ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ С ЧЕТЫРЬМЯ СТЕПЕНЯМИ СВОБОДЫ С КАРДАННЫМ ВАЛОМ

Полезная модель относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с четырьмя степенями свободы с частичной кинематической развязкой. Робот совершает три поступательные движения и вращения вокруг произвольной вертикальной оси.
Известен пространственный механизм с четырьмя степенями свободы с карданным валом, включающий основание, конечное звено, связанное с установленными на основании двигателями посредством вращательных кинематических пар и промежуточных звеньев.
(Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot comprising means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies," Patent No. WO 2006/021629 Al, 02.03.2006),
Недостатком данного устройства является отсутствие кинематической развязки между поступательными перемещениями и вращением.
Известен пространственный механизм с четырьмя степенями свободы с карданным валом, включающий основание, конечное звено, четыре двигателя, один из которых является двигателем вращательного перемещения, три кинематические цепи, в одной из которых расположен вертикально установленный двигатель вращательного перемещения, сопряженный с карданным валом, включающим два установленных в горизонтальных плоскостях карданных шарнира, выполненных в виде имеющих ось и втулку входной и выходной вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем оси входной и выходной вращательных пар первого карданного шарнира расположены параллельно соответственно осям выходной и входной кинематических пар второго карданного шарнира, а также промежуточное звено с осью, проходящей через точки пересечения осей вращательных пар карданных шарниров, и выходное звено, жестко сопряженное с конечным звеном механизма, во второй и третьей кинематических цепях расположены по одному горизонтально установленному на основании двигателю, сопряженному посредством промежуточного и конечного шарниров, с конечным звеном механизма.
(R.Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space," US Patent No. 4,976,582, December 11)
Данное устройство наиболее близко к предложенному техническому решению и принято за прототип.
Карданный вал включает два установленных в горизонтальных плоскостях карданных шарнира, выполненных в виде имеющих ось и втулку входной и выходной вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем оси входной и выходной вращательных пар первого карданного шарнира расположены параллельно соответственно осям выходной и входной кинематических пар второго карданного шарнира, а также промежуточное звено с осью, проходящей через точки пересечения осей вращательных пар карданных шарниров. Выходное звено жестко сопряжено с конечным звеном механизма. Во второй и третьей кинематических цепях расположены по одному горизонтально установленному на основании двигателю, которые сопряжены с конечным звеном механизма посредством промежуточного и конечного шарниров.
Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует развязка между степенями свободы при перемещениях конечного звена в плоскости, а также при вертикальных перемещениях. В данном случае должны быть одновременно задействованы три двигателя вращательного перемещения.
Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе частичной кинематической развязки.
Технический результат достигается тем, пространственный механизм с четырьмя степенями свободы с карданным валом, включающий основание, конечное звено, четыре двигателя, один из которых является двигателем вращательного перемещения, три кинематические цепи, в одной из которых расположен вертикально установленный двигатель вращательного перемещения, сопряженный с карданным валом, включающим два установленных в горизонтальных плоскостях карданных шарнира, выполненных в виде имеющих ось и втулку входной и выходной вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем оси входной и выходной вращательных пар первого карданного шарнира расположены параллельно соответственно осям выходной и входной кинематических пар второго карданного шарнира, а также промежуточное звено с осью, проходящей через точки пересечения осей вращательных пар карданных шарниров, и выходное звено, жестко сопряженное с конечным звеном механизма, во второй и третьей кинематических цепях расположены по одному горизонтально установленному на основании двигателю, сопряженному посредством промежуточного и конечного шарниров, с конечным звеном механизма, в кинематической цепи, содержащей карданный вал, расположен второй двигатель, выполненный в виде двигателя поступательного перемещения, установленного соосно с двигателем вращательного перемещения, оси входной вращательной пары первого карданного шарнира и выходной вращательной пары второго карданного шарнира связаны посредством дополнительной тяги, сопряженной с этими осями посредством установленных на них сферических шарниров и расположенной параллельно оси промежуточного звена, втулки входной вращательной пары первого карданного шарнира и выходной вращательной пары второго карданного шарнира связаны посредством второй дополнительной тяги, сопряженной с этими втулками посредством установленного на каждой из них рычага и сферического шарнира, и расположенной параллельно оси промежуточного звена, во второй и третьей кинематических цепях двигатели выполнены в виде двигателей поступательного перемещения, установленных с перпендикулярно расположенными осями, промежуточные шарниры второй и третьей кинематических цепей выполнены в виде сферических шарниров, конечные шарниры второй и третьей кинематических цепей выполнены в виде карданных шарниров, выполненных в виде входной и выходной вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем выходные вращательные пары карданных шарниров второй и третьей кинематических цепей расположены соосно.
На фиг.1 представлен предложенный пространственный механизм.
Пространственный механизм (Фиг.1), включает основание 1, конечное звено 2, четыре двигателя, один из которых является двигателем вращательного перемещения, три кинематические цепи, в одной из которых расположен вертикально установленный двигатель вращательного перемещения 3, сопряженный с карданным валом, включающим два установленных в горизонтальных плоскостях карданных шарнира 4, 4', выполненных в виде имеющих ось 5, 5', 5", 5"' и втулку 6, 6', 6", 6"' входной 7, 7' и выходной 8, 8' вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем оси 5, 5' входной 7 и выходной 8 вращательных пар первого карданного шарнира 4 расположены параллельно соответственно осям 5"', 5" выходной 8' и входной 7' кинематических пар второго карданного шарнира 4', а также промежуточное звено 9 с осью, проходящей через точки пересечения осей вращательных пар 7,8 и 7',8' карданных шарниров 4,4', и выходное звено 10, жестко сопряженное с конечным звеном механизма 2, во второй и третьей кинематических цепях расположены по одному горизонтально установленному на основании двигателю 11', 11", сопряженному посредством промежуточного 12', 12" и конечного 13', 13" шарниров с конечным звеном 2 механизма, в кинематической цепи, содержащей карданный вал, расположен второй двигатель 11, выполненный в виде двигателя поступательного перемещения, установленного соосно с двигателем вращательного перемещения 3, оси 5, 5"' входной вращательной пары 7 первого карданного шарнира 4 и выходной вращательной пары 8' второго карданного шарнира 4; связаны посредством дополнительной тяги 14, сопряженной с этими осями посредством установленных на них сферических шарниров 15, 15' и расположенной параллельно оси промежуточного звена 9, втулки 6, 6"' входной вращательной пары 7 первого карданного шарнира 4 и выходной вращательной пары 8' второго карданного шарнира 4' связаны посредством второй дополнительной тяги 16, сопряженной с этими втулками посредством установленного на каждой из них рычага 17, 17' и сферического шарнира 18, 18', и расположенной параллельно оси промежуточного звена 9, во второй и третьей кинематических цепях двигатели 11', 11" выполнены в виде двигателей поступательного перемещения, установленных с перпендикулярно расположенными осями, промежуточные шарниры 12', 12" второй и третьей кинематических цепей выполнены в виде сферических шарниров, конечные шарниры 13', 13" второй и третьей кинематических цепей выполнены в виде карданных шарниров 13', 13", выполненных в виде входной 19', 19" и выходной 20', 20"вращательных кинематических пар с пересекающимися под прямым углом осями, причем выходные вращательные пары 20', 20" карданных шарниров 13', 13" второй и третьей кинематических цепей расположены соосно.
Пространственный механизм, работает следующим образом. Относительно основания 1, конечное звено 2 вращается вокруг вертикальной оси под действием вертикально установленного двигателя вращательного перемещения 3 и перемещается поступательно вдоль этой оси под действием установленного соосно с ним двигателя поступательного перемещения 11. Далее эти движения передаются на карданный вал, то есть на два установленных в горизонтальных плоскостях карданных шарнира 4, 4' через оси 5, 5', 5", 5'" и втулки 6, 6', 6", 6"' входной 7, Т и выходной 8, 8' вращательных кинематических пар указанных карданных шарниров 4, 4'. При этом движение с карданного шарнира 4 на карданный шарнир 4' передается через промежуточное звено 9, установленное с осью, проходящей через точки пересечения осей вращательных пар 7, 8 и 7', 8' карданных шарниров 4, 4', и далее на выходное звено 10, а затем на конечное звено механизма 2. При этом постоянство взаимной ориентации осей 5, 5"' входной вращательной пары 7 первого карданного шарнира 4 и выходной вращательной пары 8' второго карданного шарнира 4 (а следовательно и осей 5', 5" выходной 8 вращательной пары первого карданного шарнира 4 и входной вращательной пары 7' второго карданного шарнира 4) обеспечено тем, что оси 5, 5"' входной вращательной пары первого 7 карданного шарнира 4 и выходной вращательной пары 8' второго карданного шарнира 4 пар 8 связаны посредством дополнительной тяги 14, сопряженной с этими осями посредством установленных на них сферических шарниров 15, 15' и расположенной параллельно оси промежуточного звена 9, а также тем, что втулки 6, 6"' входной вращательной пары 7 первого карданного шарнира 4 и выходной вращательной пары 8' второго карданного шарнира 4' связаны посредством второй дополнительной тяги 16, сопряженной с этими втулками посредством установленного на каждой из них рычага 17, 17' и сферического шарнира 18, 18', и расположенной параллельно оси промежуточного звена 9.
Два других поступательных движения задаются расположенными во второй и третьей кинематических цепях двигателями поступательного перемещения 11', 11", установленными с перпендикулярно расположенными осями. Далее движение передается на промежуточные сферические шарниры 12', 12" второй и третьей кинематических цепей, а затем на конечные карданные шарниры 13', 13" второй и третьей кинематических цепей, а именно на входные 19', 19" и выходные 20', 20" вращательные кинематические пары с пересекающимися под прямым углом осями. Поскольку выходные вращательные пары 20', 20" карданных шарниров 13', 13" второй и третьей кинематических цепей расположены соосно, а оси входной 7, Т и выходной 8, 8' вращательных кинематических пар первой цепи пересекаются под прямым углом, причем оси входной 7 и выходной 8 вращательных пар первого карданного шарнира 4 расположены параллельно соответственно осям выходной 8' и входной 7' кинематических пар второго карданного шарнира 4', то вращение с двигателя 3 на конечное звено 2 передается с передаточным отношением, равным единице. Тем самым осуществлена частичная кинематичесая развязка.
Использование данной полезной модели обеспечивает повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе частичной кинематической развязки.