Сферический платформенный складывающийся манипулятор

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к пространственным платформенным манипуляторам, и может быть использовано в робототехнике, обрабатывающих центрах, автоматических линиях, а также в хирургической медицине и реабилитационных стендах для восстановления движений в суставах человека. Сферический платформенный складывающийся манипулятор содержит замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, которое выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов, образующих три подвижные опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов с пересекающимися в одной точке осями цилиндрических шарниров, а каждый из этих шарнирных ромбов соединен с опорным основанием и с подвижной платформой через два двойных цилиндрических шарнира. Технический результат заключается в упрощении конструкции, расширении рабочего пространства сферического платформенного манипулятора за счет увеличения до шести числа управляемых степеней свободы с их раздельной кинематической разнообразный движений рабочего органа, а также компактности пространственного манипулятора в его нерабочем положении. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к пространственным платформенным манипуляторам и может быть использовано в робототехнике, обрабатывающих центрах, автоматических линиях, а также в хирургической медицине и реабилитационных стендах для восстановления движений в суставах человека.

Известно устройство пространственного сферического манипулятора, содержащее опорное основание и выходную подвижную платформу, соединенные подвижно между собой тремя кинематическими цепями с приводными вращательными кинематическими нарами, расположенными перпендикулярно осям приводных двигателей (книга С. Кун, К. Госселин «Структурный синтез параллельных механизмов» - М.: Физматлит. 2021 (пер. с англ.), схема на вкладке стр. 80, рис. 1(e)) - аналог.

Недостатками известного устройства являются сложность и большие габариты конструкции, а также ограниченное рабочее пространство и сложная система управления всеми двигателями.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемом изобретению является сферический платформенный складывающийся манипулятор, содержащий подвижное замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, выполненное в виде пространственного рычажного механизма с тремя управляемыми степенями свободы, в котором рабочий орган установлен на подвижной платформе, кинематически связанной с опорным основанием через три параллельные кинематические цепи без образования в этих целях замкнутых копиров (патент RU 2465124 C1, B25J 1/00. 2012) - прототип.

Недостатками указанного сферического платформенного манипулятора являются ограниченное рабочее пространство (из-за малого в пределах всего трех управляемых степеней свободы ориентирующего движения рабочего органа), узкая область ею применения из-за углового перекоса выходной платформы с рабочим органом, сложность конструкции и большие габариты пространственной конструкции и большие габариты пространственной конструкции в нерабочем положении при ее складировании и транспортировке, а также сложная система управления всеми приводными двигателями.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в увеличении рабочей области сферического платформенного при сохранении заданного углового положения выходного звена с рабочим органом, а также упрощении конструкции, сборки и управления пространственными манипулятором в сочетании с его малыми габаритами в нерабочем положении.

Получение технического результата достигается за счет того, что подвижное замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов, образующих три подвижных стержневых опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов с пересекающимися в одной точке осями цилиндрических шарниров, а каждый из этих шарнирных ромбов соединен с опорным основанием и подвижной платформой через два двойных цилиндрических шарнира.

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

На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид сферического платформенного манипулятора в пространственном рабочем положении (фиг. 1) и в компактном сложенном по высоте нерабочем положении (фиг. 2).

Манипулятор содержит опорное основание 1, подвижную платформу 2, замкнутое кинематическое соединение которых выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ, равномерно расположенных через угол 120 градусов по периметру подвижной платформы 2 и образующих три подвижные стержневые опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов 3, 4, 5 и 6, соединенных между собой через цилиндрических шарниры А, В, С, D; Е, F, L, G и K, Т, М, Q, оси которых при сборке замкнутой кинематической цепи манипулятора выполнены пересекающимися в одной точке М, расположенной между упомянутыми тремя подвижными стержневыми опорами внутри платформенного манипулятора.

Противоположно расположенные вершины A и С, E и L, K и N соответственно шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ соединены с опорным основанием (через шарниры А, Е, K) и с подвижной платформой 2 (через шарниры С, L, N) через два двойных цилиндрических шарнира в каждом из упомянутых шарнирных ромбов. Например, в шарнирном ромбе ABCD двойной цилиндрический шарнир А образован двумя смежными двухшарнирными звеньями 3 и 4 с опорным основанием 1, а другой двойной цилиндрический шарнир С образован двумя смежными двухшарнирными звеньями 5 и 6 с подвижной платформой 2.

Представленный на фиг. 1 и фиг. 2 сферический манипулятор снабжен поступательной платформой 7. Кинематически связанной с подвижной платформой 2 посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов 8, 9 и 10, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины O₁O₂=O₃O₄=O₅O₆, а также цилиндрических шарниров O₁,O₂,O₃,O₄,O₅,O₆, оси которых расположены параллельно плоскости поступательной платформы 7, а один из трех кривошипов 8, 9 и 10, например, кривошип 8, снабжен приводной вращательной кинематической парой О₁, расположенной на подвижной платформе 2. Поступательная платформа 7 выполнена с возможностью закрепления на ней рабочего органа 11.

Замкнутая кинематическая цепь манипулятора выполнена с возможностью осуществления складывания по высоте манипулятора путем углового поворота всех рычажных звеньев, расположенных между опорным основанием 1, подвижной платформой 2 и поступательной платформой 7, для возможности образования в нерабочем положении компактного по высоте пространственного манипулятора.

Предлагаемый на фиг. 1 и фиг. 2 вариант выполнения сферического платформенного манипулятора имеет W=4 число управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом четырех приводных (от отдельных вращательных двигателей) вращательных кинематических пар, три их которых совмещены с двойными шарнирами А, Е, K и расположены на опорном основании 1, а четвертая пара O₁ расположена на подвижной платформе 2.

В варианте манипулятора на фиг. 1 звенья 3, 4, 5 и 6 каждого у трех шарнирных ромбов выполнены в виде стержней, например, круглого сечения.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, который снабжен вращательной платформой 12, кинематически связанной с подвижной платформой 2 посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов 13, 14 и 15, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины O₇O₈=O₉O₁₀=O₁₁O₁₂, а также цилиндрических шарниров O₇, O₈, О₉, О₁₀, O₁₁, O₁₂, расположенных перпендикулярно плоскости вращательной платформы 12. а один из трех кривошипов 13, 14 и 15, например, кривошип 13 снабжен приводной вращательной кинематической парой O₇, расположенной на подвижной платформе 2. Вращательная платформа 12 выполнена с возможностью закрепления на ней рабочего органа 16.

Предлагаемый на фиг. 3 вариант выполнения сферического платформенного манипулятора имеет W=4 число управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом четырех приводных вращательных кинематических нар, три их которых совмещены с двойными шарнирами А, Е, K и расположены на опорном основании 1, а четвертая приводная кинематическая пара O₇ расположена на подвижной платформе 2.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором каждая из подвижных стержневых опор в виде шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1) снабжена приводной вращательной кинематической парой, образованной поворотным гидроцилиндром или пневмоцилиндром, выполненным в виде круговой направляющей 17 с установленным внутри нее поршнем 18, которые выполнены в виде рычажных звеньев, радиально-изогнутых вокруг точки М пересечения осей цилиндрических шарниров всех шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1), упомянутая приводная вращательная кинематическая пара установлена внутри каждого из трех шарнирных ромбов между противоположными вершинами (например, это В и D для шарнирного ромба ABCD).

В варианте манипулятора на фиг. 4 звенья 3, 4, 5 и 6 шарнирного ромба ABCD выполнены в виде пластин, например, прямоугольного сечения.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором каждая из подвижных стержневых опор, установленная между опорным основанием 1 и подвижной платформой 2. снабжен двумя приводными вращательными кинематическими парами, установленными соосно между собой на опорном основании 1 и совмещенными с двойным шарнирном, например, шарниром А, соединяющим смежные звенья 3 и 4 четырехзвенного шарнирного ромба ABCD с опорным основанием 1. В каждом из шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1) обе упомянутые приводные вращательные кинематические пары выполнены с возможностью осуществления поочередного вращения смежных звеньев 3 и 4 (в ромбах ABCD, EFLG и KTNQ), выполняемого от разных вращательных двигателей 19 и 20 путем из поочередного включения для расширения рабочего пространства и в случае аварийного выхода из строя одного из них, а манипулятор выполнен с отдельным для каждого из трех установленных шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ вращательным приводом. На фиг. 5 обозначено: ω₃ - угловая скорость вращения звена 3 от двигателя 19, ω₄ - угловая скорость вращения звена 4 от двигателя 20.

На фиг. 6 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, который снабжен поворотной платформой 21, выполненной с возможностью осуществления полного поворота от реверсивного вращательного двигателя, а опорного основание 1 сблокировано с поворотной платформой 21. Предлагаемый на фиг. 6 вариант сферического манипулятора имеет пять управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом трех приводных вращательных кинематических пар А, Е, K в каждом из шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ, а также поворотом приводной вращательной кинематической пары O₇ (задающей круговое движение вращательной платформы 12 относительно подвижной платформы 2) и вращением поворотной платформы 21 от отдельных вращательных двигателей.

В варианте манипулятора на фиг. 6 кривошипы O₇O₈,O₉O₁₀ и O₁₁O₁₂ выполнены с параллельно отогнутыми в противоположные стороны между собой концами, предназначенными для шарнирного соединения соответственного одного из этих концов с платформой 2, а другого из этих концов - с платформой 12.

Представленный на фиг. 6 манипулятор снабжен установленным на вращательную платформу 12 рабочим органом, который выполнен в виде 6-звенного двойного шарнирного параллелограмма, состоящего из трехшарнирной стойки O₁₃O₁₅O_l8 и пяти двухшарнирных звеньев, включающих три параллельно расположенных кривошипа O₁₃O₁₄, O₁₅,O₁₆ и O₁₇O₁₈ одинаковой длины, равной O₁₃O₁₄=O₁₅O₁₆=O₁₇O₁₈ с приводной вращательной кинематической парой O₁₅, один из которых - кривошип O₁₅O₁₆ соединен с двумя выходными шатунами O₁₄O₁₆ и O₁₆O₁₇ через двойной цилиндрический шарнир O₁₆ для образования пространственного манипулятора с шестью управляемыми степенями свободы.

Манипулятор на фиг. 6 имеет 6 приводных вращательных кинематических пар в виде цилиндрических шарниров А, Е, K (привод сферического пространственного механизма, шарнира O₇ (привода вращательной платформы 12), шарнира O₁₅ (привода параллелограммного рабочего органа) и вращательный привод поворотной платформы 21.

На фиг. 7 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором кривошип 8, расположенный между поступательной платформой 7 и подвижной платформой 2, снабжен приводной самотормозящейся винтовой кинематической парой 22 для регулирования угла наклона поступательной платформы 7 относительно подвижной платформы 2. Манипулятор на фиг. 7 имеет шесть управляемых степеней свободы, задаваемый раздельным между собой угловой поворотной трех приводных вращательных кинематических пар А, Е и K (привода грех стержневых опор в виде шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ), приводной вращательной пары О₁ (привода поступательного криволинейного движения платформы 7 с рабочими органами 11, 23 и 24), приводной винтовой кинематической пары 22 (задающей наклон платформы 7 относительно платформы 2) и угловым поворотом платформы 21 от отдельного вращательного двигателя.

Работа предлагаемого сферического платформенного манипулятора заключается в следующем.

Представленный на фиг. 1-7 сферический манипулятор обеспечивает следующую раздельную кинематику задаваемых движений приводных пар:

1) Поворот в одном из шарнирных ромбов приводной вращательной кинематической пары А, Е или K обеспечивает движение рабочего органа по сферической поверхности вокруг точки М (пересечения осей шарниров), а поворот приводной пары O₁ и поступательной платформы 7 обеспечивает регулирование радиуса этой сферы.

2) Одновременный поворот приводных вращательных пар в двух соседних шарнирных ромбах обеспечивает раздельный угловой поворот подвижной платформы 2 вокруг каждой из осей прямоугольных координат X, Y, Z.

3) Одновременный поворот приводных вращательных пар во всех трех шарнирных ромбах А, Е и K обеспечивает поступательное перемещение платформ 7 и 12 с установленным на них рабочим органом точно по вертикали.

4) Поворот приводной вращательной пары O₁ поступательной платформы 7 обеспечивает криволинейное поступательное движение рабочего органа при сохранении его заданной относительно платформы 7 угловой вертикальной или горизонтальной ориентации.

5) Поворот приводной вращательной пары O₇ вращательной платформы 12 обеспечивает угловой поворот рабочего органа вокруг параллельных осей.

6) Установка на выходе манипулятора на круглые платформы 7 или 12 нескольких рабочих органов позволяет закрепить по их окружности и в их центре разные рабочие органы и одновременно выполнять несколько технологических операций.

7) Полная указанная выше работоспособность и простота управления раздельной кинематикой при реализации всех указанных движений рабочего органа, а также компактность подтверждены на разработанном автором действующем макете (фиг. 1-7) манипулятора с тремя шарнирными ромбами (по пп. 1-10 формулы).

Достигаемый в предлагаемом сферическом платформенном манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции, расширении рабочего пространства за счет увеличения до шести числа управляемых степеней свободы с их раздельной кинематической, а также компактность в нерабочем положении.

1. Сферический платформенный складывающийся манипулятор, содержащий подвижное замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, отличающийся тем, что подвижное замкнутое кинематическое соединение выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов, равномерно расположенных по периметру подвижной платформы и образующих три подвижные стержневые опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов, соединенных между собой через цилиндрические шарниры, оси которых при сборке замкнутой кинематической цепи выполнены пересекающимися в одной точке, расположенной между подвижными стержневыми опорами внутри платформенного манипулятора, противоположно расположенные вершины каждого из упомянутых шарнирных ромбов соединены с опорным основанием и с подвижной платформой через два двойных цилиндрических шарнира, из которых первый двойной шарнир образован одной парой смежных двухшарнирных звеньев шарнирного ромба, соединенных с опорным основанием, второй двойной шарнир образован другой парой смежных двухшарнирных звеньев этого ромба, соединенных с подвижной платформой, а упомянутые шарнирные ромбы выполнены в виде радиально-изогнутых рычажных звеньев, например, круглого сечения или в виде пластин.

2. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что снабжен поступательной платформой, кинематически связанной с подвижной платформой посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины и цилиндрических шарниров, расположенных параллельно плоскости упомянутой поступательной платформы, а один их трех упомянутых кривошипов снабжен приводной вращательной кинематической парой, расположенной на подвижной платформе, для образования пространственного платформенного манипулятора с четырьмя управляемыми степенями свободы.

3. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что снабжен вращательной платформой, кинематически связанной с подвижной платформой посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины и цилиндрических шарниров, расположенных перпендикулярно плоскости упомянутой вращательной платформы, а один из трех упомянутых кривошипов снабжен приводной вращательной кинематической парой, расположенной на подвижной платформе, для образования пространственного платформенного манипулятора с четырьмя управляемыми степенями свободы.

4. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая из подвижных стержневых опор снабжена приводной вращательной кинематической парой, установленной на опорном основании и совмещенной с двойным шарниром, соединяющим вершину четырехзвенного шарнирного ромба с опорным основанием, и выполнена с приводом от отдельного вращательного двигателя.

5. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая из подвижных стержневых опор снабжена приводной вращательной кинематической парой, образованной поворотным гидроцилиндром или пневмоцилиндром, выполненным в виде круговой направляющей с установленным внутри нее поршнем, которые выполнены в виде рычажных звеньев радиально-изогнутых вокруг точки пересечения осей цилиндрических шарниров всех шарнирных ромбов, а упомянутая приводная вращательная кинематическая пара установлена внутри каждого из шарнирных ромбов между его противоположными вершинами.

6. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что каждая из подвижных стержневых опор снабжена двумя приводными вращательными кинематическими парами, установленными соосно между собой на опорном основании и совмещенными с двойным шарниром, соединяющим смежные звенья четырехзвенного шарнирного ромба с опорным основанием, обе упомянутые приводные вращательные кинематические пары выполнены с возможностью осуществления поочередного вращения упомянутых смежных звеньев шарнирного ромба, выполняемого от разных вращательных двигателей путем их поочередного включения, а манипулятор выполнен с отдельным для каждого их трех установленных шарнирных ромбов вращательным приводом.

7. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен поворотной платформой, выполненной с возможностью осуществления полного поворота от реверсивного вращательного двигателя, а опорное основание сблокировано с упомянутой поворотной платформой, для образования пространственного платформенного манипулятора с пятью управляемыми степенями свободы.

8. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по п. 2, отличающийся тем, что поступательная и вращательная платформы выполнены с возможностью закрепления на них рабочих органов, совершающих круговое поступательное или вращательное перемещение относительно опорного основания во всем рабочем пространстве платформенного манипулятора.

9. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 1, 2, отличающийся тем, что его замкнутая кинематическая цепь манипулятора выполнена с возможностью осуществления складывания по высоте манипулятора путем углового поворота всех рычажных звеньев, расположенных между опорным основанием, подвижной платформой и поступательной платформой, для возможности образования в нерабочем положении компактного по высоте пространственного манипулятора.

10. Сферический платформенный складывающийся манипулятор по пп. 2-9, отличающийся тем, что один из трех кривошипов, расположенных между поступательной платформой и подвижной платформой, снабжен приводной самотормозящейся винтовой кинематической парой, для образования пространственного платформенного манипулятора с шестью управляемыми степенями свободы, выполненного с возможностью осуществления посредством упомянутой винтовой кинематической пары регулирования угла наклона этой поступательной платформы с установленными на ней рабочим органом относительно подвижной платформы манипулятора.