Пространственный механизм с четырьмя степенями свободы и кинематической развязкой

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к пространственным манипуляционным механизмам роботов с четырьмя степенями свободы с кинематической развязкой. Пространственный механизм включает три параллельные кинематические цепи. Первая цепь содержит двигатели вращательного и поступательного перемещения и шарнирные параллелограммы. Входное звено второго параллелограмма является выходным звеном первого параллелограмма, а выходное звено второго параллелограмма жестко сопряжено с конечным звеном механизма. Во второй и третьей кинематических цепях двигатели выполнены в виде вертикально установленных на основании двигателей вращательного перемещения и сопряжены с конечным звеном посредством двух вертикально установленных шарниров и промежуточных звеньев. Сопряженные с конечным звеном цилиндрические шарниры второй и третьей кинематических цепей являются вращательно-поступательными и имеют общую ось, совпадающую с конечным звеном. Обеспечивается повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве. 1 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с четырьмя степенями свободы с кинематической развязкой. Робот совершает три поступательные движения и вращения вокруг произвольной вертикальной оси.

Целью изобретения является повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки. При этом приводы поступательного перемещения должны обеспечивать соответствующие поступательные перемещения конечного звена, а привод вращательного движения должен обеспечивать вращение конечного звена вокруг вертикальной оси.

Известно устройство - пространственный механизм (R.Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space", US Patent No. 4,976,582, December 11), включающий основание, конечное звено, связанное с установленными на основании двигателями вращательного перемещения посредством цилиндрических вращательных кинематических пар и промежуточных звеньев.

Недостатком данного устройства является отсутствие кинематической развязки между вертикальным перемещением и перемещениями в плоскости.

За прототип взято устройство - пространственный механизм (Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot comprising means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies", Patent No. WO 2006/021629 A1, 02.03.2006), включающий основание, конечное звено, связанное посредством трех идентичных кинематических цепей, выполненных в виде вертикально установленного параллелограммного механизма и цилиндрической зубчатой передачи с тремя вертикально установленными на основании двигателями вращательного движения, осуществляющими движение конечного звена в плоскости, параллельной основанию, и его поворот вокруг вертикальной оси. Вертикальное перемещение конечного звена осуществляется вертикально установленным на основании двигателем поступательного движения, сопряженным со звеньями шарнирных параллелограммов через горизонтально расположенные штанги и связанные с ними вертикальные звенья, имеющие возможность только вертикального перемещения.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует полная кинематическая развязка между степенями свободы. Движение конечного звена в плоскости и его вращение вокруг вертикальной оси требуют согласованной работы всех трех вращательных двигателей. Это повышает сложность управления и снижает надежность устройства. Независимым является только движение по вертикали, осуществляемое сдельным двигателем.

Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки всех возможных движений.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве - пространственном механизме, включающем основание, конечное звено, вертикально установленный на основании двигатель вращательного перемещения, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения одной из кинематических цепей, сопряженным через начальное звено с шарнирным параллелограммом, который шарнирно связан с конечным звеном, вторая и третья кинематические цепи содержат двигатели вращательного перемещения, связанные с конечным звеном посредством цилиндрических шарниров, новым является то, что в кинематическую цепь, содержащую двигатель вращательного перемещения и двигатель поступательного перемещения, шарнирный параллелограмм, установленный горизонтально и жестко сопряженный своим начальным звеном с двигателем поступательного перемещения, включен второй шарнирный параллелограммом, входное звено которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма, а выходное звено второго параллелограмма жестко сопряжено с конечным звеном механизма, во второй и третьей кинематических цепях, содержащих два цилиндрических шарнира и промежуточное звено, выходные цилиндрические шарниры выполнены вращательно-поступательными и имеют общую ось, совпадающую с конечным звеном.

Устройство - пространственный механизм (Рис.1) - включает основание 1, конечное звено 2, вертикально установленный двигатель вращательного перемещения 3 одной из кинематических цепей, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения 4, жестко сопряженным через начальное звено 5 с шарнирным параллелограммом 6. Шарнирный параллелограмм 6 установлен горизонтально. Данная кинематическая цепь снабжена вторым шарнирным параллелограммом 7, входное звено 8 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 6, а выходное звено 9 жестко сопряжено с конечным звеном 2 механизма. Вторая и третья кинематические цепи содержат вертикально установленные двигатели вращательного перемещения 3', 3'', сопряженные с соответствующими начальными звеньями 5', 5'', которые связанны с конечным звеном 2 посредством двух шарниров - соответственно 10, 11 и 10', 11', и промежуточных звеньев 12 и 12' соответственно. Шарниры 10, 11 и 10', 11' установлены вертикально и параллельно оси соответствующего двигателя, причем выходные цилиндрические шарниры 11 и 11' являются вращательно-поступательными и сопряжены с конечным звеном 2, которое является их общей осью.

Устройство - пространственный механизм - работает следующим образом.

Относительно основания 1 конечное звено 2 перемещается поступательно вертикально посредством вертикально установленного двигателя поступательного перемещения 4, вращение вокруг вертикальной оси происходит посредством вертикально установленного двигателя вращательного перемещения 3, эти движения передаются через начальное звено 5 на жестко сопряженное с ним входное звено горизонтально установленного шарнирного параллелограмма 6, затем движение передаются на второй шарнирный параллелограмм 7, входное звено 8 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 6, после этого с выходного звена 9 второго шарнирного параллелограмма 7 движение передается на конечное звено 2 механизма, причем цилиндрические шарниры 11 и 11' выполнены вращательно-поступательными и допускают вертикальное перемещение конечного звена 2. Во второй и третьей кинематических цепях двигатели вращательного перемещения 3' и 3'' установлены вертикально и передают движение соответствующим начальным звеньям 5'и 5'', затем движение передается последовательно на два шарнира соответственно 10, 11 и 10', 11', промежуточные звенья 12 и 12', а затем на конечное звено 2. Поскольку шарниры 11 и 11' имеют общую вертикальную ось и сопряжены с конечным звеном 2, то вращение двигателя 3 передается через шарнирные параллелограммы 6 и 7 на конечное звено 2 с передаточным отношением, равным единице. Тем самым осуществлена кинематическая развязка степеней свободы.

Пространственный механизм, включающий основание, конечное звено, вертикально установленный двигатель вращательного перемещения, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения одной из кинематических цепей, сопряженным через начальное звено с шарнирным параллелограммом, который шарнирно связан с конечным звеном, причем вторая и третья кинематические цепи содержат вертикально установленные на основании двигатели, каждый из которых сопряжен с соответствующим начальным звеном, отличающийся тем, что в кинематической цепи, содержащей двигатель поступательного перемещения и двигатель вращательного перемещения, шарнирный параллелограмм установлен горизонтально и его входное звено жестко сопряжено с соответствующим начальным звеном кинематической цепи, причем упомянутая кинематическая цепь снабжена вторым шарнирным параллелограммом, входное звено которого является одновременно выходным звеном первого шарнирного параллелограмма, а выходное звено второго параллелограмма жестко сопряжено с конечным звеном механизма, при этом во второй и третьей кинематических цепях двигатели связаны с конечным звеном посредством двух вертикально установленных цилиндрических шарниров и промежуточного звена, а выходные цилиндрические шарниры этих цепей выполнены вращательно-поступательными и имеют общую ось, совпадающую с конечным звеном.