Пространственный параллелограммный механизм манипулятора

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к шарнирным параллелограммным механизмам параллельной структуры, и может найти применение в качестве привода платформенных манипуляторов, автоматических линий, технологических сборочных устройств, точных измерительных комплексов и хирургических роботов. Пространственный параллелограммный механизм манипулятора содержит основание и шарнирно соединенные с ним и параллельно установленные между собой поворотные кривошипы одинаковой длины, кинематически связанные между собой посредством шатуна. При этом он выполнен в виде подвижно соединенных между собой параллелограммов, а поворотные кривошипы выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами с расположенными на них со смещением между собой отверстиями для установки цилиндрических шарниров. Шатун выполнен в виде основной подвижной платформы, соединенной с основанием поворотными кривошипами через цилиндрические шарниры с осями вращения, расположенными перпендикулярно основанию и основной подвижной платформе. Обеспечивается упрощение конструкции и системы управления, а также расширение функциональности и рабочей зоны. 9 з.п. ф-лы. 4 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, и, в частности, к шарнирным параллелограммным механизмам параллельной структуры и может найти применение в качестве привода платформенных манипуляторов, автоматических линий, технологических сборочных устройств, точных измерительных комплексов и хирургических роботов.

Известен шарнирный кривошипный механизм параллелограмма, содержащий стойку, ведущий и ведомый кривошипы и расположенный между ними шатун, выполненный в виде двухшарнирного линейного звена, установленного параллельно стойке, длина которой равна длине шатуна (Крайнев А.Ф. «Механика машин. Фундаментальный словарь» - М.: Машиностроение, 2000. С. 159, схема механизма на рис. б)) - аналог.

Недостатками указанного механизма параллелограмма являются:

1. Наличие в механизме (через каждые 180° угла поворота ведущего кривошипа, т.е. 2 раза за цикл при расположении всех шарниров звеньев на одной прямой линии) двух особых (мертвых) положений, в которых из-за разрыва связей в кинематических парах возникает зона неуправляемого движения ведомого вала.

2. На практике эксплуатации и в теории установлено, что в этих особых положениях происходит самопроизвольный (т.е. неуправляемый) переход из сборки параллелограмма в сборку антипараллелограмма, сопровождающийся жесткими ударами из-за изменения направления вращения ведомого вала (т.е. механизм становится неработоспособным и по авт. свид. №877176, Бюл. №40, СССР, 1981 - год требует дополнительного сложного комплекта зубчатых колес для выхода из мертвого положения путем ударного реверса ведомого вала).

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, к предлагаемому изобретению является пространственный шарнирный механизм манипулятора, содержащий параллельно установленные вокруг выходной подвижной платформы замкнутые кинематические цепи, состоящие из двухшарнирных звеньев, сферических и цилиндрических шарниров для сборки с основанием трех подвижных стержневых опор (статья Мирзаев Р.А. Смирнов Н.А. «Исследование кинематики манипулятора параллельной структуры (дельта-механизм)»/Вестник Сибирского госуд. ун-та. 2012. Вып. 4, с. 46-50, рис. 1) - прототип.

Недостатками указанного механизма параллельного манипулятора являются:

1. Сложная конструкция изготовления и сборки всех трех применяемых сферических шарниров, требующих очень точного пересечения только в одной точке всех трех осей для всех внутренних и наружных сферических поверхностей (US Patent No. 4, 628, 765/1986)

2. Сложная система управления из-за связанной кинематики всех трех приводных двигателей, требующей их одновременного регулирования.

3. Из-за поворота сферических шарниров вокруг всех трех осей x, y, z при перемещении подвижной платформы с рабочим органом происходит угловой наклон, что нарушает требуемое постоянство вертикальной и горизонтальной ориентации рабочего органа во всем рабочем пространстве манипулятора в виде наклонного конуса (прототип, рис. 4).

4. Наличие в механизме манипулятора особых (неуправляемых) мертвых положений (при совмещении на одной прямой линии всех шарниров подвижных стержневых опор) приводит к ограниченной до нуля узким конусом рабочей зоне перемещения установленного на платформе рабочего органа (показанной на графике рис. 4 в указанной статье Мирзаев Р.А. и др./Вестник СГАУ, 2012, вып. 4).

5. Ограниченные функциональные и эксплуатационные возможности дельта-механизма подтверждены в эксперименте графиком его рабочей зоны (рис. 4), содержащей вращение рабочего органа только вокруг одной оси конуса, который сверху и снизу ограничен из-за мертвых положений звеньев, возникающих из-за малых углов поворота сферических шарниров.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции за счет применения всех простых цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения, упрощении системы управления путем раздельной кинематики привода, а также расширении функциональности и рабочего пространства за счет его выполнения вообще без каких-либо особых (как неуправляемых, так и мертвых) положений, и обеспечения при этом заданной угловой, вертикальной или горизонтальной ориентации рабочего органа с возможностью его вращения вокруг параллельных, например вертикальных, осей.

Получение технического результата достигается за счет того, что механизм манипулятора выполнен в виде подвижно соединенных между собой параллелограммов, а в параллелограммном механизме манипулятора все поворотные кривошипы выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами с расположенными на них со смещением между собой отверстиями для установки цилиндрических шарниров, а шатун выполнен в виде основной подвижной платформы, соединенной с основанием посредством не менее грех поворотных кривошипов через цилиндрические шарниры с параллельными между собой осями вращения, расположенными соответственно перпендикулярно основанию и перпендикулярно основной подвижной платформе.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4

На фиг. 1 представлен общий вид пространственного параллелограммного механизма манипулятора, содержащего основание 1 и шарнирно соединенные с ним и параллельно установленные между собой поворотные кривошипы одинаковой длины 2, 3 и 4, которые выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами (например, в одну сторону) с расположенными на них со смещением «Δ» между собой отверстиями для установки осей цилиндрических шарниров А, В, С, О₁, О₂ и О₃, образующих параллелограммный механизм со сторонами АВ=О₁О₂, О₁А=О₂В=О₃С и АС=О₁О₃, ВС=О₂О₃, выполненный в виде подвижно соединенных между собой в пересекающихся параллелограммов О₁АВО₂, О₁АСО₃ и О₃СВО₂. Шатун параллелограммного механизма выполнен в виде основной подвижной платформы 5, соединенной с основанием 1 посредством трех поворотных кривошипов 2, 3 и 4 через цилиндрические шарниры А, В, С, О₁, О₂ и О₃ с параллельными между собой осями вращения, расположенными соответственно перпендикулярно основанию 1 и перпендикулярно основной подвижной платформе 5. Основание 1 и основная подвижная платформа 5 выполнены в виде одинаковых трехшарнирных звеньев в форме треугольников.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, в котором основная подвижная платформа 5 снабжена дополнительной подвижной платформой 6, которая установлена относительно основной подвижной платформы 5 с угловым смещением γ=60° и соединена с этой основной платформой 5 посредством трех дополнительных поворотных кривошипов одинаковой длины 7, 8 и 9 с отогнутыми плоскими концами (например, в разные между собой стороны), с расположенными на них со смещением «Δ» между собой отверстиями) - для образования манипулятора с двумя раздельно управляемыми степенями свободы от двух вращательных двигателей, один из которых установлен на основании 1, а другой - на платформе 5. Разворот платформ 6 и 5 между собой обеспечивает поворот рабочего органа вокруг параллельных вертикальных осей.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, в котором соединенная с основанием 1 основная подвижная платформа 5 снабжена дополнительной подвижной платформой 6, а поворотные кривошипы 7, 8 и 9 соединены с поворотными кривошипами 2, 3 и 4 через три двойных цилиндрических шарнира 10, 11 и 12, которые образуют между собой вершины шарнирного треугольника АВС. Основание 1 установлено на поворотную платформу 13, имеющую возможность раздельного вращения вокруг оси О₄О₅ и вокруг О₆О₇.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, который снабжен поворотной платформой 14, выполненной с возможностью ее полного поворота от дополнительного вращательного реверсивного двигателя, а основание 1 установлено на упомянутой поворотной платформе 14 для образования механизма с тремя раздельно управляемыми степенями свободы путем независимого углового поворота одного из трех поворотных кривошипов, установленных на дополнительной подвижной платформе или путем вращения упомянутой поворотной платформы. Поворотная платформа 14 снабжена приводной поступательной или винтовой самотормозящейся кинематической парой 15 для образования манипулятора с четырьмя раздельно управляемыми степенями свободы, включая регулирование высоты расположения подвижной платформы с рабочим органом. Рабочие органы 16 и 17 раздельно закреплены на платформах 5 и 6, а рабочий орган 18 выполнен в виде складывающейся круглой платформы, соединенной кривошипами 19, 20 и 21 с платформой 6. Работа представленного пространственного механизма манипулятора заключается в следующем:

1) Вращение ведущего кривошипа 2 (установленного между основанием 1 и основной подвижной платформой 5 с установленным на ней рабочим органом) приводит к круговому (криволинейному поступательному) движению платформы 5 и установленного на ней рабочего органа при сохранении его заданного углового, вертикального или горизонтального расположения во всем рабочем пространстве манипулятора при угловом повороте любого из поворотных кривошипов 2, 3 и 4 и связи с полным отсутствием в этом пространстве каких-либо неуправляемых мертвых положений звеньев манипулятора.

2) Дополнительное (и независимое от поворота кривошипа 2) вращение другого ведущего кривошипа 9 (установленного между основной 5 и дополнительной 6 подвижными платформами с различными рабочими органами) приводит к круговому (криволинейному поступательному) движению другой дополнительной платформы 6 относительно основной платформы 5, что обеспечивает для платформы 6 и установленного на платформе 6 рабочего органа сохранение его заданной пространственной расположения без возникновению каких-либо неуправляемых мертвых положений звеньев манипулятора относительно его основания.

3) Установка основания 1 на поворотную платформу 14 и ее снабжение приводной поступательной или винтовой кинематический парой увеличивает до W=4 число раздельно управляемых степеней свободы и расширяет рабочее пространство манипулятора - за счет дополнительного регулирования пространственного перемещения этой поворотной платформы.

Достигаемый в предлагаемом пространственном параллелограммном механизме манипулятора положительный эффект заключается в упрощении конструкции и системы управления за счет возможности раздельного углового поворота каждого из приводных двигателей манипулятора, а также в расширении функциональности применения и рабочей зоны манипулятора за счет исключения из нее всех неуправляемых и мертвых положений и обеспечении заданного (например, горизонтального или вертикального) расположения рабочего органа относительно основания манипулятора при пространственном движении звеньев параллелограммного механизма, а также расширение областей применения за счет обеспечения вращения выходной платформы с рабочим органом вокруг параллельных (например, вертикальных) осей.

1. Пространственный параллелограммный механизм манипулятора, содержащий основание и шарнирно соединенные с ним и параллельно установленные между собой поворотные кривошипы одинаковой длины, кинематически связанные между собой посредством шатуна, отличающийся тем, что механизм выполнен в виде подвижно соединенных между собой в пересекающихся плоскостях параллелограммов, кривошипы которых выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами с расположенными на них со смещением между собой отверстиями для установки цилиндрических шарниров, а шатун выполнен в виде основной подвижной платформы, соединенной с основанием посредством не менее трех поворотных кривошипов через цилиндрические шарниры с параллельными между собой осями вращения, расположенными соответственно перпендикулярно основанию и перпендикулярно основной подвижной платформе.

2. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что основание и основная подвижная платформа выполнены в виде двух одинаковых, по числу шарниров и их взаиморасположению, звеньев, например в виде двух одинаковых трехшарнирных звеньев в форме треугольника.

3. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что основная подвижная платформа снабжена дополнительной подвижной платформой, которая установлена относительно основной подвижной платформы с углом смещением γ=60° и соединена с упомянутой основной платформой посредством трех дополнительных поворотных кривошипов одинаковой длины с отогнутыми плоскими концами для образования манипулятора с двумя раздельно управляемыми степенями свободы от двух вращательных приводных двигателей.

4. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что основная подвижная платформа снабжена дополнительной подвижной платформой, поворотные кривошипы которой соединены с поворотными кривошипами основной поворотной платформы через три двойных цилиндрических шарнира, которые образуют между собой вершины шарнирного треугольника.

5. Механизм по п. 3 или 4, отличающийся тем, что он снабжен двумя приводными вращательными двигателями, один из которых установлен на основании, другой из упомянутых двигателей установлен на дополнительной подвижной платформе, а основная и дополнительная подвижные платформы выполнены с возможностью раздельного закрепления на них разных рабочих органов.

6. Механизм по п. 3 или 4, отличающийся тем, что он снабжен поворотной платформой, выполненной с возможностью раздельного вращения вокруг вертикальной и горизонтальной осей с приводом от двух раздельно управляемых вращательных двигателей, а основание установлено на упомянутой поворотной платформе.

7. Механизм по п. 3 или 4, отличающийся тем, что он снабжен поворотной платформой, выполненной с возможностью ее полного поворота от дополнительного вращательного реверсивного двигателя, а основание установлено на упомянутой поворотной платформе для образования механизма с тремя раздельно управляемыми степенями свободы путем независимого углового поворота одного из трех поворотных кривошипов, установленных на дополнительной подвижной платформе, или путем вращения упомянутой поворотной платформы.

8. Механизм по п. 7, отличающийся тем, что поворотная платформа снабжена приводной поступательной или винтовой самотормозящейся кинематической парой для образования манипулятора с четырьмя раздельно управляемыми степенями свободы, включая регулирование высоты расположения подвижной платформы с рабочим органом.

9. Механизм по п. 1, отличающийся тем, что плоские концы поворотных кривошипов отогнуты между собой в одну сторону.

10. Механизм по п. 5, отличающийся тем, что плоские концы поворотных кривошипов отогнуты между собой в разные стороны, а рабочий орган выполнен в виде складывающейся круглой платформы, соединенной кривошипами с дополнительной подвижной платформой.