СФЕРИЧЕСКИЙ ПЛАТФОРМЕННЫЙ СКЛАДЫВАЮЩИЙСЯ МАНИПУЛЯТОР
SPHERICAL PLATFORM FOLDING ARM

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к пространственным платформенным манипуляторам и может быть использовано в робототехнике, обрабатывающих центрах, автоматических линиях, а также в хирургической медицине и реабилитационных стендах для восстановления движений в суставах человека.
Известно устройство пространственного сферического манипулятора, содержащее опорное основание и выходную подвижную платформу, соединенные подвижно между собой тремя кинематическими цепями с приводными вращательными кинематическими нарами, расположенными перпендикулярно осям приводных двигателей (книга С. Кун, К. Госселин «Структурный синтез параллельных механизмов» - М.: Физматлит. 2021 (пер. с англ.), схема на вкладке стр. 80, рис. 1(e)) - аналог.
Недостатками известного устройства являются сложность и большие габариты конструкции, а также ограниченное рабочее пространство и сложная система управления всеми двигателями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемом изобретению является сферический платформенный складывающийся манипулятор, содержащий подвижное замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, выполненное в виде пространственного рычажного механизма с тремя управляемыми степенями свободы, в котором рабочий орган установлен на подвижной платформе, кинематически связанной с опорным основанием через три параллельные кинематические цепи без образования в этих целях замкнутых копиров (патент RU 2465124 C1, B25J 1/00. 2012) - прототип.
Недостатками указанного сферического платформенного манипулятора являются ограниченное рабочее пространство (из-за малого в пределах всего трех управляемых степеней свободы ориентирующего движения рабочего органа), узкая область ею применения из-за углового перекоса выходной платформы с рабочим органом, сложность конструкции и большие габариты пространственной конструкции и большие габариты пространственной конструкции в нерабочем положении при ее складировании и транспортировке, а также сложная система управления всеми приводными двигателями.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в увеличении рабочей области сферического платформенного при сохранении заданного углового положения выходного звена с рабочим органом, а также упрощении конструкции, сборки и управления пространственными манипулятором в сочетании с его малыми габаритами в нерабочем положении.
Получение технического результата достигается за счет того, что подвижное замкнутое кинематическое соединение опорного основания, подвижной платформы и приводных одноподвижных кинематических пар, выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов, образующих три подвижных стержневых опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов с пересекающимися в одной точке осями цилиндрических шарниров, а каждый из этих шарнирных ромбов соединен с опорным основанием и подвижной платформой через два двойных цилиндрических шарнира.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
На фиг. 1 и фиг. 2 изображен общий вид сферического платформенного манипулятора в пространственном рабочем положении (фиг. 1) и в компактном сложенном по высоте нерабочем положении (фиг. 2).
Манипулятор содержит опорное основание 1, подвижную платформу 2, замкнутое кинематическое соединение которых выполнено в виде трех пространственных четырехзвенных шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ, равномерно расположенных через угол 120 градусов по периметру подвижной платформы 2 и образующих три подвижные стержневые опоры манипулятора, звенья которых выполнены в виде радиально-изогнутых двухшарнирных соединительных рычагов 3, 4, 5 и 6, соединенных между собой через цилиндрических шарниры А, В, С, D; Е, F, L, G и K, Т, М, Q, оси которых при сборке замкнутой кинематической цепи манипулятора выполнены пересекающимися в одной точке М, расположенной между упомянутыми тремя подвижными стержневыми опорами внутри платформенного манипулятора.
Противоположно расположенные вершины A и С, E и L, K и N соответственно шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ соединены с опорным основанием (через шарниры А, Е, K) и с подвижной платформой 2 (через шарниры С, L, N) через два двойных цилиндрических шарнира в каждом из упомянутых шарнирных ромбов. Например, в шарнирном ромбе ABCD двойной цилиндрический шарнир А образован двумя смежными двухшарнирными звеньями 3 и 4 с опорным основанием 1, а другой двойной цилиндрический шарнир С образован двумя смежными двухшарнирными звеньями 5 и 6 с подвижной платформой 2.
1
2
3
4
5
6
1
2
3
4
5
6
1
Представленный на фиг. 1 и фиг. 2 сферический манипулятор снабжен поступательной платформой 7. Кинематически связанной с подвижной платформой 2 посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов 8, 9 и 10, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины OO=OO=OO, а также цилиндрических шарниров O,O,O,O,O,O, оси которых расположены параллельно плоскости поступательной платформы 7, а один из трех кривошипов 8, 9 и 10, например, кривошип 8, снабжен приводной вращательной кинематической парой О, расположенной на подвижной платформе 2. Поступательная платформа 7 выполнена с возможностью закрепления на ней рабочего органа 11.
Замкнутая кинематическая цепь манипулятора выполнена с возможностью осуществления складывания по высоте манипулятора путем углового поворота всех рычажных звеньев, расположенных между опорным основанием 1, подвижной платформой 2 и поступательной платформой 7, для возможности образования в нерабочем положении компактного по высоте пространственного манипулятора.
1
Предлагаемый на фиг. 1 и фиг. 2 вариант выполнения сферического платформенного манипулятора имеет W=4 число управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом четырех приводных (от отдельных вращательных двигателей) вращательных кинематических пар, три их которых совмещены с двойными шарнирами А, Е, K и расположены на опорном основании 1, а четвертая пара Oрасположена на подвижной платформе 2.
В варианте манипулятора на фиг. 1 звенья 3, 4, 5 и 6 каждого у трех шарнирных ромбов выполнены в виде стержней, например, круглого сечения.
7
8
9
10
11
12
7
8
9
10
11
12
7
На фиг. 3 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, который снабжен вращательной платформой 12, кинематически связанной с подвижной платформой 2 посредством трех параллельно расположенных между собой кривошипов 13, 14 и 15, выполненных в виде двухшарнирных соединительных рычагов одинаковой длины OO=OO=OO, а также цилиндрических шарниров O, O, О, О, O, O, расположенных перпендикулярно плоскости вращательной платформы 12. а один из трех кривошипов 13, 14 и 15, например, кривошип 13 снабжен приводной вращательной кинематической парой O, расположенной на подвижной платформе 2. Вращательная платформа 12 выполнена с возможностью закрепления на ней рабочего органа 16.
7
Предлагаемый на фиг. 3 вариант выполнения сферического платформенного манипулятора имеет W=4 число управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом четырех приводных вращательных кинематических нар, три их которых совмещены с двойными шарнирами А, Е, K и расположены на опорном основании 1, а четвертая приводная кинематическая пара O расположена на подвижной платформе 2.
На фиг. 4 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором каждая из подвижных стержневых опор в виде шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1) снабжена приводной вращательной кинематической парой, образованной поворотным гидроцилиндром или пневмоцилиндром, выполненным в виде круговой направляющей 17 с установленным внутри нее поршнем 18, которые выполнены в виде рычажных звеньев, радиально-изогнутых вокруг точки М пересечения осей цилиндрических шарниров всех шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1), упомянутая приводная вращательная кинематическая пара установлена внутри каждого из трех шарнирных ромбов между противоположными вершинами (например, это В и D для шарнирного ромба ABCD).
В варианте манипулятора на фиг. 4 звенья 3, 4, 5 и 6 шарнирного ромба ABCD выполнены в виде пластин, например, прямоугольного сечения.
3
4
На фиг. 5 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором каждая из подвижных стержневых опор, установленная между опорным основанием 1 и подвижной платформой 2. снабжен двумя приводными вращательными кинематическими парами, установленными соосно между собой на опорном основании 1 и совмещенными с двойным шарнирном, например, шарниром А, соединяющим смежные звенья 3 и 4 четырехзвенного шарнирного ромба ABCD с опорным основанием 1. В каждом из шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ (фиг. 1) обе упомянутые приводные вращательные кинематические пары выполнены с возможностью осуществления поочередного вращения смежных звеньев 3 и 4 (в ромбах ABCD, EFLG и KTNQ), выполняемого от разных вращательных двигателей 19 и 20 путем из поочередного включения для расширения рабочего пространства и в случае аварийного выхода из строя одного из них, а манипулятор выполнен с отдельным для каждого из трех установленных шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ вращательным приводом. На фиг. 5 обозначено: ω - угловая скорость вращения звена 3 от двигателя 19, ω - угловая скорость вращения звена 4 от двигателя 20.
7
На фиг. 6 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, который снабжен поворотной платформой 21, выполненной с возможностью осуществления полного поворота от реверсивного вращательного двигателя, а опорного основание 1 сблокировано с поворотной платформой 21. Предлагаемый на фиг. 6 вариант сферического манипулятора имеет пять управляемых степеней свободы, задаваемых раздельным между собой угловым поворотом трех приводных вращательных кинематических пар А, Е, K в каждом из шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ, а также поворотом приводной вращательной кинематической пары O (задающей круговое движение вращательной платформы 12 относительно подвижной платформы 2) и вращением поворотной платформы 21 от отдельных вращательных двигателей.
7
8
9
10
11
12
В варианте манипулятора на фиг. 6 кривошипы OO,OO и OO выполнены с параллельно отогнутыми в противоположные стороны между собой концами, предназначенными для шарнирного соединения соответственного одного из этих концов с платформой 2, а другого из этих концов - с платформой 12.
13
15
l8
13
14
15
16
17
18
13
14
15
16
17
18
15
15
16
14
16
16
17
16
Представленный на фиг. 6 манипулятор снабжен установленным на вращательную платформу 12 рабочим органом, который выполнен в виде 6-звенного двойного шарнирного параллелограмма, состоящего из трехшарнирной стойки OOO и пяти двухшарнирных звеньев, включающих три параллельно расположенных кривошипа OO, O,O и OO одинаковой длины, равной OO=OO=OO с приводной вращательной кинематической парой O, один из которых - кривошип OO соединен с двумя выходными шатунами OO и OO через двойной цилиндрический шарнир Oдля образования пространственного манипулятора с шестью управляемыми степенями свободы.
7
15
Манипулятор на фиг. 6 имеет 6 приводных вращательных кинематических пар в виде цилиндрических шарниров А, Е, K (привод сферического пространственного механизма, шарнира O (привода вращательной платформы 12), шарнира O (привода параллелограммного рабочего органа) и вращательный привод поворотной платформы 21.
1
На фиг. 7 представлен вариант выполнения сферического платформенного манипулятора, в котором кривошип 8, расположенный между поступательной платформой 7 и подвижной платформой 2, снабжен приводной самотормозящейся винтовой кинематической парой 22 для регулирования угла наклона поступательной платформы 7 относительно подвижной платформы 2. Манипулятор на фиг. 7 имеет шесть управляемых степеней свободы, задаваемый раздельным между собой угловой поворотной трех приводных вращательных кинематических пар А, Е и K (привода грех стержневых опор в виде шарнирных ромбов ABCD, EFLG и KTNQ), приводной вращательной пары О(привода поступательного криволинейного движения платформы 7 с рабочими органами 11, 23 и 24), приводной винтовой кинематической пары 22 (задающей наклон платформы 7 относительно платформы 2) и угловым поворотом платформы 21 от отдельного вращательного двигателя.
Работа предлагаемого сферического платформенного манипулятора заключается в следующем.
Представленный на фиг. 1-7 сферический манипулятор обеспечивает следующую раздельную кинематику задаваемых движений приводных пар:
1
1) Поворот в одном из шарнирных ромбов приводной вращательной кинематической пары А, Е или K обеспечивает движение рабочего органа по сферической поверхности вокруг точки М (пересечения осей шарниров), а поворот приводной пары O и поступательной платформы 7 обеспечивает регулирование радиуса этой сферы.
2) Одновременный поворот приводных вращательных пар в двух соседних шарнирных ромбах обеспечивает раздельный угловой поворот подвижной платформы 2 вокруг каждой из осей прямоугольных координат X, Y, Z.
3) Одновременный поворот приводных вращательных пар во всех трех шарнирных ромбах А, Е и K обеспечивает поступательное перемещение платформ 7 и 12 с установленным на них рабочим органом точно по вертикали.
1
4) Поворот приводной вращательной пары O поступательной платформы 7 обеспечивает криволинейное поступательное движение рабочего органа при сохранении его заданной относительно платформы 7 угловой вертикальной или горизонтальной ориентации.
7
5) Поворот приводной вращательной пары O вращательной платформы 12 обеспечивает угловой поворот рабочего органа вокруг параллельных осей.
6) Установка на выходе манипулятора на круглые платформы 7 или 12 нескольких рабочих органов позволяет закрепить по их окружности и в их центре разные рабочие органы и одновременно выполнять несколько технологических операций.
7) Полная указанная выше работоспособность и простота управления раздельной кинематикой при реализации всех указанных движений рабочего органа, а также компактность подтверждены на разработанном автором действующем макете (фиг. 1-7) манипулятора с тремя шарнирными ромбами (по пп. 1-10 формулы).
Достигаемый в предлагаемом сферическом платформенном манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции, расширении рабочего пространства за счет увеличения до шести числа управляемых степеней свободы с их раздельной кинематической, а также компактность в нерабочем положении.