МАНИПУЛЯТОР-ТРИПОД С ШЕСТЬЮ СТЕПЕНЯМИ ПОДВИЖНОСТИ
TRIPOD MANIPULATOR WITH SIX DEGREES OF MOVEMENT

Изобретение может быть использовано в машиностроительной, пищевой и других отраслях промышленности для выполнения как основных технологических операций, например механической обработки изделий, так и вспомогательных операций: сортировки, укладки, упаковки изделий и т.д.
Из уровня техники известен манипулятор-трипод по патенту США №4976582 (МПК B25j 9/12, 1990), содержащий основание с установленными на нем тремя приводами поступательного и одного привода вращательного движений, подвижную платформу с тремя опорами вращения с установленным на ней с возможностью вращения рабочим органом, три параллельные кинематические цепи от выходных элементов приводов поступательного перемещения к опорам вращения на подвижной платформе, состоящие из двух универсальных шарниров, соединенных жестким звеном так, что внутренние оси универсальных шарниров параллельны, а привод вращения установленный на основании, связан с рабочим органом отдельной карданной передачей. В указанном манипуляторе-триподе возможны только поступательные перемещения подвижной платформы. Вращательное движение рабочего органа не зависит от перемещений платформы. К недостатку этого манипулятора-трипода можно отнести загромождение пространства манипулятора-трипода отдельной передачей вращения рабочему органу. Увеличение числа ориентирующих движений рабочего органа таким же образом приводит к еще большему загромождению рабочего пространства.
Из уровня техники известен также манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности POLMAN 3×2 по статье К.Миановского «Анализ особенностей параллельного манипулятора POLMAN 3×2 с шестью степенями свободы» (12-й Всемирный конгресс ИФТОММ, Безансон, июнь 18-21, 2007), предлагаемый в качестве наиболее близкого аналога и содержащий основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, причем оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол, подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа, состоящие каждая из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей образуют шарниры с опорами вращения на подвижной платформе. Этот манипулятор-трипод свободен от вышеотмеченного недостатка, однако имеет другие существенные недостатки:
а) ни одно из ориентирующих движений рабочего органа манипулятора не может быть полнооборотным, т.е. нельзя осуществить режим непрерывного вращения рабочего органа;
б) система ориентирующих движений рабочего органа не отвечает какой-либо системе углов Эйлера, что усложняет программирование движений;
в) кинематика манипулятора не обеспечивает групповой кинематической развязки приводов изменения положения центра системы координат рабочего органа и приводов изменения ориентации рабочего органа, что также усложняет задачу программирования и приводит к ухудшению скоростных и точностных характеристик манипулятора.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности, свободного от указанных недостатков, кинематика которого позволяет вести программирование движений и калибровку манипулятора на основе решения прямой и обратной задач кинематики в явном виде, т.е. без использования итерационных процедур.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в достижении групповой кинематической развязки приводов поступательных и ориентирующих движений рабочего органа манипулятора, приводящих к улучшению скоростных и точностных характеристик.
Указанный технический результат в известном манипуляторе-триподе с шестью степенями подвижности, содержащем основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, причем оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол, подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа, состоящие каждая из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей образуют шарниры с опорами вращения на подвижной платформе, достигается тем, что на подвижной платформе установлен механизм ориентации рабочего органа; на наружных осях крестовин двух универсальных шарниров кинематической цепи на равных расстояниях и с одной стороны от центров крестовин универсальных шарниров установлены два цилиндрических шарнира с осями, параллельными внутренним осям крестовин универсальных шарниров, соединенные жестким звеном так, что расстояние между осями установленных шарниров равно расстоянию между центрами крестовин универсальных шарниров, а с наружными осями крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей соединены дополнительно установленные в опорах вращения на подвижной платформе ведущие валы механизма ориентации рабочего органа.
Кроме того, в частных вариантах реализации манипулятора-трипода механизм ориентации рабочего органа с тремя степенями подвижности для повышения жесткости конструкции может быть выполнен в виде установленного на одном из ведущих валов механизма ориентации универсального шарнира так, что центр его крестовины совпадает с вершиной трехгранного угла, образованного осями опор вращения на подвижной платформе, на ведомом валу которого укреплен рабочий орган манипулятора-трипода, и двух сферических двухповодковых групп с цилиндрическими шарнирами, состоящих каждая из кривошипа и шатуна, причем кривошипы укреплены на двух других ведущих валах, а шатуны соединены один с другим и с ведомым валом универсального шарнира двойным шарниром так, что центры сферических двух поводковых групп совпадают с центром крестовины универсального шарнира.
Далее, для увеличения диапазона изменений координат ориентации рабочего органа механизм ориентации рабочего органа может состоять из двух дифференциальных механизмов в виде двух планетарных передач с коническими колесами, общим водилом и двумя соосными центральными колесами на входах дифференциалов, причем входное центральное колесо одного из дифференциальных механизмов укреплено на одном из ведущих валов механизма ориентации рабочего органа, вал второго центрального колеса этого дифференциального механизма установлен с возможностью вращения на сателлите второго дифференциального механизма и жестко связан с рабочим органом манипулятора; центральное колесо второго дифференциального механизма конической передачей связано с вторым ведущим валом механизма ориентации рабочего органа, а общее водило дифференциальных механизмов конической передачей связано с третьим ведущим валом механизма ориентации рабочего органа.
Для упрощения расчетных зависимостей трехгранный угол, образованный осями вращения выходных валов блоков приводов, может быть равен трехгранному углу декартовой системы координат; по той же причине в двух сферических двухповодковых группах механизма ориентации рабочего органа углы между осями шарниров кривошипов и шатунов могут быть равны 90 градусам.
Изобретение иллюстрируется кинематическими схемами манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности (фиг.1) и механизмов ориентации его рабочего органа (фиг.2 и фиг.3).
Манипулятор-трипод содержит (фиг.1) основание 0, на котором установлены три блока 1, 1' и 1" приводов соосных поступательного и вращательного движений выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов. Оси выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно образуют трехгранный угол с точкой пересечения в полюсе Р. В частном случае реализации этот трехгранный угол равен трехгранному углу прямоугольной системы координат. На подвижной платформе 3 манипулятора-трипода установлен механизм ориентации рабочего органа 4, выполненный в частном случае в виде сферического механизма с вращательными кинематическими парами (фиг.1, фиг.2) либо в виде дифференциального зубчатого механизма (фиг.3).
На подвижной платформе 3 (фиг.1, фиг.2) установлены три опоры вращения 5, 5' и 5", оси которых образуют трехгранный угол с полюсом Р', равный трехгранному углу, образованному осями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1". В опорах вращения 5, 5' и 5" подвижной платформы 3 установлены с возможностью вращения ведущие валы 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4. Выходные валы 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" связаны тремя идентичными кинематическими цепями соответственно с ведущими валами 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4. Каждая из кинематических цепей содержит два универсальных шарнира с крестовинами 7, 7' и 7" и 9, 9' и 9", соединенных попарно промежуточными валами 8, 8' и 8" соответственно так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров каждой кинематической цепи параллельны друг другу, а наружные образуют вращательные пары с упомянутыми выходными валами 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" с одной стороны и ведущими валами 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4 с другой. На наружных осях крестовин 7 и 9, 7' и 9', 7" и 9" двух универсальных шарниров каждой кинематической цепи установлены цилиндрические шарниры 10 и 12, 10' и 12', 10" и 12" на равных расстояниях от центров крестовин универсальных шарниров с осями, параллельными внутренним осям крестовин универсальных шарниров. Шарниры 10 и 12, 10' и 12', 10" и 12" попарно связаны жесткими звеньями 11, 11' и 11" так, что расстояние между осями упомянутых шарниров равны расстояниям между центрами крестовин соответствующих универсальных шарниров.
Работает предлагаемый манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности следующим образом. Три параллелограмма 7, 8, 11, 9; 7', 8', 11', 9'; 7", 8", 11", 9" и равенство трехгранных углов, образованных осями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" и осями опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 ведущих валов 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4, установленного на подвижной платформе 3, обеспечивают условие поступательных перемещений подвижной платформы 3. Действительно, для любого положения центров крестовин 9, 9' и 9" универсальных шарниров их наружные оси параллельны соответственно наружным осям крестовин 7, 7' и 7" универсальных шарниров соответственно, и, следовательно, в числе возможных положений осей ведущих валов 6, 6' и 6" всегда есть положение, когда оси ведущих валов 6, 6' и 6" параллельны осям выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно, независимо от углового положения выходных валов 2, 2' и 2". Вследствие равенства трехгранных углов осей выходных валов 2, 2' и 2" и осей опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 эти положения ведущих валов 6, 6' и 6" одновременно удовлетворяют условиям, накладываемым неизменяемыми относительными положениями осей опор вращения 5, 5' и 5", укрепленными на подвижной платформе 3. Параллельность осей опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 непараллельным между собой осям выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно, не меняющих своего положения относительно основания 0, есть условие поступательного движения подвижной платформы 3. При этом поступательные перемещения подвижной платформы 3 определены только осевыми перемещениями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1". Угловые перемещения выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" независимо от положения подвижной платформы 3 равны угловым перемещениям ведущих валов 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4 относительно подвижной платформы 3 соответственно, т.к. кинематические цепи шарнирно соединенных последовательно звеньев 2-7-8-9-6, 2'-7'-8'-9'-6', 2"-7"-8"-9"-6" при параллельности осей вращения крайних звеньев цепочек представляют собой частный случай карданной передачи с постоянным равным единице передаточным отношением.
Отмеченная независимость поступательных перемещений подвижной платформы от угловых перемещений выходных валов блоков приводов и, обратно, независимость положений ведущих валов механизма ориентации рабочего органа относительно подвижной платформы (как следствие, ориентации рабочего органа) от осевых перемещений выходных валов блоков приводов есть признак групповой кинематической развязки: система шести уравнений для расчета положений рабочего органа, связывающая шесть координат его положения с шестью координатами положений выходных валов блоков приводов, распадается при этом на две независимые подсистемы. Решение получаемой системы уравнений и программирование движений рабочего органа упрощаются. Дальнейшие шаги в этом направлении связаны с особенностями построения механизмов ориентации рабочего органа. Если требуется обеспечить высокую жесткость (и точность) манипулятора-трипода, используемого, например, в качестве обрабатывающего оборудования, то целесообразно применить шарнирно-рычажные механизмы.
В частности, на подвижной платформе 3 может быть установлен механизм ориентации рабочего органа манипулятора-трипода, представленный на фиг.1 и фиг.2. Он содержит универсальный шарнир с крестовиной 13, на входе которого - один из ведущих валов, например 6, а на выходе - рабочий орган 4 манипулятора-трипода. Центр крестовины 13 совпадает с вершиной трехгранного угла, образованного осями опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3. На ведущих валах 6' и 6" укреплены кривошипы 14' и 14", вместе с шатунами 15' и 15" входящие в состав двух сферических двухповодковых групп с цилиндрическими шарнирами. Шатуны 15' и 15" двойным шарниром соединены с ведомым звеном универсального шарнира и, следовательно, с рабочим органом 4 манипулятора-трипода. Центры двух сферических двухповодковых групп совпадают с центром крестовины 13 универсального шарнира. В частном случае реализации для упрощения расчетных зависимостей углы между осями шарниров кривошипов 14' и 14" и шатунов 15' и 15" могут быть равны 90 градусам.
Этот вариант построения механизма ориентации рабочего органа манипулятора характеризуется ограниченными диапазонами изменений двух из четырех углов Эйлера, определяющих ориентацию рабочего органа. Иногда требуется обеспечить более высокие манипуляционные возможности, например неограниченный диапазон изменений двух из трех углов Эйлера. Этому требованию удовлетворяет механизм ориентации рабочего органа манипулятора, состоящий из двух дифференциальных механизмов в виде двух планетарных передач с коническими зубчатыми колесами и общим водилом.
На фиг.3 представлена кинематическая схема механизма ориентации рабочего органа манипулятора-трипода, позволяющая выполнить два из трех углов Эйлера, определяющих ориентацию рабочего органа, полнооборотными. Здесь центральные колеса 16, 17 и сателлит 22 образуют первый дифференциальный механизм, а центральное колесо 19, общее для двух дифференциалов водило 20 и сателлит 18 - второй дифференциальный механизм. Центральное колесо 16 укреплено на ведущем валу 6 механизма ориентации, а рабочий орган 4 манипулятора-трипода жестко связан с валом центрального колеса 17. Вал центрального колеса 17 установлен в опоре вращения 23, укрепленной на сателлите 18 второго дифференциального механизма. Центральное колесо 19 второго дифференциального механизма конической зубчатой передачей 6'-24 связано с ведущим валом 6', а общее водило 20 конической передачей 20-21 связано с ведущим валом 6" механизма ориентации рабочего органа 4 манипулятора-трипода.
Так как подвижная платформа 3 не меняет пространственной ориентации при перемещениях, то угловое положение рабочего органа 4, описываемое углами Эйлера, определено следующими положениями элементов механизма: положение (поворот) водила 20 относительно подвижной платформы - это угол прецессии, положение (поворот) сателлита 18 и, следовательно, оси опоры 23 относительно водила 20 - есть угол нутации; наконец, положение центрального колеса 17 и, соответственно, рабочего органа 4 относительно опоры 23 - угол чистого вращения. Полнооборотными в этой конструкции будут прецессия и чистое вращение рабочего органа. Постоянство передаточных отношений зубчатых передач приводит к линейным зависимостям с постоянными коэффициентами между углами Эйлера и углами поворота ведущих валов механизма ориентации рабочего органа. В этом случае задача программирования ориентирующих движений трудностей не представляет.