Симметричный платформенный манипулятор с тремя степенями свободы

Изобретение относится к машиностроению, в частности к платформенным механизмам параллельной структуры. Манипулятор содержит опорное основание, кинематически связанное посредством шарнирно-рычажного устройства с подвижной платформой, взаимодействующей с рабочим органом. Шарнино-рычажное устройство выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы трех структурных модулей, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного соединительного рычага и присоединенных к нему трех двухшарнирных соединительных рычагов, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения для сборки замкнутой многоконтурной кинематической цепи манипулятора. Каждый из упомянутых структурных модулей выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой одного трехшарнирного соединительного рычага и трех двухшарнирных соединительных рычагов, которые образуют между собой и с опорным основанием шарнирный параллелограмм, или шарнирный антипараллелограмм, или шарнирный пятизвенник с приводной вращательной или поступательной кинематической парой. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции, расширение рабочего пространства, а также упрощении системы управления рабочим органом за счет раздельной кинематики всех его движений. 4 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к машиностроению, и в частности к платформенным механизмам параллельной структуры, и может найти применение в обрабатывающих центрах, роботах-манипуляторах и автоматических линиях в разных областях техники и хирургической медицине.

Известен платформенный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижную платформу, кинематически связанные между собой через многозвенное шарнирное устройство в виде шести приводных стержневых опор (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин», Москва: Высшая школа, 1996, с. 28, рис. 1.20, схема платформенного манипулятора Стюарта) - аналог.

Недостатками известного платформенного манипулятора являются сложность конструкции и системы управления из-за применения 12 сложных сферических шарниров и необходимости управления одновременно 6 приводными двигателями.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является платформенный манипулятор с тремя степенями свободы, содержащий опорное основание и шарнирно-рычажное устройство его связи с подвижной платформой в виде шарнирно-сочлененных приводных стержневых опор (статья Мирзаев Р.А. и др., Исследование кинематически манипулятора параллельной структуры (дельта-механизм)// Вестник Сибирского госуд. аэрокосм, ун-та. 2012. Вып. 4, с. 46-50, рис. 1 и рис. 4) - прототип.

Недостатками указанного платформенного манипулятора являются:

1. Сложность конструкции и ее сборки из-за применения 6 сложных в изготовлении сферических шарниров.

2. Узкая рабочая зона, уменьшающаяся до нуля в форме усеченного конуса (рис. 4 в указанной статье Мирзаева. Р.А.) из-за ограниченного угла поворота сферических шарниров и возникающих неуправляемых мертвых положений подвижной платформы из-за имеющихся зазоров в кинематических парах (статья Пожбелко В.И. Возникновение переменной (изменяемой) структуры и расчет размеров области особых положений механизма с учетом зазоров и вырождения кинематических пар // Журнал «Теория механизмов и машин», СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010, т. 8(№2), с. 71-80).

3. Низкая эксплуатационная эффективность и функциональность из-за возникающего при движении углового поворота подвижной платформы с рабочим органом, нарушающего заданное расположение рабочего органа при его движении в рабочем пространстве манипулятора.

4. Сложная система управления одновременно всеми приводными двигателями из-за взаимовлияния степеней свободы и возникающей из-за этого связности разных движений подвижной платформы.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и сборки манипулятора, расширении его рабочей зоны и функциональности, а также точного обеспечения заданной постоянной ориентации рабочего органа при его перемещении.

Получение технического результата достигается за счет того, что установленное в платформенном манипуляторе шарнирно-рычажное устройство перемещения выходного звена выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы с рабочим органом трех структурных модулей, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного соединительного рычага и присоединенных к нему трех двухшарнирных соединительных рычагов, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических рычагов с параллельными осями вращения для сборки замкнутой многоконтурной кинематической цепи манипулятора.

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

На фиг. 1 изображен общий вид симметричного платформенного манипулятора с тремя степенями свободы, содержащего опорное основание 1, кинематически связанное с подвижной платформой 2 посредством шарнирно-рычажного устройства, которое выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы 2 трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного рычага 3 с вершинами А, В, С и присоединенных к этим вершинам трех двухшарнирных звеньев 4, 5 и 6, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения для сборки замкнутой кинематической цепи манипулятора. Подвижная платформа 2 выполнена в виде равностороннего трехшарнирного треугольника с возможностью закрепления на нем подвижного рабочего органа. Структурные модули O₁ABCO₂, O₃ABCO₄ и O₅ABCO с одной стороны кинематически связаны с вершинами J₁, J₂ и J₃ треугольной подвижной платформы 2, а с другой стороны связаны с опорным основанием 1 посредством трех шарнирных параллелограммов O₁ACO₂, O₃ACO₄ и O₅ACO₆ с приводными вращательными кинематическими парами O₁, O₃ и O₅ соответственно.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором все двухшарнирные соединительные рычаги (например, O₁A, BJ₁ и J₃B, AO₅ и другие) выполнены в виде пластин с отогнутыми обоими концами, которые расположены параллельно между собой для соединения с соответствующим шарниром.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 одного двухшарнирного соединительного рычага BJ_2, одного трехшарнирного соединительного рычага ABC, двух двухшарнирных соединительных рычагов O₁A и O₂C одинаковой длины O₁A=O₂C, которые образуют между собой и с опорным основанием 1 шарнирные параллелограммы соответственно O₁ACO₂, O₃ACO₄ и O₅ACO₆ с установленной в каждом из них по диагонали приводной поступательной кинематической парой Е, выполненной в виде подвижного пневмоцилиндра или гидроцилиндра 7.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 трехшарнирного соединительного рычага ABG₁ и трех двухшарнирных соединительных рычагов O₁A, BC и CO_2, образующих между собой и с опорным основанием 1 шарнирный пятизвенник O₁ABCO₂ с установленной на опорном основании 1 приводной вращательной кинематической парой O₁.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁CAJ₁BO₂ образует с опорным основанием 1 шарнирный пятизвенник O₁CABO₂ с приводной поступательной кинематической парой С, выполненной в виде установленного на опорном основании 1 поворотного пневмоцилиндра или гидроцилиндра 8.

На фиг. 6 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 двухшарнирного соединительного рычага BJ_1, затем трехшарнирного соединительного рычага ABC с присоединенными к нему двумя скрещивающимися между собой двухшарнирными соединительными рычагами O₁А и О₂С одинаковой длины O₁А=О₂С, которые образуют шарнирный антипараллелограмм O₁ACO₂ с установленной на опорном основании 6 вращательной приводной кинематической парой O₁.

На фиг. 7 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O_2, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ содержит антипараллелограмм О₁САO₂ со скрещивающимися между собой двухшарнирными соединительными рычагами O₁A и O₂C одинаковой длины O₁A=O₂C, между которыми установлена поступательная приводная кинематическая пара Е, выполненная в виде поворотного относительно опорного основания 1 пневмоцилиндра или гидроцилиндра 9.

На фиг. 8 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором трехшарнирный соединительный рычаг выполнен в виде радиально изогнутого упругого трехшарнирного звена ABС для образования при сборке замкнутой кинематической цепи манипулятора полного набора цилиндрических шарниров с беззазорными вращательными кинематическими парами и исключения при работе шарнирного манипулятора неуправляемых мертвых положений подвижной платформы 2 с установленным на ней рабочим органом.

На фиг. 9 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, который снабжен поворотной платформой 10, выполненной с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг вертикальной оси, а опорное основание 1 установлено на упомянутой поворотной платформе 10. Рабочий орган 11 кинематически связан с подвижной платформой 2 манипулятора посредством трех параллельных кривошипов 12, 13 и 14, выполненных одинаковой длины NM=EG=QT, установленных с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг горизонтальной оси для совершения кругового поступательного движения рабочего органа 11 при сохранении его заданной горизонтальной ориентации. При этом трехшарнирный соединительный рычаг ABC в каждом из структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен с расположением всех его трех шарниров А, В и С на одной прямой линии «А - В - С» параллельно плоскости опорного основания 1, для образования пространственного шестиопорного (через шарниры О₁, O₂, O₃, O₄, O₅, O₆) платформенного манипулятора с точным позиционированием рабочего органа 11 во всем пространстве его движений с числом степеней свободы, равным W=5.

Работа представленного платформенного манипулятора заключается в следующем.

Указанные на фиг. 1 - фиг. 9 в разных вариантах выполнения платформенного манипулятора вращательные или поступательные приводные кинематические пары обеспечивают перемещение подвижной платформы в пространстве с тремя степенями свободы, а предлагаемая в варианте на фиг. 9 установка опорного основания на поворотную платформу в сочетании с кинематической связью рабочего органа с подвижной платформой через три параллельных кривошипа позволяют дополнительно увеличить до пяти число степеней свободы рабочего органа.

Достигаемый в предлагаемом манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции и ее сборки, расширении рабочего пространства и упрощении системы управления за счет раздельной кинематики всех его движений.

1. Симметричный платформенный манипулятор с тремя степенями свободы, содержащий опорное основание, кинематически связанное посредством шарнирно-рычажного устройства с подвижной платформой, взаимодействующей с рабочим органом, отличающийся тем, что шарнино-рычажное устройство выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы трех структурных модулей, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного соединительного рычага и присоединенных к нему трех двухшарнирных соединительных рычагов, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения для сборки замкнутой многоконтурной кинематической цепи манипулятора, а каждый из упомянутых структурных модулей выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой одного трехшарнирного соединительного рычага и трех двухшарнирных соединительных рычагов, которые образуют между собой и с опорным основанием шарнирный параллелограмм, или шарнирный антипараллелограмм, или шарнирный пятизвенник с приводной вращательной или поступательной кинематической парой.

2. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что подвижная платформа выполнена в виде равностороннего трехшарнирного треугольника с возможностью закрепления на нем подвижного рабочего органа, а структурные модули кинематически связаны с одной стороны с вершинами треугольной подвижной платформы, с другой стороны связаны с опорным основанием посредством трех шарнирных параллелограммов с приводными вращательными кинематическими парами.

3. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что двухшарнирные соединительные рычаги выполнены в виде пластин с отогнутыми обоими концами, которые расположены параллельно между собой для соединения с соответствующим шарниром.

4. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что трехшарнирный соединительный рычаг каждого из трех структурных модулей выполнен в виде радиально изогнутого упругого трехшарнирного звена для образования при сборке замкнутой кинематической цепи манипулятора набора цилиндрических шарниров с беззазорными вращательными кинематическими парами и исключения при работе шарнирного манипулятора неуправляемых мертвых положений подвижной платформы с установленным на ней рабочим органом.

5. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен поворотной платформой, выполненной с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг вертикальной оси от отдельного вращательного двигателя, опорное основание установлено на упомянутой поворотной платформе, рабочий орган закреплен на расположенной по вертикали дополнительной поступательной платформе, которая кинематически связана с подвижной платформой манипулятора посредством трех параллельных кривошипов одинаковой длины, установленных с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг горизонтальной оси для совершения кругового поступательного движения рабочего органа при сохранении его постоянной ориентации, а трехшарнирный соединительный рычаг в каждом из структурных модулей выполнен с расположением всех его трех шарниров на одной прямой линии параллельно плоскости опорного основания, для образования платформенного манипулятора с шестиопорной подвижной платформой и увеличенным до пяти числом степеней свободы перемещаемого рабочего органа.