Шарнир манипулятора

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Вериго Евгений Борисович(72) Автор Вериго Евгений Борисович(73) Патентообладатель Вериго Евгений Борисович(57) Шарнир манипулятора, содержащий сферическую головку, подвижно установленную в опоре, и привод перемещения сферической головки, отличающийся тем, что привод перемещения сферической головки выполнен в виде вращающихся дисков, охватывающих сферическую головку по ее поверхности с четырех сторон и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр опоры, и электромагнитов,между поверхностями вращающихся дисков и сферической головки размещена магнитная жидкость для бесконтактной передачи вращающего момента от вращающихся дисков к сферической головке, между поверхностью опоры и сферической головкой расположен пористый материал с высокомолекулярным полимером в виде заполняющей его поры жидкости, обеспечивающей тонкий смазывающий слой между поверхностью опоры и сферической головкой. Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в манипуляторах промышленных роботов. Известен шарнир манипулятора, описанный в 1, включающий сферическую опору,корпус со сферической полостью. Привод поворота осуществляется посредством вибрирующего стержня, а для управления поворотом изменяют направление оси стержня. Недостатком известного устройства являются большие контактные напряжения в зоне прижатия вибрирующим стержнем сферы к корпусу. Кроме того, управление поворотом в шарнире путем изменения направления оси стержня значительно усложняет конструкцию управляющего устройства шарнира. Наиболее близким техническим решением является шарнир манипулятора, содержащий сферическую головку, охватывающую ее по сферической поверхности опору и привод перемещения сферической головки, выполненный в виде микровибраторов,собранных в две группы и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях,проходящих через центр опоры, причем в каждой группе два оппозитно расположенных микровибратора наклонены в одну сторону 2. Недостатком известного устройства является наличие повышенного износа в зоне контакта микровибраторов с поверхностью сферической головки, что снижает долговечность шарнира. Кроме того, устройство обладает ограниченными технологическими возможностями, так как может быть использовано только в роботах, где отсутствуют значительные механические нагрузки. Задача, решаемая изобретением, - снижение износа и расширение технологических возможностей шарнира манипулятора, за счет использования устройства не только в микророботах, но и в манипуляторах, испытывающих значительные механические нагрузки. Поставленная задача решается тем, что в шарнире манипулятора, содержащем сферическую головку, подвижно установленную в опоре, и привод перемещения сферической головки, привод перемещения сферической головки выполнен в виде вращающихся дисков, охватывающих сферическую головку по ее поверхности с четырех сторон и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр опоры, и электромагнитов, между поверхностями вращающихся дисков и сферической головки размещена магнитная жидкость для бесконтактной передачи вращающего момента от вращающихся дисков к сферической головке, между поверхностью опоры и сферической головки расположен пористый материал с высокомолекулярным полимером в виде заполняющей его поры жидкости, обеспечивающей тонкий смазывающий слой между поверхностью опоры и сферической головки. На фиг. 1 представлен шарнир манипулятора, на фиг. 2 - разрез А-А шарнираманипулятора. Шарнир манипулятора содержит сферическую головку 1, опору 2, в которой подвижно установлена сферическая головка 1, вращающиеся диски 3, охватывающие сферическую головку 1 по ее внешней поверхности с четырех сторон, собранные в две группы и расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр опоры, электромагниты 4 над каждым из четырех дисков 3, магнитную жидкость 5, расположенную между поверхностями дисков 3 и сферической головки 1, обеспечивающую передачу вращающего момента от дисков 3 к сферической головке 1, прокладку 6 из пористого материала, закрепленную на опоре 2 и расположенную между сферической го 2 5083 1 ловкой 1 и опорой 2, высокомолекулярный полимер 7 в виде жидкости, заполняющей поры прокладки 6 и обеспечивающей тонкий смазывающий слой между поверхностью сферической головки 1 и опоры 2, изолирующие пояса 8, закрепленные на внешней поверхности дисков 3, плотно прилегающие к внешней поверхности сферической головки 1 и препятствующие вытеканию магнитной жидкости 5 из области контакта дисков 3 и сферической головки 1, изолирующий пояс 9, обеспечивающий сохранение жидкости высокомолекулярного полимера между поверхностью сферической головки 1 и опоры 2 и плотно прилегающий к внешней поверхности сферической головки 1, фиксаторы 10 с приводом вращения дисков 3, опорные планки 11 для задания требуемого положения фиксаторов 10 и электромагнитов 4, валы 12, обеспечивающие передачу вращения дискам 3. Использование жидкого высокомолекулярного полимера 7 в качестве смазки между контактными поверхностями сферической головки 1 и опоры 2 обеспечивает минимальное значение коэффициента трения в соединении. Сжатие слоя смазочной жидкости 7 между шарнирными поверхностями ведет к постепенному образованию геля этой жидкости в зоне контакта. В результате сближение поверхностей замедляется и время сохранения смазочного слоя увеличивается. При выжимании смазочной жидкости на основе высокомолекулярного полимера из зоны контакта в моменты резких изменений скорости в рабочем цикле жидкость за счет вязкоупругости возвращается в зону контакта. Это позволяет значительно уменьшить износ контактирующих поверхностей сферической головки 1 и опоры 2 шарнира манипулятора. Прокладка 6 из пористого материала с микропорами служит для хранения дополнительного запаса смазывающей жидкости 7. Материал пористого тела подбирается таким,что он смачивается жидкостью высокомолекулярного полимера. Пористое тело 6 и смазывающая жидкость 7 находятся в непосредственном контакте, поэтому смазывающая жидкость под действием капиллярного давления затекает внутрь пор. Объем пор пористого материала подбирают в зависимости от требуемого запаса смазывающей жидкости 7. Изолирующий пояс 9 обеспечивает снижение потерь жидкости 7 из зоны контакта сферической головки 1 и опоры 2. При достижении граничных давлений в зоне контакта поверхностей в зонах трения происходит выделение из пористого материала жидкости,которая способствует поддержанию смазочного слоя. Наряду с этим количество смазывающей жидкости в зоне контакта со временем уменьшается в результате утечек, испарения и т.д. При значительном уменьшении смазывающего слоя 7 поверхность сферической головки 1 входит в контакт с прокладкой 6, заполненной жидкостью высокомолекулярного полимера. Под действием контактных сил прокладка 6 прогибается (деформируется),высвобождая из своих пор недостающее количество смазывающей жидкости и обеспечивая тем самым постоянное существование смазывающего слоя в зоне контакта и поддержание малого значения коэффициента трения в шарнире. Использование пористого материала для хранения смазывающей жидкости позволяет снизить ее потери из зоны контакта за счет того, что часть жидкости, находящаяся в порах, участвует в смазке только в тот момент, когда это необходимо, то есть когда происходит деформация прокладки 6 в результате утечек из рабочего слоя смазывающей жидкости 7 или превышения допустимых давлений в зоне контакта. Использование смазки на основе высокомолекулярных полимеров с пористым слоем материала в зоне контакта повышает надежность работы шарнира манипулятора, обеспечивая минимальный коэффициент трения в зоне контакта и минимальный износ в течение длительного времени работы устройства. Шарнир манипулятора, представленный на фиг. 1 и фиг. 2, работает следующим образом. В зависимости от требуемого направления поворота шарнира или удержания в заданном положении вращают соответствующие диски 3 по отдельности или несколько одновременно, создавая необходимые значения моментов на сферической головке, обес 3 5083 1 печивающих заданную скорость вращения или удержание сферической головки 1 шарнира манипулятора. Фиксаторы 10 наряду с опорными планками 11 обеспечивают требуемое положение и прижим дисков 3 к сферической головке 1. Внутри фиксаторов 10 расположен привод вращения (не показан) дисков 3. Вращающие диски 3 обеспечивают определенность положения сферической головки 1 в шарнире манипулятора, контактируя с ней с четырех сторон. Для передачи вращающего момента от соответствующих дисков 3 к сферической головке 1 используется магнитная жидкость 5. Использование магнитной жидкости для передачи вращающего момента обуславливается уменьшением износа контактирующих поверхностей за счет снижения коэффициента трения и улучшения свойств смазывающей жидкости (уменьшения утечек). Магнитная жидкость, в соответствии с 3, представляет собой ультрадисперсный устойчивый коллоид-ферромагнит, например жидкость на основе магнетита в керосине с олеиновой кислотой в качестве стабилизатора, затрудняющего слипание магнитных частиц. Магнитные частицы в магнитной жидкости совершают интенсивное Броуновское движение. В таком состоянии вязкость магнитной жидкости 5 не велика, поэтому в случае вращения дисков 3 лишь незначительная часть вращающего момента передается сферической головке 1. При включении электромагнитов 4, закрепленных на опорных планках 11,линии магнитного поля соответствующего электромагнита 4 попадают на магнитную жидкость, расположенную под соответствующим диском 3. Магнитное поле ориентирует магнитные частицы в жидкости, вязкость магнитной жидкости увеличивается, что приводит к значительному увеличению передаваемого вращающего момента от соответствующего диска 3 к сферической головке 1. Для эффективного увеличения вязкости жидкости необходимо, чтобы энергия магнитной частицы в магнитном поле превышала ее энергию теплового движения. Изолирующие пояса 8 служат для уменьшения утечек магнитной жидкости из зоны контакта. Передача вращающего момента посредством магнитной жидкости позволяет значительно снизить износ в месте контакта, так как добавки ультрадисперсных металлов улучшают триботехнические характеристики смазок из-за образования адсорбционных слоев в зоне контакта. Дополнительным преимуществом данного способа передачи вращающего момента является присутствие магнитожидкостного трибоэффекта,заключающегося в том, что под действием магнитного поля со стороны электромагнитов магнитная жидкость, выдавливаемая из зоны контакта, возвращается обратно под действием магнитных сил, тем самым восстанавливается разрушенный смазочный слой. Это позволяет значительно снизить потери магнитной жидкости из зон контактов вращающихся дисков 3 и сферической головки 1. Таким образом, приведенный шарнир манипулятора позволяет решить поставленную задачу, заключающуюся в снижении износа и расширении технологических возможностей шарнира манипулятора за счет использования привода перемещения сферической головки, выполненного в виде вращающихся дисков, охватывающих сферическую головку по ее поверхности с четырех сторон и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, проходящих через центр опоры, и электромагнитов, при этом между поверхностями вращающихся дисков и сферической головки размещена магнитная жидкость для бесконтактной передачи вращающего момента от вращающихся дисков к сферической головке, между поверхностью опоры и сферической головки расположен пористый материал с высокомолекулярным полимером в виде заполняющей его поры жидкости, обеспечивающей тонкий смазывающий слой между поверхностью опоры и сферической головки. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.