Шарнирный многовершинный механизм

Изобретение относится к машиностроению. Шарнирный многовершинный механизм содержит замкнутую кинематическую цепь в виде шарнирного многозвенника, стороны которого выполнены в виде двухшарнирных звеньев, которые подвижно соединены между собой посредством одноподвижных вращательных кинематических пар с параллельными осями вращения и образуют расположенные по периметру этого шарнирного многозвенника вершины, которые кинематически связаны между собой, а также с опорным основанием и со входным звеном через двухшарнирные соединительные рычаги. Обеспечивается упрощение конструкции, снижение габаритов и веса. 9 з.п. ф-лы, 13 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к шарнирным механизмам параллельной структуры, и может найти применения в роботах и манипуляторах, солнечных панелях и многослойных рефлекторах антенн изменяемой конфигурации.

Известен 26-звенный шарнирный механизм, содержащий два сложных 6-шарнирных звена с 12 сложными сферическими шарнирами и вращательным приводом от шести совместно управляемых приводных двигателей (книга Смелягин А.И. Структура машин, механизмов и конструкции: Учебное пособие. - Москва, ИНФА-М. 2019 г., c. 154, рис. 2.74) - аналог.

Недостатками известного шарнирного механизма являются сложность конструкции и системы управления шестью приводными двигателями, а также большие габариты механизма.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является 12-звенный шарнирный механизм, содержащий три сложных трехшарнирных подвижных рычага и выполненный с приводом от трех совместно управляемых двигателей (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин». - Москва: Высшая школа. 1996 г., с. 25, рис. 1.15) - прототип.

Недостатками указанного шарнирного механизма являются сложность конструкции, большие габариты и вес, высокая трудоемкость изготовления и сложность системы согласованного управления тремя приводными двигателями для перемещения всего одного рабочего органа.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции, снижении габаритов и веса шарнирного механизма вместе с его приводом, а также снижение трудоемкости его управления.

Получение технического результата достигается за счет того, что замкнутая кинематическая цепь механизма выполнена в виде шарнирного многозвенника, стороны которого выполнены в виде двухшарнирных звеньев, например, одинаковой длины, которые подвижно соединены между собой посредством одноподвижных вращательных кинематических пар с параллельными осями вращения и образуют расположенные по периметру упомянутого шарнирного многозвенника вершины, которые кинематически связаны между собой, а также с опорным основанием и со входным звеном через двухшарнирные соединительные рычаги.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг.1, фиг.2, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг.6, фиг.7, фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11, фиг.12 и фиг.13.

На фиг.1 изображен общий вид предлагаемого шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного восьмизвенника O₁ABCDEMO₂, составленного из восьми двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8, а вершины O₁, A, B, C, D, E, M и O₂ (μ = 8) восьмизвеника O₁ABCDEMO₂ попарно кинематически связаны между собой через четыре установленных внутри этого восьмизвенника O₁ABCDEMO₂ двухшарнирных соединительных рычагов 9, 10, 11 и 12 (n_x = 4) для образования 12-звенного шарнирного механизма с одной степенью свободы (W = 1). в котором все вершины O₁, А, В, С, D, Е, M, O₂ выполнены в виде восьми двойных цилиндрических шарниров, а входное звено 1 установлено на опорном основании 8.

На фиг.2 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного десятизвенника O₁ABCDEFGHO₂ составленного из десяти двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10, а вершины O₁, A, B, C, D, E, F, G, Н и О₂ (μ = 10) десятизвенника O₁ABCDEFGHO₂ попарно кинематически связаны между собой через шесть двухшарнирных соединительных рычагов 11, 12, 13, 14, 15 и 16 (n_x = 6), установленных внутри этого десятизвенника O₁ABCDEFGHO₂ для образования 16-звенного шарнирного механизма, выполненного с одной степенью свободы (W = 1) и входным звеном 1, в котором восемь вершин O₁, A, B, D, E, F, G и O₂ выполнены в виде двойных цилиндрических шарниров, другие две вершины С и H выполнены в виде тройных цилиндрических шарниров, а входное звено 1 установлено на опорном основании 10.

На фиг.3 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма манипулятора с тремя степенями свободы (W = 3), в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде выходного шарнирного трехзвенника ABC с вершинами А, В и С (числом μ = 3), составленного из трех двухшарнирных звеньев 1, 2 и 3, к которым подвижно присоединены двухшарнирные соединительные рычаги 4, 5 и 6 числом п_х = μ = 3, концы которых изогнуты в параллельных между собой плоскостях и выполнены с отверстиями для параллельной установки в них осей цилиндрических шарниров А, В, С, O₄, O₅ и O₆. Опорное основание 10 содержит 3 опорных шарнира О₁, О₂ и О₃, с которыми связаны три входных звена, 7, 8 и 9, а выходной шарнирный трехзвеник ABC выполнен с возможностью закрепления на нем разных рабочих органов 11, 12 и 13.

На фиг.4 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного четырехзвенника ABCD с числом вершин А, В, С и D, равным μ = 4, образованных сборкой из четырех двухшарнирных звеньев 1, 2, 3 и 4, а также из п_х = μ = 4 двухшарнирных соединительных рычагов 5, 6, 7 и 8. Опорное основание 9 содержит 4 опорных шарнира О₁, O₂, O₃, O₄ и два входных звена 10 и 11. Механизм имеет две степени свободы (W = 2) и является одинадцатизвенным с двумя приводными вращательными двигателями.

На фиг.3 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника ABCDEF, вершины которого А, В, С, D, Е и F (μ = 6) в виде пяти двойных B, C, D, E, F и одного тройного А многократных цилиндрических шарниров, кинематически связаны с шестью двухшарнирными соединительными рычагами 7, 8, 9, 10, 11, 12 (nx = μ = 6), где рычаг 12 установлен внутри шестизвенника ABCDEF между его вершинами А и D. Другие пять рычагов 7, 8, 9, 10 и 11 установлены снаружи по периметру шестизвенника ABCDEF и подвижно соединены с опорным основанием 13 и установленным на нем входным звеном 14 четырнадцатизвенного механизма с шестизвенником ABCDEF, составленным из 6 двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Механизм имеет одну степень свободы (W = 1). Рычаги 8, 9, 10 и 11 образуют два шарнирных параллелограмма О₂ВСО₃ и O₄EFO₅, соединенных между собой через шарнирный шестизвенник ABCDEF.

На фиг.6 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором шарнирный шестизвенник ABCDEF составлен из шести двухшарнирных звеньев (n_x = 6) 1, 2, 3, 4, 5 и 6. Внутри этого шестизвенника ABCDEF между его вершинами соответственно В и Е,С и F установлено два двухшарнирных соединительных рычага 7 и 8, которые образуют с этими вершинами два двойных и два тройных многократных цилиндрических шарнира B, C, E и F. Другие четыре двухшарнирных соединительных рычага 9, 10, 11 и 12 установлены снаружи по периметру шестизвенника ABCDEF и подвижно соединены с четырехшарнирным опорным основанием 13 и установленным на нем входным звеном 14 для образования четырнадцатизвенного одноподвижного шарнирного механизма (W = 1) с четырмя двойными А, В, С, D и двумя тройными Е и F многократными цилиндрическими шарнирами. Число рычагов 7, 8, 9, 10, 11 и 12 равно числу вершин А, В, С, Д, Е и F (n_x = μ = 6).

На фиг.7 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма с W = 1, в котором замкнутая кинематическая цепь содержит шестизвенник ABCDEF, составленный из двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5 и 6, внутри которого посредством двух двойных A, D и четырех тройных В, С, Е и F многократных цилиндрических шарниров установлены три двухшарнирных соединительных рычага 7, 8 и 9. Другие три двухшарнирных соединительных рычага 10, 11 и 12 установлены снаружи по периметру шестизвенника ABCDEF и подвижно соединены через опорные шарниры O₁, O₂ и O₃ с опорным основанием 13 и установленным на нем входным звеном 14 с входным шарниром 0₄ для образования 14-звенного шарнирного механизма с трехшарнирным опорным основанием 13.

На фиг.8 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного пятизвенника ABCDE, составленного из пяти двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5 и включает пять двухшарнирных соединительных рычагов 6, 7, 8, 9 и 10, общее число которых n_x равно числу вершин μ этого пятизвенника А, В, С, D и Е, где n_x = μ = 5.

Двухшарнирные соединительные рычаги 6, 7, 8, 9 и 10 расположены по всему периметру шарнирного пятизвенника ABCDE и подвижно присоединены одним концом к вершинам A, B, C, D и E этого пятизвенника посредством двойных цилиндрических шарниров, а другим концом подвижно присоединены к опорному основанию 11 или к установленному на опорном основании 11 входному звену 12 для образования двенадцатизвенного рычажного механизма с одной степенью свободы W = 1.

На фиг.9 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника ABCDEF, составленного из шести двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6 и включает шесть двухшарнирных соединительных рычагов 7, 8, 9, 10, 11 и 12, общее число n_x которых равно числу μ вершин А, В, С, D, Е и F этого шестизвенника, где n_x = μ = 6.

Двухшарнирные соединительные рычаги 7, 8, 9, 10, 11 и 12 расположены по всему периметру шарнирного шестизвенника ABCDEF и подвижно присоединены одним концом к вершинам А, В, С, D, Е и F посредством двойных цилиндрических шарниров, а другим концом подвижно присоединены к опорному основанию 13 или к установленному на опорном основании 13 входному звену 14 для образования четырнадцатизвенного рычажного механизма с одной степенью свободы W = 1.

На фиг.10 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного семизвенника ABCDEFG, составленного из семи двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 и включает семь двухшарнирных соединительных рычагов 8, 9, 10, 11, 12, 13 и 14, число которых n_x = 7 равно числу μ вершин А, В, С, D, Е, F и G этого семизвенника, где n_x = μ = 7. Механизм имеет одну степень свободы (W = 1). выполнен со входным звеном 15 и представляет шестнадцатизвенную одноподвижную замкнутую структуру.

На фиг 11 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного восьмизвенника ABCDEFGH, составленного из восьми двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 и включает восемь двухшарнирных соединительных рычагов 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 и 16, число которых n_x = 8 равно числу μ вершин А, В, С, D, Е, F, G и Н этого восьмизвенника. где n_x = μ = 8. Механизм имеет одну степень свободы (W = 1), выполнен со входным звеном 17 и представляет 18-звенную одноподвижную замкнутую структуру.

На фиг.12 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного девятизвенника ABCDEFGHN с присоединенными к нему 9-ю двухшарными соединительными рычагами 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 и 18, число которых n_x = 9 равно числу μ вершин А, В, С, D, Е, F, G, Н и N этого девятизвенника, где n_x = μ = 9. Механизм имеет одну степень свободы (W = 1), выполнен со входным звеном 19 и представляет 20-звенную одноподвижную замкнутую структуру. Шарнирный девятизвенник ABCDEFGHN составлен из девяти двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

На фиг.13 представлен вариант выполнения шарнирного многовершинного механизма, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного десятизвенника А, В, С, D, Е, F, G, H, N и Q, составленного из десяти двухшарнирных звеньев 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10 и включает десять двухшарнирных соединительных рычагов 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 и 20, число которых n_x = 10 равно числу μ вершин А, В, С, D, Е, F, G, H, N и Q этого десятизвенника. где n_x = μ = 10. Механизм имеет одну степень свободы (W = 1), выполнен со входным звеном 21 и представляет 22-звенную одноподвижную замкнутую структуру.

Работа представленного шарнирного многовершинного механизма заключается в следующем и подтверждена на действующих физических моделях механизмов с W ≥ 1 на фиг. 1-13.

Задаваемое вращение входного звена шарнирного механизма (обозначенное стрелкой на фиг.1-13) преобразуется в замкнутый кинематической цепи в различное движение разнообразных рабочих органов, которые могут быть закреплены на любом из остальных звеньев этой замкнутой кинематической цепи. Все представленные на фиг.1 - фиг.13 разнообразные варианты выполнения шарнирных многовершинных механизмов от W = 1 до W = 3 и до 22-звенных содержат только простые в изготовлении и сборке двухшарнирных звенья, соединяемые простыми цилиндрическими шарнирами с параллельными осями вращения соединяемых звеньев, выполненными на основе одноподвижных вращательных кинематических пар. надежно работающих без заклинивания в любых условиях их эксплуатации. Все представленные на фиг.1-13 шарнирные многовершинные варианты механизмов имеют число степеней свободы W ≥ 1. равное числу указанных круговыми стрелками входных звеньев, которые реализуются в этих механизмах за счет простой системы управления приводом одного из приводных вращательных двигателей.

Достигаемый в предлагаемом шарнирном многовершинном механизме положительный эффект заключается в упрощении конструкции, снижении его габаритов, веса, трудоемкости и стоимости изготовления, а также упрощении системы управления его приводом запуска только одного вращательного двигателя.

1. Шарнирный многовершинный механизм, содержащий шарнирно соединенные рычажные звенья, образующие замкнутую кинематическую цепь, включающую опорное основание и установленное на нем приводное входное звено, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде замкнутого шарнирного многозвенника. стороны которого выполнены в виде двухшарнирных звеньев, например, одинаковой длины, которые подвижно соединены между собой посредством одноподвижных вращательных кинематических пар с параллельными осями вращения и образуют расположенные по периметру упомянутого шарнирного многозвенника вершины, которые кинематически связаны между собой, а также с опорным основанием и со входным звеном через двухшарнирные соединительные рычаги.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что двухшарнирные соединительные рычаги выполнены с возможностью их альтернативной установки внутри или снаружи замкнутого шарнирного многозвенника с образованием на его вершинах многократных, например, двойных и тройных цилиндрических шарниров, а упомянутые двухшарнирные соединительные рычаги выполнены с возможностью их расположения и сборки в одной или в параллельных плоскостях.

3. Механизм по п. 2, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного восьмизвенника, составленного из восьми двухшарнирных звеньев, а вершины упомянутого восьмизвенника попарно кинематически соединены между собой через четыре установленных внутри упомянутого шарнирного восьмизвенника двухшарнирных соединительных рычага для образования двенадцатизвенного шарнирного механизма, в котором все вершины выполнены в виде восьми двойных цилиндрических шарниров.

4. Механизм по п. 2, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного десятизвенника, составленного из десяти двухшарнирных звеньев, а вершины упомянутого десятизвенника попарно кинематически соединены между собой через шесть двухшарнирных соединительных рычагов, установленных внутри упомянутого шарнирного десятизвенника для образования шестнадцатизвенного шарнирного механизма, в котором восемь вершин выполнены в виде двойных цилиндрических шарниров, в другие две вершины выполнены в виде тройных цилиндрических шарниров.

5. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде выходного шарнирного трехзвенника, составленного из трех двухшарнирных звеньев, образующих между собой вершины числом μ=3, к которым подвижно присоединены двухшарнирные соединительные рычаги числом n_x=μ=3, концы которых изогнуты в параллельных между собой плоскостях и выполнены с отверстиями для параллельной установки в них осей цилиндрических шарниров.

6. Механизм по п. 5, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного пятизвенника, двухшарнирные соединительные рычаги расположены по всему периметру упомянутого шарнирного пятизвенника и подвижно присоединены одним концом через двойные цилиндрические шарниры к вершинам упомянутого пятизвенника, а другим концом подвижно присоединены к опорному основанию или к входному звену и общее число двухшарнирных соединительных рычагов n_x равно числу вершин μ этого пятизвенника для образования двенадцатизвенного шарнирного механизма.

7. Механизм по п. 5, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника, двухшарнирные соединительные рычаги расположены по всему периметру упомянутого шарнирного шестизвенника и подвижно присоединены одним концом посредством двойных цилиндрических шарниров к вершинам упомянутого шарнирного шестизвенника, а другим концом подвижно присоединены к опорному основанию или к входному звену и общее число двухшарнирных соединительных рычагов n_x равно числу вершин μ этого шестизвенника для образования четырнадцатизвенного шарнирного механизма.

8. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника, вершины которого посредством многократных цилиндрических шарниров кинематически соединены с шестью двухшарнирными соединительными рычагами, из которых один двухшарнирный соединительный рычаг установлен внутри упомянутого шарнирного многозвенника между двумя его противоположными вершинами, а другие пять двухшарирных соединительных рычагов установлены снаружи по периметру упомянутого шарнирного многозвенника и подвижно соединены с опорным основанием в виде двух параллелолеграммов, соединенных между собой упомянутым шестизвенником для образования четырнадцатизвенного шарнирного механизма с пятишарнирным опорным основанием.

9. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника, вершины которого посредством многократных цилиндрических шарниров кинематически соединены с шестью двухшарнирными соединительными рычагами, из которых два двухшарнирных соединительных рычага установлены внутри упомянутого шарнирного многозвенника между его противоположными вершинами, а другие четыре двухшарнирных соединтельных рычага установлены снаружи по периметру упомянутого шарнирного многозвенника и соединены с опорным основанием и со входным звеном для образования четырнадцатизвенного шарнирного механизма с четырехшарнирным опорным основанием.

10. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде шарнирного шестизвенника, вершины которого посредством многократных цилиндрических шарниров кинематически соединены с шестью двухшарнирными соединительными рычагами, из которых три двухшарнирных соединительных рычага установлены внутри упомянутого шарнирного многозвенника между его противоположными сторонами, а другие три двухшарнирных соединительных рычага установлены снаружи по периметру упомянутого шарнирного многозвенника и соединены с опорным основанием и со входным звеном для образования четырнадцатизвенного шарнирного механизма с трехшарнирным опорным основанием.