Складывающийся шарнирный манипулятор

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для согласованного перемещения нескольких разных рабочих органов в автоматических линиях и обрабатывающих центрах. Шарнирный манипулятор содержит установленное на опорном основании шарнирно-рычажное приводное устройство, обеспечивающее закрепление на нем рабочих органов. Приводное устройство выполнено в виде расположенных в одной плоскости блочных модулей в виде шарнирных четырехзвенников. Модули кинематически связаны между собой посредством трехшарнирных соединительных рычагов, выполненных в форме треугольника с расположенными на его вершинах цилиндрическими шарнирами с параллельными осями вращения, и шарнирного параллелограмма. Один из блочных модулей установлен на опорной платформе. В результате обеспечивается упрощение конструкции и сборки манипулятора, компактность манипулятора в нерабочем положении без разборки и расширение его рабочего пространства. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным механизмам параллельной структуры, и может быть использовано в качестве пространственных манипуляторов с несколькими степенями свободы для согласованного перемещения нескольких рабочих органов в автоматических линиях, обрабатывающих центрах и различном технологическом оборудовании в машиностроении и медицине.

Известен шарнирный манипулятор, содержащий опорное основание, шарнирно соединенное через 12 сферических шарниров и многозвенное шарнирное устройство привода от 6 двигателей подвижной платформы с установленным на ее выходе только одним рабочим органом (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин». - Москва, Высшая школа, 1996 г., с. 28, рис. 1.20 со схемой манипулятора «Платформа Стюарта») - аналог.

Недостатками известного шарнирного манипулятора являются сложность конструкции, большие пространственные габариты и ограниченное малыми углами поворота сферических шарниров рабочее пространство одного рабочего органа.

Наиболее близки к предлагаемому изобретению является шарнирный манипулятор, содержащий опорное основание, кинематически связанное посредством шарнирно-рычажного устройства с выходным звеном для закрепления на нем рабочего органа, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено в виде замкнутой кинематической цепи, содержащей 26 многошарнирных соединительных рычагов, 12 сложных сферических шарниров для привода от 6 двигателей выходного звена с одним рабочим органом (учебное пособие Смелягин А.И. «Структура машин, механизмов и конструкций», - Москва, изд-во ИНФРА-М, 2019, с. 152, схема механизма на рис. 2.74) - прототип.

Недостатками указанного механизма шарнирного манипулятора являются сложность конструкции, большие пространственные габариты, сложная сборка и большая трудоемкость изготовления, а также ограниченное рабочее пространство (из-за ограниченного в пределах шести числа степеней свободы и возможности привода только одного рабочего органа с применением для этого всех шести приводных двигателей).

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции, достижении компактности манипулятора в нерабочем положении и при его транспортировке, а также расширении его рабочего пространства (за счет увеличения до десяти числа степеней свободы перемещения выходного звена манипулятора в сочетании с увеличением до пяти числа согласованного перемещаемых рабочих органов) и упрощении его сборки на основе структурных модулей.

Получение технического результата достигается за счет того, что установленное в шарнирного манипулятора шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено в виде набора шарнирно-сочлененных между собой и расположенных в одной плоскости блочных модулей, составленных из шарнирных четырехзвенников, кинематически связанных между собой через трехшарнирные соединительные рычаги с расположенными на их вершинах цилиндрическими шарнирными с параллельными осями вращения и установленных на приводную поворотную платформу.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8.

На фиг. 1 изображен общий вид складывающегося шарнирного манипулятора с установленным на опорном основании шарнирно-рычажным приводным устройством, выполненным в виде набора из двух шарнирно-сочлененных между собой и расположенных в одной плоскости блочных модулей O₁ABCD и O₂ABCD, составленных из шарнирных четырехзвенников ABCD, кинематически связанных между собой через трехшарнирные соединительные рычаги 1, 2, 3 и 4, выполненные в форме треугольников с расположенными на их вершинах цилиндрическими шарнирами с параллельными осями вращения. Манипулятор снабжен поворотной платформой 5, соединенной с одним из блочных модулей и выполненной с возможностью полного поворота от вращательного двигателя.

Блочные модули манипулятора содержат приводные вращательные кинематические пары (на фиг. 1 обозначены стрелками), обеспечивающие согласованное перемещение трех рабочих органов 6, 7 и 8 в расширенном рабочем пространстве данного шарнирного манипулятора. Представленный на фиг. 1 шарнирный манипулятор имеет W=6 степенной свободы движения рабочих органов (с учетом возможности вращения поворотной платформы 5). Поворот блочных модулей O₁ABCD и O₂ABCD вокруг осей O₁ и O₂ на 180° градусов обеспечивает быстрое компактно складывание и обратное раскладывание манипулятора (без разборки и обратной сборки его кинематической цепи, т.е. его компактность в нерабочем состоянии и при его транспортировке).

На фиг. 2 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено в виде трех блочных модулей O₁ABCD, O₂ABCD и O₃ABCD, кинематически связанных между собой через шарнирный параллелограмм ENMP. Один из упомянутых блочных модулей O₁ABCD сблокирован по вертикали с поворотной платформой 1, а два других блочных модуля O₂ABCD и O₃ABCD расположены по горизонтали симметрично оси вращения платформы 1 для образования шарнирного манипулятора с W=8 числом степеней свободы привода трех рабочими органами 2, 3 и 4.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора со взаимно-перпендикулярным расположением четырех блочных модулей O₁ABCD, O₂ABCD, O₃ABCD и O₄ABCD, кинематически связанных между собой через шарнирный четырехзвенник ENMG для образования шарнирного манипулятора с увеличенным до W=10 числом степеней свободы привода трех рабочих органов 1, 2 и 3.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули O₁ABCD и O₂ABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб O₁NO₂M и два двойных цилиндрических шарнира О₁ и O₂ для образования шарнирного манипулятора с W=6 числом степеней свободы привода четырех рабочих органов 1, 2, 3 и 4.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули O₁ABCD, O₂ABCD и O₃ABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб O₁O₂O₃E и три двойных цилиндрических шарнира О₁, O₂, O₃, симметрично расположенных в этом ромбе относительно оси вращения поворотной платформы 1 для образования шарнирного манипулятора с W=8 числом степеней свободы привода четырех рабочих органов 2, 3, 4, 5.

На фиг. 6 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули O₁ABCD, O₂ABCD, O₃ABCD и O₄ABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб O₁O₂O₃O₄ и четыре двойных цилиндрических шарнира O₁, O₂, O₃ и O₄, установленных на всех вершинах этого ромба для образования шарнирного манипулятора с W=10 числом степеней свободы трех рабочих органом 1, 2 и 3.

На фиг. 7 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство составлено из двух блочных модулей O₁ABCD и O₂ABCD с приводными вращательными кинематическими парами A и D. Эти блочные модули установлены на шатунах соответственно NM и MG двухкривошипного пятизвенника ENMGQ с кривошипами EN и QG, который сблокирован с поворотной платформой 1. Блочный модуль O₁ABCD выполнен в виде шарнирного параллелограмма ABCD, а другой блочный модуль O₂ABCD выполнен в виде шарнирного антипараллелограмма ACBD для образования шарнирного манипулятора с W=7 числом степеней свободы привода трех рабочих органом 2, 3 и 4.

На фиг. 8 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено с тремя приводными подвижными пневноцилиндрами или гидроцилиндрами 1, 2 и 3, два из которых 1 и 2 установлены внутри блочных модулей O₁ABCD и O₂ABCD, выполненных в виде шарнирных параллелограммов ABCD и расположены на их диагоналях, а третий пневмоцилиндр или гидроцилиндр 3 расположен между противоположными сторонами ЕМ и NG антипараллелограмма NMEG, установленного между упомянутыми блочными модулями для образования шарнирного манипулятора с W=6 числом степеней свободы привода двух разных рабочих органом 4 и 5, закрепленных на выходном звене ВС манипулятора.

Работа представленного складывающегося шарнирного манипулятора заключается в следующем.

Задаваемое в манипуляторе движение приводных вращательных и поступательных кинематических пар (показанное стрелками на фиг. 1 - фиг. 8) совместно с угловым вращением поворотной платформы с установленными на ней блочными модулями приводит к согласованному перемещению нескольких рабочих органов в пространстве координат «х - у - z», что увеличивает общее рабочее пространство шарнирного манипулятора как за счет увеличения до W - 10 числа управляемых степеней его свободы, так и за счет увеличения количества приводимых различных рабочих органов. Возможность простого относительного углового разворота смежных блочных модулей между собой на 180° градусов вокруг соединяющих их цилиндрических гарниров О₁, O₂, O₃ и O₄ обеспечивает быстрое складывание/раскладывание конструкции в одной плоскости и компактность манипулятора без разборки его замкнутой кинематической цепи.

Достигаемый в предлагаемом складывающемся шарнирном манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции, увеличении до десяти числа управляемых степеней свободы движения нескольких рабочих органов в расширенном рабочем пространстве, снижении трудоемкости изготовления и сборки замкнутой кинематической цепи манипулятора за счет его составления из унифицированных блочных модулей, а также компактности в нерабочем положении (достигаемой за счет простого углового разворота смежных блочных модулей между собой в одной плоскости без разборки и сборки узлов всего манипулятора).

1. Складывающийся шарнирный манипулятор, содержащий установленное на опорном основании шарнирно-рычажное приводное устройство в виде расположенных в одной плоскости и кинематически связанных между собой блочных модулей в виде шарнирных четырехзвенников, выполненное с возможностью закрепления рабочих органов, и поворотную платформу, на которой установлен один из блочных модулей, отличающийся тем, что блочные модули кинематически связаны между собой посредством трехшарнирных соединительных рычагов, выполненных в форме треугольника с расположенными на его вершинах цилиндрическими шарнирами с параллельными осями вращения, и шарнирного параллелограмма.

2. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем трех рабочих органов и содержит два блочных модуля, расположенных вдоль оси вращения поворотной платформы с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=6.

3. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирно-рычажное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем трех рабочих органов и содержит три блочных модуля, два из которых расположены по горизонтали, а один – по вертикали с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=8.

4. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирно-рычажное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем трех рабочих органов и содержит четыре блочных модуля, расположенных в двух взаимно-перпендикулярных направлениях относительно оси вращения поворотной платформы с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=10.

5. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирный параллелограмм имеет форму ромба и выполнен с двумя двойными цилиндрическими шарнирами, расположенными на вертикальной диагонали ромба, а шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем четырех рабочих органов и содержит два блочных модуля, расположенных вдоль оси вращения поворотной платформы с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=6.

6. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирный параллелограмм имеет форму ромба и выполнен с тремя двойными цилиндрическими шарнирами, а шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем четырех рабочих органов и содержит три блочных модуля, расположенных вдоль оси вращения поворотной платформы с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=8.

7. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирный параллелограмм имеет форму ромба и выполнен с четырьмя установленными на вершинах ромба двойными цилиндрическими шарнирами, а шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено с возможностью закрепления на нем трех рабочих органов и содержит четыре блочных модуля, два из которых установлены по вертикали вдоль оси вращения поворотной платформы, а два других симметрично установлены по горизонтали с образованием шарнирного манипулятора с числом степеней свободы W=10.