ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с шестью степенями свободы с кинематической развязкой поступательных и вращательных движений. При этом приводы поступательного движения должны обеспечивать поступательные перемещения выходного звена при постоянной его ориентации, а приводы вращательного движения должны обеспечивать ориентацию выходного звена при сохранении положения его центра.
Известно устройство - пространственный механизм (статья Yan Jin, I-Ming Chen, Guilin Yang Structure Synthesis and Singularity Analysis of a Parallel Manipulator Based on Selective Actuation. / Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics & Automation New Orleans, LA April 2004, Fig.4), включающее основание, выходное звено, три соединительные кинематические цепи, каждая из которых содержит установленные с параллельными осями привод вращательного движения и привод поступательного движения, входное звено, промежуточное звено и два шарнира, оси которых расположены с пересечением в одной точке выходного звена. Недостатком данного устройства является то, что в каждой кинематической цепи расположены поступательные кинематические пары, склонные к перекосам и заклиниваниям, более сложные в изготовлении, чем вращательные пары.
В качестве прототипа взято устройство - пространственный механизм, (Патент RU 2412798, опубл. 27.02.2011, Бюл. №6) включающий основание, выходное звено, три соединительные кинематические цепи, каждая из которых содержит последовательно установленные с параллельными осями приводы вращательного и поступательного движения, связанные с выходным звеном механизма посредством двух последовательно установленных зубчатых передач, начальное колесо первой зубчатой передачи соединено с приводом вращательного движения соответствующей цепи, конечное колесо первой зубчатой передачи совмещено с начальным колесом второй зубчатой передачи, конечное колесо второй зубчатой передачи соединено с промежуточным звеном, ось которого параллельна осям приводов, промежуточное звено и два шарнира, оси которых расположены с пересечением в одной точке выходного звена. Недостатком данного устройства является высокая стоимость привода поступательного движения с большим перемещением и сложность сведения в одну точку осей промежуточных звеньев и двух шарниров во всех трех кинематических цепях.
Цель полезной модели - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по шести координатам на базе кинематической развязки поступательных и вращательных движений.
Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве - включающем основание, выходное звено, три соединительные кинематические цепи, каждая из которых содержит последовательно установленные с параллельными осями приводы вращательного и поступательного движения, связанные с выходным звеном механизма посредством двух последовательно установленных зубчатых передач, начальное колесо первой зубчатой передачи соединено с приводом вращательного движения соответствующей цепи, конечное колесо первой зубчатой передачи совмещено с начальным колесом второй зубчатой передачи, конечное колесо второй зубчатой передачи соединено с промежуточным звеном, ось которого параллельна осям соответствующих приводов, причем оси всех трех промежуточных звеньев пересекаются в одной точке выходного звена.
Технический результат достигается за счет того, что привод поступательного движения каждой кинематической цепи расположен на ползуне, выполненном с возможностью перемещения по закрепленной на основании направляющей и фиксации на ней, а механизм снабжен платформой, на которой с возможностью вращения вокруг перпендикулярных осей установлены соединенные с промежуточными звеньями двух кинематических цепей дуговые направляющие с прорезями, в которых с возможностью перемещения расположена втулка с проходящим через нее выходным звеном пространственного механизма, соединенным посредством карданного шарнира с промежуточным звеном третьей кинематической цепи.
Устройство - пространственный механизм представлено на рисунке 1. Устройство включает основание 1 с закрепленной на нем направляющей 2, выходное звено 3, три соединительные кинематические цепи, каждая из которых содержит установленные с параллельными осями привод поступательного перемещения 4 и привод вращательного движения 5. Привод поступательного движения каждой цепи размещен на соответствующем ползуне 6, и имеет фиксатор 7. Каждая соединительная кинематическая цепь снабжена двумя последовательно установленными зубчатыми передачами 8, 9 с передаточными отношениями, равными единице и состоящими из трех зубчатых колес, расположенными в плоскостях, перпендикулярных осям соответствующих приводов 4 и 5. Начальное колесо первой зубчатой передачи 8 соединено с валом привода вращательного движения соответствующей цепи, конечное колесо первой зубчатой передачи 8 соединено с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, конечное колесо второй зубчатой передачи 9 соединено с промежуточными звеньями 10 или 11, оси которых установлены параллельно с осями соответствующих приводов 4, 5 и пересекаются в одной точке. Механизм дополнительно снабжен платформой 12, на которой с возможностью поворота относительно перпендикулярных осей размещены дуговые направляющие 13, один конец которых связан с промежуточными звеньями 10 соответствующих кинематических цепей. Направляющие имеют прорези, в которых с возможностью перемещения расположена втулка 14 с отверстием, через которое проходит выходное звено 3, соединенное посредством карданного шарнира 15 с промежуточным звеном 11 третьей кинематической цепи.
Устройство - пространственный механизм работает следующим образом. Относительно основания 1 выходное звено 3 перемещается по шести координатам посредством трех соединительных кинематических цепей, установленные с параллельными осями привод поступательного движения 4 и привод вращательного движения 6 передают движение на колесо первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу этой зубчатой передачи, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее движение передается конечному колесу второй зубчатой передачи 9 и через него промежуточным звеньям 10 и 11, затем через размещенные на платформе 12 с возможностью поворота дуговые направляющие 10 на расположенную в их взаимно перпендикулярных прорезях втулку 14, через которую проходит выходное звено 3. Вращение выходного звена 3 вокруг его оси обеспечивается промежуточным звеном 11 третьей кинематической цепи через карданный шарнир 15. Для расширения рабочей зоны приводы поступательного движения 4, закрепленные на ползунах 6 можно переместить по направляющей 6 в другую точку, зафиксировав их в новом положении фиксатором 7.
Кинематическая развязка осуществляется следующим образом. При действии привода вращательного движения 5 вращение передается начальному колесу первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу этой зубчатой передачи, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее вращение передается конечному колесу второй зубчатой передачи 9 и через него промежуточному звену 10, затем через дуговые направляющие 13 и расположенную в их прорезях втулку 14 вращение передается выходному звену 3. Поскольку две последовательно установленные зубчатые передачи 8, 9 с передаточными отношениями, равными единице, расположены в плоскостях, перпендикулярных оси соответствующего привода 5, начальное колесо первой зубчатой передачи 8 соединено с выходом привода 5 соответствующей цепи, конечное колесо первой зубчатой передачи 8 совмещено с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, конечное колесо второй зубчатой передачи сопряжено с промежуточными звеньями 10, 11, оси которых установлены параллельно с осями приводов 4 и 5, то вращение передается от привода 5 на промежуточное звено 10 с передаточным отношением, равным единице. Поскольку каждое промежуточное звено 10, 11 установлено с пересечением в одной точке, то при работе каждого вращательного привода 5 имеют место вращения промежуточных звеньев 10, 11 соответствующей кинематической цепи и осуществляется вращение выходного звена 3 вокруг точки соединения осей промежуточных звеньев без изменения ее положения. При действии каждого привода поступательного движения 4 поступательное движение начальному колесу первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу этой зубчатой передачи, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее поступательное движение передается конечному колесу второй зубчатой передачи и через нее промежуточному звену 10 и 11. Затем через дуговые направляющие 13, карданный шарнир 15 и втулку 13, в которых в данном случае вращение отсутствует, поступательное движение передается выходному звену 3.
Поскольку две последовательно установленные зубчатые передачи 8 и 9 расположены в плоскостях, перпендикулярных оси соответствующего привода 4, то при работе каждого поступательного привода 4 имеет место поступательное движение по направлению, перпендикулярному плоскостям зубчатых передач 8 и 9 данной цепи. В двух других кинематических цепях имеют место поступательные движения в плоскостях соответствующих зубчатых передач 8 и 9. Это обусловливает поступательное движение выходного звена 3 при отсутствии его вращения и изменения углов его ориентации.
Одним из важных критериев является изоморфность, то есть постоянство передаточного отношения между перемещениями приводов поступательного движения и перемещениями выходного звена по соответствующей координате.
Изоморфность, то есть постоянство передаточного отношения между перемещениями в приводах поступательного движения 4 и соответствующими перемещениями выходного звена 3, достигается тем, что оси приводов поступательного движения 5 каждой кинематической цепи установлены взаимно ортогонально друг другу. Поскольку зубчатые передачи 8 и 9 каждой кинематической цепи расположены в плоскостях, перпендикулярных осям соответствующих приводов 4, то при поступательном перемещении в каждом приводе 4 для данной кинематической цепи имеет место поступательное перемещение в направлении, перпендикулярном плоскостям зубчатых передач 8 и 9 данной кинематической цепи. В двух других кинематических цепях имеют место поступательные движения в плоскостях соответствующих зубчатых передач 8 и 9. Взаимная ортогональность приводов поступательного движения 4 трех кинематических цепей обусловливает поступательное движение выходного звена 3 только вдоль оси перемещения соответствующего привода поступательного движения 3 с постоянным передаточным отношением, равным единице.