PDFInfo
- Publication number
- RU2803718C2 RU2803718C2 RU2021123490A RU2021123490A RU2803718C2 RU 2803718 C2 RU2803718 C2 RU 2803718C2 RU 2021123490 A RU2021123490 A RU 2021123490A RU 2021123490 A RU2021123490 A RU 2021123490A RU 2803718 C2 RU2803718 C2 RU 2803718C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- differential
- gears
- manipulator
- housing
- gear
- Prior art date
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000036316 preload Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 8
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 230000002285 radioactive effect Effects 0.000 description 2
- 231100000987 absorbed dose Toxicity 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 210000001145 finger joint Anatomy 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 210000002478 hand joint Anatomy 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000002927 high level radioactive waste Substances 0.000 description 1
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000008188 pellet Substances 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Abstract
Description
Изобретение относится к дифференциальным механизмам, в частности к механизмам двухстепенных дифференциальных шарниров роботов, и может быть использовано для улучшения динамических показателей шарнира, реализации силомоментного очувствления и устранения механических люфтов, особенно в механизмах радиационно-стойких манипуляторов.The invention relates to differential mechanisms, in particular to the mechanisms of two-degree differential hinges of robots, and can be used to improve the dynamic performance of the hinge, implement force-torque sensing and eliminate mechanical backlash, especially in the mechanisms of radiation-resistant manipulators.
Целью изобретения является расширение возможностей существующих радиационно-стойких манипуляторов с кинематикой, аналогичной манипулятору «МЭМ».The purpose of the invention is to expand the capabilities of existing radiation-resistant manipulators with kinematics similar to the MEM manipulator.
Известен "Дистанционный копирующий манипулятор" (SU 590136 A1, МПК B25J 3/04, опубл. 30.01.1978), задающий базовые принципы кинематики радиационно-стойкого манипулятора, приводные агрегаты которого вынесены за пределы биологической защиты, в то время как сам манипулятор находится в радиационно-опасной среде. Каждый шарнир такого манипулятора представляет собой механический дифференциал с двумя степенями свободы - углом тангажа и углом крена. Передача момента от приводов производится по двум телескопическим валам, приводящим в движение конические шестерни первой и второй ступени. Каждой шестерне соответствует дифференциальное коническое колесо, причем колеса четных ступеней расположены с одной стороны от плоскости поворота по тангажу, а колеса нечетных ступеней - с противоположной стороны. Кинематическая схема звена замыкается двойной шестерней, входящей в зацепление сразу с двумя дифференциальными колесами, в результате чего шарнир приобретает две степени свободы - поворот оси двойной шестерни (тангаж), и поворот вокруг оси двойной шестерни (крен). Угол поворота по тангажу определяется полусуммой углов поворота дифференциальных колес, а угол поворота по крену - полусуммой углов поворота приводных шестерен, в целом же узел реализует взаимно однозначное линейное преобразование углов поворота входных шестерен в углы поворота шарнира. При необходимости, одна из двух степеней свободы может быть устранена закреплением соответствующего дифференциального колеса на корпус шарнира. Применение шарниров такой конструкции совместно с телескопическими валами позволяет построить манипулятор с любым числом вращательных степеней свободы. Ключевым преимуществом этой схемы является огромная радиационная стойкость манипулятора, ограниченная только стойкостью металлических деталей и смазки (при ее наличии). Благодаря этому преимуществу, описанная схема построения манипулятора не имеет альтернатив в областях применения с интегральной поглощенной дозой более 1 МРад, таких как обращение с высокоактивными радиационными отходами, работы по ликвидации аварий с радиоактивным загрязнением, и работы с синтетическими высокоактивными изотопами.The “Remote copying manipulator” is known (SU 590136 A1, IPC B25J 3/04, publ. 01/30/1978), which sets the basic principles of the kinematics of a radiation-resistant manipulator, the drive units of which are placed outside the biological protection, while the manipulator itself is in radiation hazardous environment. Each joint of such a manipulator is a mechanical differential with two degrees of freedom - a pitch angle and a roll angle. The transmission of torque from the drives is carried out via two telescopic shafts that drive the bevel gears of the first and second stages. Each gear corresponds to a differential bevel gear, with the even-numbered gear wheels located on one side of the pitch rotation plane, and the odd-numbered gear wheels on the opposite side. The kinematic diagram of the link is closed by a double gear that meshes with two differential wheels at once, as a result of which the hinge acquires two degrees of freedom - rotation of the axis of the double gear (pitch), and rotation around the axis of the double gear (roll). The pitch angle of rotation is determined by the half-sum of the rotation angles of the differential wheels, and the roll angle is determined by the half-sum of the rotation angles of the drive gears; in general, the unit implements a one-to-one linear transformation of the rotation angles of the input gears into the hinge rotation angles. If necessary, one of the two degrees of freedom can be eliminated by attaching the corresponding differential wheel to the hinge body. The use of hinges of this design together with telescopic shafts makes it possible to build a manipulator with any number of rotational degrees of freedom. The key advantage of this scheme is the enormous radiation resistance of the manipulator, limited only by the resistance of metal parts and lubricant (if any). Thanks to this advantage, the described design of the manipulator has no alternatives in areas of application with an integral absorbed dose of more than 1 MPad, such as the management of high-level radioactive waste, work to eliminate accidents with radioactive contamination, and work with synthetic high-level isotopes.
Описанный выше манипулятор обладает рядом недостатков:The manipulator described above has a number of disadvantages:
- технологические неточности, возникающие при изготовлении зубчатых колес, требуют от конструктора предусмотреть зазор в зацеплении, чтобы обеспечить собираемость узла шарнира, что, в свою очередь, приводит к люфтам;- technological inaccuracies that arise during the manufacture of gears require the designer to provide a gap in the engagement to ensure the assembly of the hinge assembly, which, in turn, leads to backlash;
- из-за влияния на положение шарнира положений всех шарниров, предшествующих данному по кинематической цепи, проблема механического люфта усиливается, что приводит к существенным ошибкам позиционирования конечного звена, в несколько раз превосходящим аналогичные ошибки у манипуляторов других кинематических схем,- due to the influence on the position of the hinge of the positions of all hinges preceding this one along the kinematic chain, the problem of mechanical play intensifies, which leads to significant errors in the positioning of the final link, several times greater than similar errors in manipulators of other kinematic schemes,
- наличие механических люфтов значительно затрудняет реализацию обратной связи по положению, и делает невозможным определение положения манипулятора по датчикам положения выходных валов приводов,- the presence of mechanical backlash significantly complicates the implementation of position feedback, and makes it impossible to determine the position of the manipulator using the position sensors of the drive output shafts,
- нелинейная жесткость манипулятора, вызванная в том числе люфтами, не позволяет корректно определить усилия в шарнирах, в результате чего значительно осложняется работа с хрупкими и податливыми объектами, такими как подготовленные к спеканию топливные таблетки, пробирки, щупы, тонкие трубки,- the nonlinear rigidity of the manipulator, caused, among other things, by backlashes, does not allow the forces in the hinges to be correctly determined, as a result of which it is significantly more difficult to work with fragile and pliable objects, such as fuel pellets prepared for sintering, test tubes, probes, thin tubes,
- поскольку единственным способом надежно определить положение конечного звена манипулятора является визуальное наблюдение, в конструкцию защитного бокса для работы манипулятора должно входить дорогостоящее оптическое окно, что создает технологические и экономические трудности при оборудовании участка работы манипулятора, и, кроме того, снижает его радиационную безопасность для окружающей среды, поскольку создается канал возможной утечки радиоактивной пыли через уплотнение оптического окна.- since the only way to reliably determine the position of the final link of the manipulator is visual observation, the design of the protective box for the operation of the manipulator must include an expensive optical window, which creates technological and economic difficulties when equipping the area where the manipulator operates, and, in addition, reduces its radiation safety for the environment environment, since a channel for possible leakage of radioactive dust is created through the seal of the optical window.
Несмотря на известные преимущества, механические дифференциалы редко используются в робототехнике, в основном из-за усложнения кинематической схемы манипулятора. Наиболее частое применение такие механизмы находят в устройстве шарниров кисти или пальца, например, в известных решениях US 20200039064 A1 (Недорогая податливая рука робота и система для манипуляций, патент на изобретение, МПК B25J 18/00, опубл. 06.02.2020) и US 10330182 B2 (Привод робота, использующий дифференциальную шкивную передачу, патент на изобретение, МПК F16H 19/08, опубл. 09.03.2017). В указанных решениях используется базовая конструкция дифференциала, без изменений в его кинематической схеме, а преимуществом от применения дифференциала является компактность конструкции кисти робота. При этом многоступенчатое построение, по типу рассмотренного выше радиационно-стойкого манипулятора, не реализуется, что, разумеется, устраняет все недостатки, связанные с возникновением механических люфтов, но не обеспечивает преимуществ по радиационной стойкости робота.Despite the well-known advantages, mechanical differentials are rarely used in robotics, mainly due to the increased complexity of the kinematic circuit of the manipulator. The most common application of such mechanisms is in the design of hand or finger joints, for example, in the well-known solutions US 20200039064 A1 (Low-cost pliable robot arm and manipulation system, patent for invention, IPC B25J 18/00, published 02/06/2020) and US 10330182 B2 (Robot drive using differential pulley transmission, patent for invention, IPC F16H 19/08, publ. 03/09/2017). In these solutions, the basic design of the differential is used, without changes in its kinematic diagram, and the advantage of using a differential is the compact design of the robot's hand. In this case, a multi-stage construction, similar to the radiation-resistant manipulator discussed above, is not implemented, which, of course, eliminates all the disadvantages associated with the occurrence of mechanical backlash, but does not provide advantages in terms of radiation resistance of the robot.
Известны решения по устранению механических люфтов в дифференциальных приводах колесного транспорта. В изобретениях «Дифференциальный зубчатый механизм с датчиком обнаружения блокировки» (JP 4692804 B2, МПК F16H 48/22, опубл. 29.07.2004), «Качающийся дифференциал с пружиной сопротивления» (JP 2015526676 A, МПК F16H 48/22, опубл. 10.09.2015) упругие элементы использованы для устранения нежелательных шумов в дифференциале, и, попутно, решают задачу устранения механического люфта. Недостатком этих изобретений является тот факт, что, несмотря на наличие упругих элементов, измерение крутящего момента в дифференциале не реализовано. Кроме того, поскольку автомобильный дифференциал, используемый в данных изобретениях, обладает только одной актуированной степенью свободы (привод мотора), его использование в качестве полностью контролируемого двухстепенного шарнира робота невозможно.There are known solutions for eliminating mechanical backlash in differential drives of wheeled vehicles. In the inventions “Differential gear mechanism with a locking detection sensor” (JP 4692804 B2, IPC F16H 48/22, publ. 07/29/2004), “Oscillating differential with a resistance spring” (JP 2015526676 A, IPC F16H 48/22, publ. 10.09 .2015) elastic elements are used to eliminate unwanted noise in the differential, and, at the same time, solve the problem of eliminating mechanical play. The disadvantage of these inventions is the fact that, despite the presence of elastic elements, torque measurement in the differential is not implemented. In addition, since the automobile differential used in these inventions has only one actuated degree of freedom (motor drive), its use as a fully controlled two-degree of freedom joint of a robot is not possible.
Известно «Многосекционное компенсирующее скорость/крутящий момент электромеханическое устройство преобразования энергии» (US 20200088283 A1, МПК F16H 48/36, опубл. 19.03.2020), в котором устранение механических люфтов, равно как и задача контроля момента решены благодаря реализации прямого привода непосредственно в дифференциальном механизме, то есть за счет замены механических сил зацепления на электромагнитные. Несмотря на очевидные преимущества, такое устройство не может обладать высокой радиационной стойкостью, поскольку электроприводы шарнира интегрированы в его конструкцию. Также недостатком данного устройства является его низкая ремонтопригодность, поскольку в конструкции использованы специальным образом сконструированные электроприводы и сенсоры, и их замена невозможна без полной разборки устройства. В то же время, электроприводы и датчики являются в данной конструкции элементами с наименьшим ресурсом.It is known “Multisection speed/torque compensating electromechanical energy conversion device” (US 20200088283 A1, IPC F16H 48/36, publ. 03/19/2020), in which the elimination of mechanical backlash, as well as the problem of torque control, are solved thanks to the implementation of direct drive directly in differential mechanism, that is, by replacing mechanical engagement forces with electromagnetic ones. Despite the obvious advantages, such a device cannot have high radiation resistance, since the electric drives of the hinge are integrated into its design. Another disadvantage of this device is its low maintainability, since the design uses specially designed electric drives and sensors, and their replacement is impossible without completely disassembling the device. At the same time, electric drives and sensors are the elements with the shortest service life in this design.
Наиболее близким по своей технической сути к заявляемому изобретению устройством, принимаемым в качестве ближайшего аналога, является изобретение «Повышение устойчивости управления тягой и рысканием в электронно управляемых дифференциалах с ограниченным скольжением» (US 7801657 B2, МПК B60K 17/16, опубл. 21.09.2010).The device closest in its technical essence to the claimed invention, accepted as the closest analogue, is the invention “Increasing the stability of traction and yaw control in electronically controlled limited slip differentials” (US 7801657 B2, IPC B60K 17/16, publ. 09/21/2010 ).
Существенными признаками данного изобретения являются:The essential features of this invention are:
- наличие упругих элементов на осях дифференциальных шестерен,- the presence of elastic elements on the axes of differential gears,
- наличие датчиков положения каждого из колес, а также датчика положения приводного вала,- the presence of position sensors for each wheel, as well as a drive shaft position sensor,
- наличие датчика положения каждой из дифференциальных шестерен, измеряющего угол ее поворота, отличный от угла поворота колеса,- the presence of a position sensor for each of the differential gears, measuring its angle of rotation, different from the angle of rotation of the wheel,
- определение момента, созданного на каждом из колес, как частного от деления разности показаний датчиков поворота колеса и поворота шестерни, на соответствующую жесткость упругого элемента.- determination of the torque created on each of the wheels as the quotient of dividing the difference in the readings of the wheel rotation sensor and gear rotation sensor by the corresponding stiffness of the elastic element.
Наличие вышеописанных существенных признаков в совокупности с другими признаками, приведенными в описании ближайшего аналога, которые не являются существенными с точки зрения заявляемого изобретения, позволяет устранить люфты, и, в то же время, обеспечить измерение крутящего момента и управление им.The presence of the above-described essential features in combination with other features given in the description of the closest analogue, which are not essential from the point of view of the claimed invention, makes it possible to eliminate backlash and, at the same time, ensure torque measurement and control.
В то же время прототип обладает рядом недостатков:At the same time, the prototype has a number of disadvantages:
- одна из степеней подвижности механизма зафиксирована, что не позволяет использовать его в качестве шарнира робота,- one of the degrees of mobility of the mechanism is fixed, which does not allow it to be used as a robot hinge,
- в конструкции использовано пять датчиков угла поворота, тогда как для определения двух крутящих моментов и полного разрешения кинематики устройства достаточно четырех датчиков,- the design uses five rotation angle sensors, while four sensors are sufficient to determine two torques and fully resolve the kinematics of the device,
- два датчика угла поворота, а именно - датчики поворота дифференциальных шестерен, не могут быть установлены никаким другим способом, кроме как соосно шестерне, что означает невозможность их замены в случае ремонта, в то же время датчик является наименее надежным элементом всей конструкции.- two rotation angle sensors, namely differential gear rotation sensors, cannot be installed in any other way than coaxially with the gear, which means that they cannot be replaced in case of repair, at the same time the sensor is the least reliable element of the entire structure.
Для устранения отмеченных выше недостатков заявителем предлагается податливый дифференциальный шарнир манипулятора с силомоментным очувствлением, содержащий дифференциальный механизм с двумя дифференциальными шестернями, двумя дифференциальными колесами и одной двойной шестерней, установленными в корпус, и дифференциальные шестерни которого оснащены упругими элементами и датчиками углового положения, установленными между упругими элементами и нагрузкой, но, в отличие от ближайшего аналога, двойная шестерня дифференциала установлена в корпусе подвижно, обеспечивая вторую степень свободы механизма, а дифференциальные шестерни являются не выходными, а входными звеньями механизма, с подключением к ним соответствующих приводов, при этом оба дифференциальных колеса оснащены датчиками углового положения относительно корпуса дифференциала, а упругими элементами обеспечен предварительный натяг, соответствующий повороту диффернциального колеса как минимум на один зуб. Рекомендуется, хотя и не является существенным для настоящего решения, установка датчиков положения дифференциальных шестерен вне оси шестерни, за счет применения разрезных безлюфтовых зубчатых колес.To eliminate the above-mentioned shortcomings, the applicant proposes a compliant differential joint of a manipulator with force-torque sensing, containing a differential mechanism with two differential gears, two differential wheels and one double gear installed in the housing, and the differential gears of which are equipped with elastic elements and angular position sensors installed between the elastic elements and load, but, unlike its closest analogue, the double differential gear is movably installed in the housing, providing a second degree of freedom of the mechanism, and the differential gears are not the output, but the input links of the mechanism, with the corresponding drives connected to them, while both differential wheels are equipped with angular position sensors relative to the differential housing, and elastic elements provide a preload corresponding to turning the differential wheel by at least one tooth. It is recommended, although not essential for this solution, to install differential gear position sensors outside the gear axis, through the use of split backlash-free gears.
В результате применения предлагаемого технического решения достигаются следующие преимущества:As a result of using the proposed technical solution, the following advantages are achieved:
- устраняется механический люфт в дифференциальной передаче,- mechanical play in the differential transmission is eliminated,
- снижается чувствительность передачи к ударам,- the sensitivity of the transmission to shocks is reduced,
- реализуется управление обеими степенями подвижности дифференциальной передачи,- control of both degrees of freedom of the differential transmission is implemented,
- сохраняется возможность масштабирования узла для построения на его основе многостепенного манипулятора робота,- the possibility of scaling the unit to build a multi-degree robot manipulator on its basis is retained,
- обеспечивается свободный подход инструмента, в том числе установленного на другом манипуляторе, для замены всех датчиков угла, причем эта замена не требует снятия с манипулятора никаких дополнительных деталей, кроме собственно датчика,- a free approach is provided for the tool, including one installed on another manipulator, to replace all angle sensors, and this replacement does not require the removal of any additional parts from the manipulator, except for the sensor itself,
- обеспечивается возможность измерения как углов поворота дифференциального шарнира, так и моментов сил, приложенных по каждой из его степеней свободы.- it is possible to measure both the angles of rotation of the differential hinge and the moments of forces applied along each of its degrees of freedom.
В качестве датчиков положения в данном техническом решении могут выступать любые аналоговые или цифровые датчики, удовлетворяющие требованиям к шарниру в целом. Для радиационно-стойкого исполнения шарнира предпочтительным является применение вращающихся трансформаторов, сочетающих высокую радиационную стойкость и достаточно хорошие точностные показатели.The position sensors in this technical solution can be any analog or digital sensors that meet the requirements for the hinge as a whole. For radiation-resistant design of the hinge, it is preferable to use rotating transformers that combine high radiation resistance and fairly good accuracy indicators.
Данное изобретение предполагает использование любого из известных типов приводов для создания момента на входных валах шарнира.This invention involves the use of any of the known types of drives to create torque on the input shafts of the hinge.
Суть предлагаемого изобретения в одном из возможных (но не единственном) вариантов реализации поясняется на фиг. 1, где представлена кинематическая схема шарнира, фиг. 2, представляющей собой возможный вариант реализации упругого элемента, и фиг. 3, на которой представлена механическая часть шарнира в разрезе.The essence of the proposed invention in one of the possible (but not the only) implementation options is illustrated in Fig. 1, which shows the kinematic diagram of the hinge, Fig. 2, which represents a possible embodiment of the elastic element, and FIG. 3, which shows the mechanical part of the hinge in section.
Конструкция предлагаемого изобретения основана на кинематике дифференциального шарнира, описанного в SU 590136 A1. В корпус шарнира 1 установлены на подшипниковых опорах два телескопических вала: вал привода первой ступени 2 и второй ступени 3. Вал привода первой ступени 2 заканчивается шестерней 4, в данной реализации привода использовано коническое зацепление. Эта шестерня связана с безлюфтовым колесом 5, обеспечивающим передачу вращения на датчик ВТ1 (6). Через упругий элемент с крутильной жесткостью k1 шестерня 4 связана с шестерней дифференциала 7. Вторая ступень дифференциала не содержит упругого элемента, и шестерня второй ступени дифференциала 8 закреплена непосредственно на валу второй ступени 3. Блоки колес дифференциалов организованы сходным образом. Каждое колесо (9, 10) входит в зацепление с соответствующей шестерней (7, 8), а угол поворота колеса относительно корпуса 1 измеряется соответствующим датчиком (11, 12). Ось 13 воспринимает радиальные усилия в дифференциале, в то время как осевые усилия передаются упорными подшипниками на вилку корпуса выходного звена 14. Дифференциальное колесо второй ступени 10 входит в зацепление с первой половиной двойной шестерни 15, а дифференциальное колесо первой ступени 9 входит в зацепление со второй половиной двойной шестерни 16. Первая половина двойной шестерни 15 жестко (например, с помощью тугой шлицевой посадки) связана с шестерней 17, которая, в свою очередь, жестко закреплена на выходном валу 18. Вторая половина двойной шестерни 16 связана с шестерней 17 через упругий элемент с жесткостью k2. Шестерня 17 входит в зацепление с безлюфтовой шестерней 19, передающей ее вращение на датчик 20, аналогично такому же узлу во входной части шарнира.The design of the proposed invention is based on the kinematics of the differential joint described in SU 590136 A1. Two telescopic shafts are installed in the hinge housing 1 on bearing supports: the drive shaft of the first stage 2 and the second stage 3. The drive shaft of the first stage 2 ends with gear 4; in this implementation of the drive, bevel gearing is used. This gear is connected to a backlash-free wheel 5, which ensures transmission of rotation to the VT1 sensor (6). Through an elastic element with torsional rigidity k1, gear 4 is connected to the differential gear 7. The second stage of the differential does not contain an elastic element, and the second stage gear of the differential 8 is fixed directly to the shaft of the second stage 3. The differential wheel blocks are organized in a similar way. Each wheel (9, 10) meshes with the corresponding gear (7, 8), and the angle of rotation of the wheel relative to the body 1 is measured by the corresponding sensor (11, 12). Axle 13 receives radial forces in the differential, while axial forces are transmitted by thrust bearings to the output link housing yoke 14. The second stage differential wheel 10 meshes with the first half of the double gear 15, and the first stage differential wheel 9 meshes with the second half of the double gear 16. The first half of the double gear 15 is rigidly (for example, using a tight spline fit) connected to the gear 17, which, in turn, is rigidly mounted on the output shaft 18. The second half of the double gear 16 is connected to the gear 17 through an elastic element with hardness k2. Gear 17 meshes with backlash-free gear 19, which transmits its rotation to sensor 20, similar to the same unit in the input part of the hinge.
Датчик ВТ1 своим корпусом закреплен на безлюфтовой шестерне 5, а валом - на корпусе 1. Датчик ВТ2 своим корпусом закреплен на корпусе 1, а валом - на полом валу колеса 9. Датчик ВТ3 своим корпусом закреплен на корпусе 1, а валом - на полом валу колеса 10. Датчик ВТ4 своим корпусом закреплен на безлюфтовой шестерне 19, а валом - на корпусе 14.Sensor VT1 is fixed with its body on backlash-free gear 5, and with its shaft - on housing 1. Sensor VT2 is fixed with its body on housing 1, and with its shaft - on the hollow shaft of wheel 9. Sensor VT3 is fixed with its body on housing 1, and with its shaft - on the hollow shaft wheels 10. The VT4 sensor is mounted with its body on the backlash-free gear 19, and with its shaft - on the housing 14.
В качестве датчиков угла поворота в реализованном варианте изобретения используются вращающиеся трансформаторы. Выбор датчика определен высокой радиационной стойкостью в сочетании с приемлемыми точностными параметрами. Для удобства автоматической замены датчиков в реализованном варианте изобретения используется быстроразъемное соединение на основе метрических конусов, в котором вращение вала передается силами трения в контакте конической втулки и конического вала, а преднатяг соединения осуществлен винтовой пружиной.In the implemented embodiment of the invention, rotating transformers are used as rotation angle sensors. The choice of sensor is determined by high radiation resistance in combination with acceptable accuracy parameters. For the convenience of automatic replacement of sensors, the implemented embodiment of the invention uses a quick-release connection based on metric cones, in which shaft rotation is transmitted by friction forces in the contact of the conical bushing and the conical shaft, and the preload of the connection is carried out by a helical spring.
Кинематические соотношения в шарнире несколько отличаются от таковых в обычном двухстепенном дифференциале. Первой степенью свободы узла является поворот корпуса 14 относительно корпуса 1 (поворот по тангажу). Величина угла поворота по этой степени определяется из показаний датчиков ВТ2 и ВТ3 какThe kinematic relationships in the hinge are somewhat different from those in a conventional two-degree differential. The first degree of freedom of the unit is the rotation of the housing 14 relative to the housing 1 (pitch rotation). The magnitude of the rotation angle for this degree is determined from the readings of sensors VT2 and VT3 as
Второй степенью свободы узла является поворот выходного вала 18 относительно корпуса 14. Величина угла поворота по этой степени определяется показаниями датчика ВТ4 с учетом возможного передаточного отношения в зубчатом зацеплении шестерен 17 и 19.The second degree of freedom of the assembly is the rotation of the output shaft 18 relative to the housing 14. The magnitude of the rotation angle according to this degree is determined by the readings of the VT4 sensor, taking into account the possible gear ratio in the gear mesh of gears 17 and 19.
Передаточное отношение дифференциала i определяется как отношение числа зубьев любого из колес 9, 10 к числу зубьев любой из шестерен 7, 8, 15, 16.The differential gear ratio i is defined as the ratio of the number of teeth of any of the wheels 9, 10 to the number of teeth of any of the gears 7, 8, 15, 16.
Поскольку в конструкции предлагаемого изобретения использованы упругие элементы в качестве звеньев кинематической цепи, благодаря установке избыточного датчика для каждой из степеней свободы шарнира становится возможным идентифицировать динамику шарнира. Моменты, приложенные к каждой из осей подвижности механизма (Тт по тангажу и Тк по крену), вычисляются по формуламSince the design of the present invention uses elastic elements as links in the kinematic chain, by installing a redundant sensor for each of the degrees of freedom of the hinge, it becomes possible to identify the dynamics of the hinge. The moments applied to each of the axes of the mechanism’s mobility ( Tm in pitch and Tk in roll) are calculated using the formulas
Для устранения люфта в дифференциальной передаче создается перенатяг в каждом из упругих элементов k1 и k2. В качестве варианта исполнения упругого элемента реализована многозаходная плоская спиральная пружина, уложенная между внешним диаметром приводного вала второй ступени 3 и внутренним диаметром зубчатого венца шестерни 7. Конструкция узла предоставляет возможность использовать одинаковые элементы как со стороны входных валов, так и со стороны выходного вала. В случае, если k1=k2=k формулы для определения момента упрощаются:To eliminate backlash in the differential transmission, an overtension is created in each of the elastic elements k1 and k2. As an embodiment of the elastic element, a multi-way flat spiral spring is implemented, placed between the outer diameter of the drive shaft of the second stage 3 and the inner diameter of the ring gear 7. The design of the unit makes it possible to use the same elements both on the side of the input shafts and on the side of the output shaft. If k1=k2=k the formulas for determining the moment are simplified:
Claims (3)
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2021123490A RU2021123490A (en) | 2023-02-06 |
| RU2803718C2 true RU2803718C2 (en) | 2023-09-19 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7801657B2 (en) * | 2006-02-03 | 2010-09-21 | Eaton Corporation | Stability-enhanced traction and yaw control using electronically controlled limited-slip differential |
| RU2424105C2 (en) * | 2008-11-28 | 2011-07-20 | Валерий Александрович Бимаков | Device for controlling autonomous robot |
| US20190152056A1 (en) * | 2016-03-24 | 2019-05-23 | Cambridge Medical Robotics Limited | Robot Control |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7801657B2 (en) * | 2006-02-03 | 2010-09-21 | Eaton Corporation | Stability-enhanced traction and yaw control using electronically controlled limited-slip differential |
| RU2424105C2 (en) * | 2008-11-28 | 2011-07-20 | Валерий Александрович Бимаков | Device for controlling autonomous robot |
| US20190152056A1 (en) * | 2016-03-24 | 2019-05-23 | Cambridge Medical Robotics Limited | Robot Control |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113547537B (en) | Rotation shaft assembly and multi-joint robot | |
| CN104024694B (en) | Origin position initial setting method of link action device and link action device | |
| CN101426621B (en) | Backlash adjustment device for bevel gear units for industrial robots | |
| CN102892559B (en) | Link actuation device | |
| CN103827547B (en) | Link action device | |
| US6988420B2 (en) | Method and apparatus for applying dynamic loads to a locked gear train for testing power transmission components | |
| US11078988B2 (en) | Transmission assembly | |
| EP2514981A1 (en) | Flexible wire | |
| CN103906947A (en) | Parallel linkages, constant velocity joints and link action devices | |
| CN111469162A (en) | Robot joint structure and robot | |
| CN107520859A (en) | High precision position and posture positioning mechanical arm | |
| RU2803718C2 (en) | Amenable differential hinge of the manipulator with torque sensing | |
| KR101715222B1 (en) | Robot coaxial articulation unit | |
| CN113404819A (en) | Gap-adjustable helical gear speed reducer | |
| JP6133162B2 (en) | Link actuator | |
| CN201597037U (en) | Composable robot joints | |
| JP4994298B2 (en) | Power transmission device | |
| DE102019120344A1 (en) | Actuator device, robot joint device and robot | |
| Henson et al. | The utilization of duplex worm gears in robot manipulator arms: A design, build and test approach | |
| CN109752182B (en) | Involute cylindrical gear comprehensive test device for dynamic and quasi-static tests | |
| TW201347934A (en) | Robotic arm | |
| CN120212230B (en) | Mechanical double-clearance-eliminating gear box | |
| CN113154001B (en) | Super-input flexible driver based on rope driving | |
| RU2021123490A (en) | Compliant differential arm joint with torque sensing | |
| HARACHOVA | CHARACTERISTICS AND OVERVIEW OF KNOWLEDGE OF CURRENT RESEARCH IN THE PRODUCTION OF HARMONIC GEARBOX. |