ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ С ПЯТЬЮ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к робототехнике, к манипуляторам, выполняющим поступательные движения по трем координатам и вращения вокруг двух осей.
Полезная модель предназначена для легкой, текстильной и других отраслей промышленности и может быть использована при выполнении как основных технологических операций, например, механической обработки изделий, так и вспомогательных операций, связанных с транспортировкой, сортировкой, укладкой и упаковкой полуфабрикатов и готовых изделий.
Известно устройство (патент United States Patent Application Publication. Pub. No.: US 2007/0062321 A1. Pub. Date: Mar. 22, 2007. DEVICE FOR THE MOVEMENT AND ORIENTATION OF AN OBJECT IN SPACE AND USE THEREOF IN RAPID MACHINING. Inventors: Danien Chablat, Nantes (FR); Philippe Wenger, Sainte Luce Sur Loire (FR)), пространственный механизм с пятью степенями свободы включает основание, выходное звено, рабочий орган, кинематически связанный с выходным звеном, три кинематические цепи, содержащие каждая двигатель поступательного перемещения, расположенный параллельно одной из ортогональных осей координат, начальную вращательную кинематическую пару, ось которой расположена перпендикулярно оси соответствующего двигателя поступательного перемещения, шарнирный параллелограмм, начальное звено которого совмещено с осью соответствующей начальной вращательной кинематической пары, а вращательные кинематические пары шарнирного параллелограмма расположены перпендикулярно оси начальной вращательной кинематической пары, конечную вращательную кинематическую пару, ось которой совмещена с осью конечного звена шарнирного параллелограмма, конечное звено кинематической цепи, сопряженное с выходным звеном механизма, в двух кинематических цепях расположен двигатель вращательного перемещения, ось которого расположена параллельно оси соответствующего двигателя поступательного перемещения, а также выходная вращательная кинематическая пара, ось которой параллельна оси соответствующего двигателя вращательного перемещения, сопрягающая конечное звено соответствующей кинематической цепи с выходным звеном механизма посредством промежуточных вращательных кинематических пар, причем в одной кинематической цепи расположены две промежуточные вращательные кинематические пары, а в другой кинематической цепи расположена одна промежуточная вращательная кинематическая пара, а конечное звено третьей кинематической цепи жестко связано с выходным звеном механизма.
Недостатком данного устройства является наличие карданного вала для передачи вращения на рабочий орган. Это снижает надежность устройства и оказывает негативное влияние на его работоспособность в связи с тем, что карданный вал не обеспечивает высокую жесткость на кручение.
Целью полезной модели является повышение надежности и технической эффективности устройства за счет того, что вращательные движения передаются через механизм параллелограмма, а не через карданный вал.
Технический результат достигается тем, что устройство, пространственный механизм с пятью степенями свободы, включает основание, выходное звено, рабочий орган, кинематически связанный с выходным звеном, три кинематические цепи, содержащие каждая двигатель поступательного перемещения, расположенный параллельно одной из ортогональных осей координат, начальную вращательную кинематическую пару, ось которой расположена перпендикулярно оси соответствующего двигателя поступательного перемещения, шарнирный параллелограмм, начальное звено которого совмещено с осью соответствующей начальной вращательной кинематической пары, а вращательные кинематические пары шарнирного параллелограмма расположены перпендикулярно оси начальной вращательной кинематической пары, конечную вращательную кинематическую пару, ось которой совмещена с осью конечного звена шарнирного параллелограмма, конечное звено кинематической цепи, сопряженное с выходным звеном механизма, в двух кинематических цепях расположены двигатели вращательного перемещения, оси которых расположены параллельно осям соответствующих двигателей поступательного перемещения. При этом в каждой из этих цепей выходная вращательная кинематическая пара, ось которой параллельна оси соответствующего двигателя вращательного перемещения, сопрягает конечное звено соответствующей кинематической цепи с выходным звеном механизма. Конечные звенья двух кинематических цепей, содержащих двигатели вращательного перемещения, сопряжены с рабочим органом посредством промежуточных вращательных кинематических пар, причем в одной кинематической цепи расположены две промежуточные вращательные кинематические пары, а в другой кинематической цепи расположена одна промежуточная вращательная кинематическая пара. Оси выходных и промежуточных вращательных кинематических пар расположены с пересечением в одной точке, а конечное звено третьей кинематической цепи жестко связано с выходным звеном механизма. Конечные звенья кинематических цепей, содержащих двигатели вращательного перемещения, сопряжены посредством выходных вращательных кинематических пар с выходным звеном механизма.
Фиг. 1 - пространственный механизм с пятью степенями свободы.
Пространственный механизм с пятью степенями свободы (Фиг. 1) включает основание (1, 1', 1''), выходное звено (2), рабочий орган (3), кинематически связанный с выходным звеном (2) и три кинематические цепи. Каждая кинематическая цепь содержит двигатель поступательного перемещения (4, 4', 4''), расположенный параллельно одной из ортогональных осей координат, начальную вращательную кинематическую пару (5, 5', 5''), ось которой расположена перпендикулярно оси соответствующего двигателя поступательного перемещения (4, 4', 4''), шарнирный параллелограмм, начальное звено (6, 6', 6'') которого совмещено с осью соответствующей начальной вращательной кинематической пары (5, 5', 5''), а вращательные кинематические пары шарнирного параллелограмма (7, 7', 7'') расположены перпендикулярно оси начальной вращательной кинематической пары (5, 5', 5''), конечную вращательную кинематическую пару (8, 8', 8''), ось которой совмещена с осью конечного звена шарнирного параллелограмма (9, 9', 9''), конечное звено кинематической цепи (10), сопряженное с выходным звеном механизма (2). В двух кинематических цепях расположены двигатели вращательного перемещения (11, 11'), оси которых расположены параллельно оси соответствующего двигателя поступательного перемещения (4, 4'), а также выходные вращательные кинематические пары (12, 12'), оси которых параллельны осям соответствующих двигателей вращательного перемещения (11, 11'), сопрягающие конечные звенья (10, 10') соответствующих кинематических цепей с выходным звеном механизма (2). Конечные звенья (10, 10') двух кинематических цепей, содержащих двигатели вращательного перемещения (11, 11'), сопряжены с рабочим органом (3) посредством промежуточных вращательных кинематических пар (13, 13'), причем в одной кинематической цепи расположены две промежуточные вращательные кинематические пары (13'), а в другой кинематической цепи расположена одна промежуточная вращательная кинематическая пара (13). Оси выходных (12, 12') и промежуточных (13, 13') вращательных кинематических пар расположены с пересечением в одной точке, а конечное звено третьей кинематической цепи (10'') жестко связано с выходным звеном механизма (2). Конечные звенья кинематических цепей (10, 10'), содержащих двигатели вращательного перемещения (11, 11'), сопряжены посредством выходных вращательных кинематических пар (12, 12') с выходным звеном механизма (2).
Устройство, пространственный механизм с пятью степенями свободы, работает следующим образом. Относительно основания (1, 1', 1'') выходное звено (2) вместе с кинематически связанным с ним рабочим органом (3) перемещается посредством трех кинематических цепей. При этом двигатели поступательного перемещения (4, 4', 4''), каждый из которых расположен параллельно одной из ортогональных осей координат, передают движения на соответствующие начальные вращательные кинематические пары (5, 5', 5''), оси которых расположены перпендикулярно осям соответствующих двигателей поступательного перемещения (4, 4', 4''). Затем движение в каждой цепи передается на соответствующий шарнирный параллелограмм, начальное звено (6, 6', 6'') которого совмещено с осью соответствующей начальной вращательной кинематической пары (5, 5', 5''), а вращательная кинематическая пара шарнирного параллелограмма (7, 7', 7'') расположена перпендикулярно оси начальной вращательной кинематической пары (5, 5', 5''). Каждый шарнирный параллелограмм выполняет функцию поступательной кинематической пары. Далее движение передается на соответствующую конечную вращательную кинематическую пару (8, 8', 8''), ось которой совмещена с осью конечного звена шарнирного параллелограмма (9, 9', 9''). После этого движение передается на соответствующее конечное звено кинематической цепи (10, 10', 10''), сопряженное с выходным звеном механизма (2). Двигатели вращательного перемещения (11, 11'), расположенные в двух кинематических цепях с осями, параллельными осям соответствующих двигателей поступательного перемещения (4, 4'), передают движение на соответствующие начальные вращательные кинематические пары (5, 5'). Затем движение передается на соответствующие шарнирные параллелограммы, начальные звенья (6, 6') которых совмещены с осями соответствующих начальных вращательных кинематических пар (5, 5'), а вращательные кинематические пары параллелограмма (7, 7') расположены перпендикулярно осям начальных вращательных кинематических пар (5, 5'). Далее движение передается на соответствующие конечные вращательные кинематические пары (8, 8'), оси которых совмещены с осями конечных звеньев шарнирного параллелограмма (9, 9'). После этого движение передается на соответствующие конечные звенья кинематических цепей (10, 10'), сопряженных с выходным звеном механизма (2) посредством выходных вращательных кинематических пар (12, 12'), оси которых параллельны осям соответствующих двигателей вращательного перемещения (11, 11'). Эти выходные вращательные кинематические пары (12, 12'), оси которых параллельны осям соответствующих двигателей вращательного перемещения (4, 4') сопрягают конечные звенья (10, 10') соответствующих кинематических цепей с выходным звеном (2) механизма. Конечные звенья (10, 10') двух кинематических цепей, содержащих двигатели вращательного перемещения (11, 11'), сопряжены с рабочим органом (3) посредством промежуточных вращательных кинематических пар (13, 13'), причем в одной кинематической цепи расположены две промежуточные вращательные кинематические пары (13'), а в другой кинематической цепи расположена одна промежуточная вращательная кинематическая пара (13), оси выходных (12, 12') и промежуточных (13, 13') вращательных кинематических пар расположены с пересечением в одной точке, а конечное звено (10'') третьей кинематической цепи жестко связано с выходным звеном механизма (2).
Поскольку конечные звенья кинематических цепей (10, 10'), содержащих двигатели вращательного перемещения (11, 11'), сопряжены посредством выходных вращательных кинематических пар (12, 12') с выходным звеном (2) и промежуточных вращательных кинематических пар (13, 13') с рабочим органом (3), то вращение с двигателей вращательного перемещения (11, 11') передается рабочему органу (3). В связи с тем, что конечное звено третьей кинематической цепи (10'') жестко связано с выходным звеном механизма (2), то ориентация выходного звена (2) остается неизменной.