RU2806952C1 - Modular manipulation robot for educational use - Google Patents
Modular manipulation robot for educational use Download PDFInfo
- Publication number
- RU2806952C1 RU2806952C1 RU2023110474A RU2023110474A RU2806952C1 RU 2806952 C1 RU2806952 C1 RU 2806952C1 RU 2023110474 A RU2023110474 A RU 2023110474A RU 2023110474 A RU2023110474 A RU 2023110474A RU 2806952 C1 RU2806952 C1 RU 2806952C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- joint
- link
- rods
- modular
- hinges
- Prior art date
Links
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 18
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 31
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000013401 experimental design Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000013011 mating Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012797 qualification Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012549 training Methods 0.000 description 1
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеField of technology to which the invention relates
Изобретение относиться к области робототехники, в частности к роботам-манипуляторам, предназначенным для использования в учебном процессе для обучения робототехнике.The invention relates to the field of robotics, in particular to robotic manipulators intended for use in the educational process for teaching robotics.
Уровень техникиState of the art
Из существующего уровня техники известны различные конструкции учебных роботов, в том числе манипуляционных. Данные модели предназначены для использования в образовательных и исследовательских целях. Некоторые из существующих моделей обладают при этом модульной конструкцией что позволяет изменять конфигурацию этих роботов в ходе учебного процесса.Various designs of educational robots, including manipulative ones, are known from the existing level of technology. These models are intended to be used for educational and research purposes. Some of the existing models have a modular design, which allows the configuration of these robots to be changed during the educational process.
Известен учебный робот по патенту на изобретение RU 2745228 C2, опубл. 22.03.2021. Сущностью является робот, с соединяемыми друг с другом модулями для применения в сфере образования. Данные модули могут быть собраны в различные конфигурации, в том числе относящиеся к манипуляционным роботам. Конструкция модульных шарниров данного устройства подразумевает использование нескольких электродвигателей и конструктивных элементов, образующих зубчатую передачу, интегрированную в корпус шарнира. При этом в корпусе шарнира также устанавливаются различные функциональные блоки, содержащие в себе электронные компоненты для питания и управления шарниром.The educational robot is known according to the patent for the invention RU 2745228 C2, publ. 03/22/2021. The entity is a robot with interconnectable modules for use in education. These modules can be assembled in various configurations, including those related to manipulation robots. The design of the modular hinges of this device involves the use of several electric motors and structural elements that form a gear train integrated into the hinge body. At the same time, various functional blocks are also installed in the hinge body, containing electronic components for powering and controlling the hinge.
Известен робот по патенту US 5293107 A, опубл. 08.03.1994, сущностью которого является манипуляционный робот, состоящий из ряда конструктивных элементов, шарнирно соединённых друг с другом. При этом электроприводы с планетарными редукторами интегрированы в конструкцию шарнира таким образом, что корпуса ротора и статора, содержащие в себе зубчатые колеса планетарного редуктора, соединяются с другими конструктивными элементами робота при помощи болтов.The robot is known according to patent US 5293107 A, publ. 03/08/1994, the essence of which is a manipulation robot consisting of a number of structural elements articulated with each other. In this case, electric drives with planetary gearboxes are integrated into the hinge design in such a way that the rotor and stator housings, containing the gear wheels of the planetary gearbox, are connected to other structural elements of the robot using bolts.
Недостатками данных решений является необходимость использования специально изготовленных деталей электропривода и планетарных редукторов. Это значительно повышает трудоемкость изготовления и себестоимость подобного робота. При этом возможность использования готовых сервоприводов фабричного производства, а также широкодоступных конструктивных элементов отсутствует. Нет возможности производить быструю сборку и разборку робота, менять его конфигурацию. Также отсутствие каких-либо балансировочных приспособлений приводит к повышенным требованиям к мощности приводов и соответствующему их усложнению и удорожанию. Помимо этого, возможность изготовления конструктивных элементов пользователями в ходе учебного процесса путем использования аддитивных производственных технологии, в частности с помощью широкодоступных бюджетных 3D-принтеров, также отсутствует. Указанные недостатки существенно ограничивает возможность массового использования данных учебных роботов в образовательных учреждениях и спектр возможных функциональных применений в учебном процессе.The disadvantages of these solutions are the need to use specially manufactured electric drive parts and planetary gearboxes. This significantly increases the labor intensity of manufacturing and the cost of such a robot. At the same time, there is no possibility of using ready-made factory-made servos, as well as widely available structural elements. There is no way to quickly assemble and disassemble the robot or change its configuration. Also, the absence of any balancing devices leads to increased requirements for drive power and a corresponding increase in complexity and cost. In addition, the possibility of manufacturing structural elements by users during the educational process using additive manufacturing technologies, in particular using widely available low-cost 3D printers, is also missing. These disadvantages significantly limit the possibility of mass use of these educational robots in educational institutions and the range of possible functional applications in the educational process.
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Технической задачей, стоящей перед изобретением, является создание универсального робота, позволяющего осуществлять его быструю сборку и разборку, обладающего надежностью, простотой изготовления и возможностью создания различных конфигураций манипуляционных роботов для выполнения различных учебных задач.The technical challenge facing the invention is to create a universal robot that allows for quick assembly and disassembly, reliability, ease of manufacture and the ability to create various configurations of manipulation robots to perform various educational tasks.
Техническим результатом изобретения является обеспечение быстрой сборки и разборки робота, универсальность, возможность создания различных конфигураций манипуляционных роботов в ходе выполнения различных учебных задач, обеспечение надежности его работы и снижение трудоемкости изготовления.The technical result of the invention is to ensure quick assembly and disassembly of the robot, versatility, the ability to create various configurations of manipulation robots in the course of performing various educational tasks, ensuring the reliability of its operation and reducing the labor intensity of manufacturing.
Техническая задача решается, а технический результат достигается за счёт того, что модульный манипуляционный робот содержит поворотное основание, закрепляемое на опорной поверхности, и модульную механическую цепь с изменяемой геометрией, состоящую из по меньшей мере двух звеньев, соединенных при помощи многошарнирных сочленений, которая одним концом подвижно соединена с поворотным основанием, а другой ее конец свободен и выполнен с возможностью присоединения сменного концевого инструмента, причем первое многошарнирное сочленение соединено с поворотным основанием и первым звеном, последнее многошарнирное сочленение соединено с креплением концевого инструмента и последним звеном, а звенья соединены между собой по меньшей мере одним средним многошарнирным сочленением, при этом каждое звено выполнено в виде параллелограмма, длинные стороны которого образованы двумя стержнями произвольной одинаковой длины, на концах которых выполнены шарниры-опоры, а короткие - корпусом многошарнирных сочленений, при этом каждое многошарнирное сочленение представляет собой корпус, состоящий из двух половин, соединенных крепежными элементами, в котором выполнены гнезда для шарниров стержней звена, при этом каждое звено содержит по меньшей мере одну балансировочную пружину и электропривод, закрепленный на корпусе многошарнирного сочленения.The technical problem is solved, and the technical result is achieved due to the fact that the modular manipulation robot contains a rotating base mounted on a supporting surface, and a modular mechanical chain with variable geometry, consisting of at least two links connected using multi-joint joints, which at one end is movably connected to the rotary base, and its other end is free and configured to attach a replaceable end tool, wherein the first multi-joint joint is connected to the rotary base and the first link, the last multi-joint joint is connected to the end tool mount and the last link, and the links are connected to each other along at least one middle multi-joint joint, each link is made in the form of a parallelogram, the long sides of which are formed by two rods of arbitrary equal length, at the ends of which there are support hinges, and the short ones - by a body of multi-joint joints, with each multi-joint joint being a body, consisting of two halves connected by fastening elements, in which sockets are made for the hinges of the link rods, with each link containing at least one balancing spring and an electric drive mounted on the multi-joint body.
Кроме того, первое многошарнирное сочленение, соединяющее поворотное основание и первое звено, содержит два гнезда под шарниры стержней.In addition, the first multi-joint connecting the rotary base and the first link contains two sockets for the hinges of the rods.
Кроме того, последнее многошарнирное сочленение, соединяющее последнее звено и крепление для концевого инструмента, содержит три гнезда, два из которых под шарниры стержней, а одно под крепление концевого инструмента.In addition, the last multi-joint connecting the last link and the attachment for the end tool contains three sockets, two of which are for hinges of the rods, and one for the attachment of the end tool.
Кроме того, среднее многошарнирное сочленение, соединяющее звенья между собой, содержит четыре гнезда, два из которых под шарниры стержней одного звена, а два других под шарниры стержней другого звена.In addition, the middle multi-joint joint connecting the links to each other contains four sockets, two of which are for the hinges of the rods of one link, and the other two are for the hinges of the rods of another link.
Кроме того, один из стержней звена на обоих своих концах содержит шарниры-опоры, включающие подшипники качения с внешними кольцами, прикрепленные к стержням с помощью втулок, и устанавливаемые в гнезда, образованные корпусными деталями.In addition, one of the link rods at both its ends contains support hinges, including rolling bearings with outer rings, attached to the rods using bushings, and installed in sockets formed by the body parts.
Кроме того, на одном из концов стержня установлена опора, включающая в себя втулку, подшипник качения с внешним кольцом, и фланец для крепления на валу привода предыдущего звена.In addition, at one end of the rod there is a support, which includes a bushing, a rolling bearing with an outer ring, and a flange for mounting on the drive shaft of the previous link.
Кроме того, внешние кольца подшипников качения закреплены в гнездах с помощью уступов в корпусных деталях и зажаты в гнездах при помощи стягивающих элементов крепления.In addition, the outer rings of the rolling bearings are secured in the sockets using ledges in the housing parts and clamped in the sockets using tightening fastening elements.
Кроме того, электропривод закреплен на корпусе многошарнирного сочленения таким образом, что ось электропривода совпадает с осью гнезда и осью шарнира-опоры стержня.In addition, the electric drive is mounted on the multi-joint body in such a way that the axis of the electric drive coincides with the axis of the socket and the axis of the hinge-support of the rod.
Кроме того, пружина с обоих своих концов имеет зацепы, закрепляемые на втулках, выполненных на элементах звена.In addition, the spring has hooks at both ends that are secured to bushings made on the link elements.
Кроме того, один конец пружины закреплен на втулке, выполненной в корпусе многошарнирного сочленения или на оси шарнира стержня, а второй конец пружины закреплен на втулке, выполненной в корпусе одного из стержней.In addition, one end of the spring is fixed to a bushing made in the body of the multiple joint or on the hinge axis of the rod, and the second end of the spring is fixed to a bushing made in the body of one of the rods.
Краткое описание чертежейBrief description of drawings
На Фиг. 1 показан пример осуществления устройства в конфигурации с двумя звеньями;In FIG. 1 shows an example embodiment of the device in a two-link configuration;
На Фиг. 2 показан вид второго звена в аксонометрии с покомпонентным разделением деталей;In FIG. Figure 2 shows a perspective view of the second link with component-by-component separation of parts;
На Фиг. 3 показана кинематическая схема устройства, собранного в конфигурации с двумя звеньями;In FIG. 3 shows a kinematic diagram of a device assembled in a two-link configuration;
На фиг. 4 показан пример осуществления устройства в конфигурации с тремя звеньями и концевым инструментом.In fig. 4 shows an example embodiment of the device in a three-link and end tool configuration.
Осуществление изобретенияCarrying out the invention
Заявленное устройство представляет собой учебный модульный манипуляционный робот, предназначенный для применения в образовательных целях. Цель его использования - научиться осуществлять на практике различные этапы конструирования, программирования и эксплуатации манипуляционных роботов и/или осуществлять связанные с ними эксперименты. Устройство предназначено для применения в образовательных учреждениях, например в школах, центрах технического творчества, кружках робототехники и т.д.The claimed device is an educational modular manipulative robot intended for use for educational purposes. The purpose of its use is to learn how to carry out in practice the various stages of design, programming and operation of manipulative robots and/or carry out experiments related to them. The device is intended for use in educational institutions, such as schools, technical creativity centers, robotics clubs, etc.
Учебный манипуляционный робот представляет из себя многозвенный манипулятор антропоморфного типа, который содержит поворотное основание, монтируемое на неподвижной либо подвижной опорной поверхности (платформе), и модульную механическую цепь с изменяемой геометрией, состоящую из по меньшей мере двух звеньев, соединенных при помощи многошарнирного сочленения, которая одним концом подвижно соединена с основанием манипулятора, а другой ее конец свободен и выполнен с возможностью присоединения сменного концевого инструмента и его использования для изменения положения и ориентации в пространстве. Данная механическая цепь позволяет при помощи движения ограниченной амплитуды перемещать и ориентировать концевой инструмент.The educational manipulation robot is a multi-link manipulator of an anthropomorphic type, which contains a rotary base mounted on a fixed or movable support surface (platform), and a modular mechanical chain with variable geometry, consisting of at least two links connected by means of a multi-joint joint, which one end is movably connected to the base of the manipulator, and its other end is free and made with the possibility of attaching a replaceable end tool and using it to change the position and orientation in space. This mechanical chain allows movement and orientation of the end tool using limited amplitude movement.
Конструкция, по сути, содержит по меньшей мере три многошарнирных сочленений и, соответственно, по меньшей мере два звена, образованных между ними, а также поворотное основание и крепление под концевой инструмент.The structure, in essence, contains at least three multi-joint joints and, accordingly, at least two links formed between them, as well as a rotating base and an attachment for the end tool.
Первое многошарнирное сочленение соединено с поворотным основанием и первым звеном, последнее многошарнирное сочленение соединено с концевым инструментом и последним звеном, звенья соединены между собой по меньшей мере одним средним многошарнирным сочленением. При наличии двух звеньев в конструкции предусмотрено одно среднее многошарнирное сочленение, при наличии трех звеньев, соответственно между ними, предусмотрено два средних многошарнирных сочленения.The first multi-joint is connected to the rotating base and the first link, the last multi-joint is connected to the end tool and the last link, the links are connected to each other by at least one middle multi-joint. If there are two links in the design, one middle multi-joint is provided; if there are three links, respectively, between them, two middle multi-joints are provided.
Конфигурация и число звеньев механической цепи, а также их длина могут варьироваться в зависимости от применения робота в учебном процессе. Модульная конструкция звеньев позволяет собирать различные конфигурации манипулятора и использовать разнообразные концевые инструменты в зависимости от применения робота в учебном процессе.The configuration and number of links of the mechanical chain, as well as their length, may vary depending on the use of the robot in the educational process. The modular design of the links allows you to assemble various configurations of the manipulator and use a variety of end tools, depending on the use of the robot in the educational process.
Конструкция звеньев может представлять собой параллелограмм с двумя стержнями (рычагами) произвольной длины.The design of the links can be a parallelogram with two rods (levers) of arbitrary length.
В конструкции звеньев может быть использована по меньшей мере одна балансировочная пружина растяжения на одно звено, которая позволяет сбалансировать механическую цепь каждого звена и всего манипуляционного робота в целом при любом взаимном расположении звеньев.The design of the links can use at least one balancing tension spring per link, which makes it possible to balance the mechanical chain of each link and the entire manipulation robot as a whole for any relative position of the links.
В качестве электроприводов могут быть использованы сервоприводы малой мощности.Low power servo drives can be used as electric drives.
Система управления роботом может представлять собой печатную плату с микроконтроллером, отладочную плату или компьютер.The robot control system can be a printed circuit board with a microcontroller, a development board, or a computer.
Модульность предлагаемой конструкции звеньев является ее одной из особенностей. Существующие учебные манипуляционные роботы известные из уровня техники обладают модульностью конструкции в целом, однако отдельные их звенья являются интегрированными системами. Так, например, известные из уровня техники роботы используют планетарные редукторы и электроприводы, интегрированные в корпус звена. При этом требуется использование специально изготовленных компонентов и трудоемкого процесса сборки. Возможности модификации роботов с помощью стандартных компонентов и быстрой перестройки отдельных звеньев в ходе учебного процесса отсутствуют.The modularity of the proposed link design is one of its features. Existing educational manipulation robots known from the prior art have a modular design as a whole, but their individual units are integrated systems. For example, robots known from the prior art use planetary gearboxes and electric drives integrated into the link body. This requires the use of specially manufactured components and a labor-intensive assembly process. There are no possibilities for modifying robots using standard components and quickly rebuilding individual links during the educational process.
В предлагаемой конструкции звенев используется многошарнирное сочленение, позволяющее производить быструю сборку и разборку робота, а также использовать широкий ассортимент различных стандартных компонентов для модификации учебного робота. Это позволяет создавать различные конфигурации манипуляционных роботов для выполнения различных учебных задач.The proposed link design uses a multi-joint joint, which allows for quick assembly and disassembly of the robot, as well as the use of a wide range of various standard components to modify the educational robot. This makes it possible to create various configurations of manipulative robots to perform various educational tasks.
В основе конструкции сочленения лежат два корпусных элемента, являющиеся несущими элементами звена. Все остальные дополнительные элементы (например, раздельный электропривод, датчик угла поворота и/или какие-либо другие датчики, зависящие от конкретного применения робота в учебном процессе) могут закрепляться на несущих элементах с внешней стороны с помощью универсального крепления как отдельные модули. При этом их размеры и компоновка могут варьироваться в определённых пределах, что, например позволяет использовать разные электроприводы без необходимости изменения конструкции. Под универсальным креплением подразумевается набор крепежных отверстий на корпусе сочленения. На данные крепёжные отверстия, например, крепится адаптер под конкретный тип привода, а на адаптер уже сам привод. В случае использования стандартного сервопривода адаптер будет иметь прямоугольную форму, подходящую под сервопривод. При этом если мы захотим использовать, например шаговый двигатель, нам просто нужен будет подходящий под него адаптер, который закрепит двигатель на универсальном креплении. При этом универсальное крепление остается тем же и не требует замены корпусных деталей под различные элементы.The design of the joint is based on two body elements, which are the load-bearing elements of the link. All other additional elements (for example, a separate electric drive, a rotation angle sensor and/or any other sensors depending on the specific use of the robot in the educational process) can be mounted on the supporting elements from the outside using a universal mount as separate modules. Moreover, their dimensions and layout can vary within certain limits, which, for example, allows the use of different electric drives without the need to change the design. A universal mount refers to a set of mounting holes on the joint body. For example, an adapter for a specific type of drive is attached to these mounting holes, and the drive itself is attached to the adapter. If using a standard servo, the adapter will have a rectangular shape to fit the servo. Moreover, if we want to use, for example, a stepper motor, we will simply need an adapter suitable for it, which will secure the motor to a universal mount. At the same time, the universal mount remains the same and does not require replacing body parts for various elements.
Для пояснения сущности предлагаемого решения, в следующем ниже описании показаны примеры осуществления устройства. При этом приведенные примеры выполнения устройства не ограничивают область правовой охраны или объем предлагаемого решения.To explain the essence of the proposed solution, the following description shows examples of implementation of the device. However, the given examples of device implementation do not limit the scope of legal protection or the scope of the proposed solution.
На фиг. 1 показан один из примеров осуществления устройства в конфигурации с двумя звеньями. Устройство содержит, в частности, поворотное основание 1, соединённое с первым звеном 2 с помощью многошарнирного сочленения 3 (с двумя шарнирами), являющегося составной частью основания 1. Аналогично первое звено 2 соединяется с последующим вторым по счету (в данном случае с последним) звеном 4 с помощью среднего многошарнирного сочленения 5 (с четырьмя шарнирами), являющегося составной частью первого звена 2. На конце второго звена 4 установлено последнее многошарнирное соединение 6 (с тремя шарнирами), соединяющееся с креплением 7 для концевого инструмента.In fig. 1 shows one example embodiment of the device in a two-link configuration. The device contains, in particular, a rotating base 1, connected to the first link 2 using a multi-joint 3 (with two hinges), which is an integral part of the base 1. Similarly, the first link 2 is connected to the subsequent second (in this case, the last) link 4 using the middle multi-joint 5 (with four hinges), which is an integral part of the first link 2. At the end of the second link 4, the last multi-joint 6 (with three hinges) is installed, connecting to the mount 7 for the end tool.
Поворотное основание 1 представляет собой узел для изменения ориентации звена механической цепи, соединенного с ним, по двум вращательным степеням свободы. В частности, поворотное основание 1 содержит в себе электропривод 9 и многошарнирное сочленение 3, предназначенное для соединения с последующим звеном 2 механической цепи. Компоненты многошарнирного сочленения образуют два гнезда, обеспечивающих подвижное соединение поворотного основания 1 и рычагов первого звена 2, при этом электроприводы основания могут передавать вращательное движение ограниченной амплитуды на рычаги первого звена 2, обеспечивая возможность изменять ориентацию первого звена 2 в пространстве. Также поворотное основание 1 включает в себя фланец 8 для жесткого закрепления на поверхности опорной платформы и крепления 10 для балансировочных пружин 11 первого звена 2. Подробнее конструкция звена пояснена на фиг. 2.The rotary base 1 is a unit for changing the orientation of a mechanical chain link connected to it in two rotational degrees of freedom. In particular, the rotary base 1 contains an electric drive 9 and a multi-joint 3 designed for connection with the subsequent link 2 of the mechanical chain. The components of the multi-joint form two sockets that provide a movable connection between the rotating base 1 and the levers of the first link 2, while the electric drives of the base can transmit rotational motion of limited amplitude to the levers of the first link 2, providing the ability to change the orientation of the first link 2 in space. Also, the rotary base 1 includes a flange 8 for rigid fastening to the surface of the support platform and fastening 10 for the balancing springs 11 of the first link 2. The design of the link is explained in more detail in Fig. 2.
Опорная платформа к которой может крепиться поворотное основание 1 представляет собой произвольную поверхность, оборудованную отверстиями для крепления фланца 8 поворотного основания 1. При этом опорная платформа может быть как неподвижной, так и подвижной, например являясь частью конструкции мобильного робота или системы линейного перемещения и т.д.The support platform to which the rotary base 1 can be attached is an arbitrary surface equipped with holes for attaching the flange 8 of the rotary base 1. In this case, the support platform can be either fixed or movable, for example, being part of the design of a mobile robot or a linear motion system, etc. d.
Каждое многошарнирное сочленение представляет из себя конструкцию (корпус) из двух половинок, соединяемых между собой быстросъемными крепежными элементами, например, винтами или др. Соединенные половины сочленения образуют некоторое количество гнезд для шарниров: два гнезда для соединения основания и первого звена, четыре гнезда для соединения первого и второго звена (по два на каждое), и три гнезда для соединения последнего звена (второго в данном случае) и крепления концевого инструмента (два из которых для стержней последнего звена и одно для крепления концевого инструмента). Некоторые из гнезд могут быть приводными, то есть содержать в себе электропривод ось которого совпадает с осью гнезда. В общем случае для подсоединения звена (состоящего из двух трубок) необходима пара гнезд. Такие пары стандартны для любого сочленения, то есть можно без проблем соединить второе звено с основанием или поставить два основания с обоих сторон звена или создавать другие комбинации по типу конструктора.Each multi-joint joint is a structure (body) of two halves connected to each other by quick-release fasteners, for example, screws or others. The connected halves of the joint form a number of joint sockets: two sockets for connecting the base and the first link, four sockets for connecting the first and second links (two for each), and three sockets for connecting the last link (the second in this case) and attaching the end tool (two of which are for the rods of the last link and one for attaching the end tool). Some of the sockets may be driven, that is, they contain an electric drive whose axis coincides with the axis of the socket. In general, a pair of sockets is needed to connect a link (consisting of two tubes). Such pairs are standard for any joint, that is, you can easily connect the second link to the base, or put two bases on both sides of the link, or create other combinations like a construction set.
Конструкция первого звена 2 содержит многошарнирное сочленение 5 с одной вращательной степенью свободы с четырьмя шарнирами, позволяющее, с помощью одного электропривода 19, передавать вращательное движение на последующее звено механической цепи для изменения его ориентации в пространстве. В свою очередь конструкция второго звена 4 содержит многошарнирное сочленение 6 с тремя шарнирами. При этом многошарнирное сочленение 6 дает последующему звену две вращательных степени свободы, которые позволяют, с помощью электропривода 9, передавать вращательное движение на последующее звено механической цепи для изменения его ориентации в пространстве. В остальном звенья имеют идентичную конструкцию, позволяющую, в частности, быстро, надежно и легко соединять их с поворотным основанием, а также с предыдущим звеном механической цепи вне зависимости от его типа. Данное свойство связано с универсальной конструкцией сопрягаемых друг с другом частей многошарнирного сочленения всех типов. Таким образом, использование упомянутых компонентов позволяет создавать различные конфигурации манипуляционных роботов для выполнения различных учебных задач.The design of the first link 2 contains a multi-joint joint 5 with one rotational degree of freedom with four hinges, which allows, using one electric drive 19, to transmit rotational motion to the subsequent link of the mechanical chain to change its orientation in space. In turn, the design of the second link 4 contains a multi-joint 6 with three hinges. In this case, the multi-joint 6 gives the subsequent link two rotational degrees of freedom, which allow, using an electric drive 9, to transmit rotational motion to the subsequent link of the mechanical chain to change its orientation in space. Otherwise, the links have an identical design, which allows, in particular, to quickly, reliably and easily connect them to the rotary base, as well as to the previous link of the mechanical chain, regardless of its type. This property is associated with the universal design of the parts of a multi-joint joint of all types mating with each other. Thus, the use of the mentioned components makes it possible to create various configurations of manipulative robots to perform various educational tasks.
Особенности конструкции звена и принципы действия предлагаемого решения детально проиллюстрированы на фиг. 2The design features of the link and the operating principles of the proposed solution are illustrated in detail in Fig. 2
Каждое звено выполнено в виде параллелограмма, длинные стороны которого образованы двумя стержнями 12 и 13 произвольной одинаковой длины, на концах которых выполнены шарнирные опоры, а короткие - корпусом многошарнирных сочленений, а именно одна из коротких сторон образована корпусными деталями 14 и 15 многошарнирного сочленения 5, принадлежащего данному звену, а другая короткая сторона образована многошарнирным сочленением предыдущего звена либо многошарнирным сочленением 3 поворотного основания 1. Корпусные детали 14 и 15 многошарнирного сочленения соединяются при помощи стягивающих винтов 16, образуя при этом два гнезда 17 для крепления стержней 12 и 13, а также два гнезда 18 для крепления стержней следующего звена. В одном из данных гнезд расположен привод следующего звена 19, закрепленный на корпусной детали 14, так, что ось электропривода совпадает с осью внутреннего стержня 12. На концах стержней 12 и 13 установлены опоры-шарниры, представляющие собой подшипники качения 20, прикрепленные к стержням 12 и 13 с помощью втулок 21 и 22 соответственно. Данные опоры устанавливаются в гнезда 17, образованные корпусными деталями 12 и 13. При этом внешние кольца 23 подшипников 20 закрепляются в гнездах 17 с помощью использования уступов 24 и 25 в корпусных деталях 14 и 15 соответственно. Внешние кольца 23 подшипников 20 зажимаются в гнездах 17 при помощи стягивающих винтов 16, что обеспечивает жесткое и надежное соединение, но в то же время позволяет быстро собирать и разбирать многошарнирное сочленение в процессе изменения конфигурации манипуляционного робота.Each link is made in the form of a parallelogram, the long sides of which are formed by two rods 12 and 13 of arbitrary equal length, at the ends of which hinge supports are made, and the short sides are formed by the body of the multiple joints, namely, one of the short sides is formed by the body parts 14 and 15 of the multiple joint 5, belonging to this link, and the other short side is formed by the multi-joint joint of the previous link or the multi-joint joint 3 of the rotary base 1. The body parts 14 and 15 of the multi-joint joint are connected using tightening screws 16, thereby forming two sockets 17 for attaching the rods 12 and 13, as well as two sockets 18 for attaching the rods of the next link. In one of these sockets there is a drive of the next link 19, mounted on the housing part 14, so that the axis of the electric drive coincides with the axis of the internal rod 12. At the ends of the rods 12 and 13, hinge supports are installed, which are rolling bearings 20 attached to the rods 12 and 13 using bushings 21 and 22, respectively. These supports are installed in the slots 17 formed by the housing parts 12 and 13. In this case, the outer rings 23 of the bearings 20 are secured in the slots 17 by using ledges 24 and 25 in the housing parts 14 and 15, respectively. The outer rings 23 of the bearings 20 are clamped in the seats 17 using tightening screws 16, which provides a rigid and reliable connection, but at the same time allows for quick assembly and disassembly of the multi-joint in the process of changing the configuration of the handling robot.
На противоположной стороне внешнего стержня 13 также установлена опора идентичной конструкции, состоящая из втулки 26 и подшипников 27. При этом конструкция данных опор позволяет использовать внутреннее пространство полого стержня 13 для размещения проводов питания и управления приводами устройства. В свою очередь на противоположной стороне стержня 12 установлена опора другой конструкции, включающая в себя втулку 28, подшипник качения 29 с внешним кольцом, и фланец 30, предназначенный для крепления на валу привода предыдущего звена. Крепление происходит с помощью втулки 30, которая притягивается к валу привода предыдущего звена с помощью винта 31.On the opposite side of the outer rod 13 there is also a support of identical design, consisting of a sleeve 26 and bearings 27. Moreover, the design of these supports allows the internal space of the hollow rod 13 to be used to accommodate power wires and control the device drives. In turn, on the opposite side of the rod 12 there is a support of a different design, which includes a bushing 28, a rolling bearing 29 with an outer ring, and a flange 30 intended for mounting on the drive shaft of the previous link. Fastening occurs using a sleeve 30, which is attracted to the drive shaft of the previous link using a screw 31.
Таким образом каждое звено предлагаемого решения приводиться в движение приводом предыдущего звена, и в свою очередь приводит в движение последующее звено механической цепи. В приведённой конфигурации устройства в качестве предыдущего звена для звена 2 выступает поворотное основание 1, обладающее аналогичной конструкцией многошарнирного сочленения.Thus, each link of the proposed solution is driven by the drive of the previous link, and in turn drives the subsequent link of the mechanical chain. In the above configuration of the device, the previous link for link 2 is the rotary base 1, which has a similar design of a multi-joint joint.
Другим отличием стержня 12 от стержня 13 является наличие крепления 32 для балансировочных пружин 11, принцип действия которых поясняется на принципиальной кинематической схеме данной конфигурации устройства (см. Фиг. 3). Балансировочные пружины 11 могут быть использованы в конструкции любого звена. На каждое звено может устанавливаться по меньшей мере одна такая пружина. Пружина с обоих своих концов имеет зацепы, закрепляемые на втулках, выполненных на элементах звена. Один конец пружины может быть закреплен на втулке, выполненной в корпусе многошарнирного сочленения, например, на корпусе сочленения основания, либо на оси шарнира (например, который без привода), а второй конец пружины может быть закреплен на втулке 32, выполненной в корпусе одного из стержней (на фиг.2, для примера, втулка 32 для крепления пружины выполнена поперек в корпусе внутреннего стержня 12). Для примера, на фиг.1 и фиг.4 каждое звено содержит по две пружины. В процессе изменения геометрии механической цепи звена балансировочные пружины 11 растягиваются, создавая силу, противодействующую силе тяжести. Данное техническое решение позволяет сбалансировать механическую цепь каждого звена и всего манипуляционного робота в целом при любом взаимном расположении звеньев. Таким образом, манипуляционный робот обладает возможностью сохранять заданное положение без усилий со стороны приводов сочленений. Благодаря этому, требуемая мощность приводов существенно снижается по сравнению с конструкциями манипуляционных роботов, не использующих балансировочные пружины. Балансировочные пружины могут быть использованы в любой конфигурации манипуляционного робота, причем количество используемых пружин может варьироваться в зависимости от собственного веса рассматриваемой конфигурации и требуемых технических характеристик.Another difference between the rod 12 and the rod 13 is the presence of a mount 32 for the balancing springs 11, the principle of operation of which is explained in the schematic kinematic diagram of this device configuration (see Fig. 3). Balancing springs 11 can be used in the design of any link. At least one such spring can be installed on each link. The spring has hooks at both ends that are secured to bushings made on the link elements. One end of the spring can be fixed to a bushing made in the body of a multi-joint joint, for example, on the base joint body, or on the hinge axis (for example, which is without a drive), and the second end of the spring can be fixed to a bushing 32 made in the body of one of the joints. rods (in Fig. 2, for example, the sleeve 32 for attaching the spring is made transversely in the body of the inner rod 12). For example, in Fig.1 and Fig.4 each link contains two springs. In the process of changing the geometry of the mechanical chain link, the balancing springs 11 are stretched, creating a force that counteracts the force of gravity. This technical solution allows you to balance the mechanical chain of each link and the entire manipulation robot as a whole, regardless of the relative position of the links. Thus, the manipulation robot has the ability to maintain a given position without effort from the joint drives. Due to this, the required drive power is significantly reduced compared to designs of handling robots that do not use balancing springs. Balance springs can be used in any configuration of a handling robot, and the number of springs used may vary depending on the dead weight of the configuration in question and the required technical characteristics.
На фиг. 4 показан другой пример осуществления устройства в конфигурации с тремя звеньями и концевым инструментом. В показанном примере осуществления, устройство повторяет предыдущий пример осуществления с двумя звеньями, однако на конце звена 4 установлено многошарнирное сочленение 33 (с четырьмя шарнирами). Данное многошарнирное сочленение соединят звено 4 со звеном 34. На конце звена 34 установлено многошарнирное сочленение 35 (с тремя шарнирами), которое соединяет звено 34 с концевым инструментом 36.In fig. 4 shows another example embodiment of the device in a three-link and end tool configuration. In the illustrated embodiment, the device repeats the previous embodiment with two links, however, at the end of link 4 a multi-joint 33 (with four joints) is installed. This multi-joint will connect link 4 to link 34. At the end of link 34 there is a multi-joint 35 (with three hinges), which connects link 34 to end tool 36.
Следует отметить, что количество и конфигурация звеньев, а также длина каждого отдельно взятого звена может варьироваться в широком диапазоне и ограниченна лишь конструкционной прочностью используемых материалов и мощностью приводов. При этом конструкция позволяет осуществлять быструю перестройку конфигурации устройства, а также осуществлять изменение длины звеньев путем замены стержней. Основная часть конструктивных элементов может быть изготовлена из пластика с помощью использования аддитивных производственных технологии, в частности с помощью широкодоступных бюджетных 3D-принтеров. В качестве стержней могут быть использованы трубки, изготовленные из металла, например из алюминия, или из композитных материалов. В качестве приводов могут быть использованы различные типы электроприводов, как серийного, так и единичного производства, в том числе фабричные сервоприводы стандартного размера и электроприводы экспериментальных конструкций.It should be noted that the number and configuration of links, as well as the length of each individual link, can vary over a wide range and are limited only by the structural strength of the materials used and the power of the drives. At the same time, the design allows for quick restructuring of the device configuration, as well as changing the length of the links by replacing the rods. The bulk of the structural elements can be made from plastic using additive manufacturing technologies, in particular using widely available low-cost 3D printers. Tubes made of metal, for example aluminum, or composite materials can be used as rods. Various types of electric drives, both mass-produced and individually produced, can be used as drives, including factory-made servos of standard size and electric drives of experimental designs.
В ходе учебного процесса учащиеся используют робота для проведения лабораторных и исследовательских работ, а также практической отработки и демонстрации навыков, приобретенных в процессе обучения. В число возможных сценариев применения в учебном процессе входит сборка учебного манипуляционного робота из предоставленных деталей, использование компьютерного интерфейса для программирования робота на выполнение различных команд, перестройка конфигурации робота в зависимости от характера поставленных задач, проектирование и изготовление дополнительных модулей и сменных концевых инструментов в целях расширения функционала учебного робота и т.д. Благодаря широкому спектру функциональных возможностей и различных конфигураций устройство позволяет выполнять учебные задачи по программированию, конструированию, сборке и эксплуатации робототехнических устройств, средств автоматизации, а также систем бытового и промышленного интернета вещей.During the educational process, students use the robot to conduct laboratory and research work, as well as practice and demonstrate skills acquired during the learning process. Possible application scenarios in the educational process include assembling an educational manipulation robot from provided parts, using a computer interface to program the robot to perform various commands, restructuring the robot configuration depending on the nature of the tasks, designing and manufacturing additional modules and replaceable end tools for expansion purposes. functionality of an educational robot, etc. Thanks to a wide range of functionality and various configurations, the device allows you to perform educational tasks in programming, design, assembly and operation of robotic devices, automation tools, as well as consumer and industrial Internet of Things systems.
Конечно, без ущерба для принципа данного изобретения и, не выходя за рамки объема правовой охраны, определенного в прилагаемой формуле изобретения, могут быть применены детали конструкции и примеры осуществления изобретения, отличающиеся, в том числе значительно, от того, что было описано и проиллюстрировано здесь исключительно в качестве примера.Of course, without prejudice to the principle of the present invention and without going beyond the scope of legal protection defined in the attached claims, design details and examples of the invention may be used that differ, including significantly, from what has been described and illustrated here purely as an example.
Заявленное техническое решение может быть направлено на расширение арсенала технических средств, пригодных для массового использования в образовательных учреждениях для обучения робототехнике, а также на расширение спектра возможных применений робототехники в учебном процессе и повышение доступности образования в сфере информационных технологий и робототехники, а точнее на:The declared technical solution can be aimed at expanding the arsenal of technical means suitable for mass use in educational institutions for teaching robotics, as well as expanding the range of possible applications of robotics in the educational process and increasing the accessibility of education in the field of information technology and robotics, and more precisely at:
• Расширение спектра возможных применений робототехники в учебном процессе за счет возможности собирать различные конфигурации манипулятора и использовать разнообразные концевые инструменты, а также изготавливать конструктивные элементы в ходе учебного процесса путем использования аддитивных производственных технологии, в частности с помощью широкодоступных бюджетных 3D-принтеров.• Expanding the range of possible applications of robotics in the educational process due to the ability to assemble various configurations of the manipulator and use a variety of end tools, as well as to produce structural elements during the educational process through the use of additive manufacturing technologies, in particular using widely available low-cost 3D printers.
• Снижение трудоемкости, возможность модернизации и проведения ремонтных работ за счет использования широкодоступных конструктивных элементов и предоставления пользователем возможности самостоятельно изготовлять конструктивные элементы, путем использования широкодоступных производственных технологий, не требующих высокой квалификации оператора.• Reduced labor intensity, the possibility of modernization and repair work through the use of widely available structural elements and allowing the user to independently produce structural elements by using widely available production technologies that do not require high operator qualifications.
• Повышение доступности обучения программированию, конструированию и эксплуатации манипуляционных роботов, за счет возможности снизить себестоимость учебного робота путем использования маломощных электроприводов.• Increasing the availability of training in programming, design and operation of manipulation robots, due to the ability to reduce the cost of an educational robot through the use of low-power electric drives.
• Повышение качества получаемого образования в сфере информационных технологий и робототехники, за счет предоставления простого, надежного, эргономичного и функционального средства обучения.• Improving the quality of education received in the field of information technology and robotics, by providing a simple, reliable, ergonomic and functional learning tool.
Claims (10)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2023/000129 WO2024225931A1 (en) | 2023-04-24 | 2023-04-28 | Modular manipulator robot |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2806952C1 true RU2806952C1 (en) | 2023-11-08 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU231938U1 (en) * | 2024-12-25 | 2025-02-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | TRAINING MANIPULATOR |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5293107A (en) * | 1993-02-24 | 1994-03-08 | Fanuc Robotics North America, Inc. | Motorized rotary joint and method of constructing a modular robot utilizing same |
| US6084373A (en) * | 1997-07-01 | 2000-07-04 | Engineering Services Inc. | Reconfigurable modular joint and robots produced therefrom |
| RU2166427C2 (en) * | 1998-12-15 | 2001-05-10 | Кожевников Андрей Валерьевич | Versatile transformable modular robot |
| RU75086U1 (en) * | 2008-01-09 | 2008-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" | EDUCATIONAL ELECTROMECHANICAL ROBOT WITH SOFTWARE CONTROL (OPTIONS) |
| RU2718513C1 (en) * | 2019-07-12 | 2020-04-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Small anthropomorphic robot educational and research complex |
| RU2745228C2 (en) * | 2016-12-23 | 2021-03-22 | Комау С.п.А. | Functional device such as a robot with interconnected modules for educational applications |
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5293107A (en) * | 1993-02-24 | 1994-03-08 | Fanuc Robotics North America, Inc. | Motorized rotary joint and method of constructing a modular robot utilizing same |
| US6084373A (en) * | 1997-07-01 | 2000-07-04 | Engineering Services Inc. | Reconfigurable modular joint and robots produced therefrom |
| RU2166427C2 (en) * | 1998-12-15 | 2001-05-10 | Кожевников Андрей Валерьевич | Versatile transformable modular robot |
| RU75086U1 (en) * | 2008-01-09 | 2008-07-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" | EDUCATIONAL ELECTROMECHANICAL ROBOT WITH SOFTWARE CONTROL (OPTIONS) |
| RU2745228C2 (en) * | 2016-12-23 | 2021-03-22 | Комау С.п.А. | Functional device such as a robot with interconnected modules for educational applications |
| RU2718513C1 (en) * | 2019-07-12 | 2020-04-08 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Small anthropomorphic robot educational and research complex |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU231938U1 (en) * | 2024-12-25 | 2025-02-18 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет" | TRAINING MANIPULATOR |
| RU2852639C1 (en) * | 2025-05-27 | 2025-12-11 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственная Организация "Интеллект" | Training model of robot manipulator |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Keemink et al. | Mechanical design of a manipulation system for unmanned aerial vehicles | |
| CA2896910C (en) | Motion simulator | |
| Shariatee et al. | Design of an economical SCARA robot for industrial applications | |
| CN106217364A (en) | A kind of six-shaft industrial robot of fast assembling-disassembling | |
| US20180111275A1 (en) | Modular system for constructing robots | |
| CN110434844A (en) | Quick-changing type restructural desktop grade robot and its inverse kinetics solution general calculation method | |
| JPWO2012017722A1 (en) | Parallel mechanism | |
| Yin et al. | An overall structure optimization for a light-weight robotic arm | |
| Hong et al. | Design of manually reconfigurable modular manipulator with three revolute joints and links | |
| CN111085985B (en) | A desktop six-axis collaborative robot | |
| KR101467505B1 (en) | Robot hand | |
| Chavdarov et al. | Design and control of an educational redundant 3D printed robot | |
| CN105730546A (en) | 3D printing technology-based minitype bionic six-legged robot | |
| RU2806952C1 (en) | Modular manipulation robot for educational use | |
| Scheinman et al. | Mechanism and actuation | |
| Chen et al. | SCARA robots developed with modular method | |
| CN115565803B (en) | Rope drives operating handle | |
| Klas et al. | A compact, lightweight and singularity-free wrist joint mechanism for humanoid robots | |
| WO2024225931A1 (en) | Modular manipulator robot | |
| Huang et al. | Mechanism design and kinematic analysis of a robotic manipulator driven by joints with two degrees of freedom (DOF) | |
| Scheinman et al. | Mechanisms and actuation | |
| Marais et al. | Design and control of cram: A highly articulated cable-driven remote access manipulator for confined space inspection | |
| TWM595029U (en) | Autonomous mobile industrial robot motor power module | |
| Shen et al. | Forward and inverse kinematics for a novel double scara robot | |
| KR100405808B1 (en) | Upper arm structure of 6-shaft articulated industrial robot |