ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МАНИПУЛЯТОР
SPATIAL MANIPULATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с пространственным движением рабочих органов и может найти применение в многопозиционных обрабатывающих центрах, сборочных конвейерах для одновременной сборки нескольких узлов, многофункциональных технологических установках и хирургической медицине.
Известен пространственный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижное исполнительное устройство с приводом, выполненное в виде выходного звена с одним рабочим органом, установленным на подвижной платформе и соединенным с опорным основанием через 12 сложных сферических шарниров, 6 подвижных стержневых опор, управляемых системой из 6 приводных двигателей (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин», Москва: Высшая школа, 1996, схема манипулятора на рис. 1.20, с. 28) - аналог.
Недостатками известного пространственного манипулятора являются сложность конструкции, большие пространственные габариты, возможность привода только одного рабочего органа и сложная система управления одновременно всеми шестью приводными двигателями.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является пространственный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижное исполнительное устройство с вращательным приводом выполненное в виде подвижной платформы с одним рабочим органом, кинематически связанной с опорным основанием через 25 многошарнирных звеньев, 12 сложных сферических шарниров, 24 цилиндрических шарнира, требующих для управления только одним рабочим органом в пределах его ограниченного рабочего пространства вращения сразу 6 приводных двигателей (книга Смелягин А.И. «Структура машин, механизмов и конструкций» / Учебное пособие. - Москва, ИНФА-М, 2019, с. 154, рис. 2.74 со схемой манипулятора) - прототип.
Недостатками указанного пространственного манипулятора являются сложность конструкции и ее пространственной сборки (из 25 многошарнирных рычагов и 6 приводных двигателей), большие пространственные габариты, вес и трудоемкость изготовления; ограниченное рабочее пространство из-за установки только одного рабочего органа и сложная система управления только одного рабочего органа и сложная система управления сразу шестью приводными двигателями для перемещения только одного рабочего органа приводит к низкой функциональности и ограничивает его применение в разных областях техники.
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции пространственного манипулятора; упрощении его сборки за счет ее выполнения только в одной плоскости и снижении его пространственных габаритов; упрощении системы управления манипулятором и расширении его рабочей зоны и функциональности за счет применения только одного приводного двигателя для пространственного перемещения одновременно нескольких рабочих органов.
Получение технического результата достигается за счет того, что предлагаемый пространственный W-манипулятор содержит опорное основание и подвижное исполнительное устройство с вращательным приводом, выполненное в виде набора кинематически связанных между собой структурных модулей, образованных из шести одинаковых шарнирных соединительных рычагов, собираемых в одной плоскости в замкнутую кинематическую цепь, состоящую из замкнутых контуров треугольной формы, каждая из сторон которых состоит из двух одинаковых двухшарнирных звеньев с расположенными на их концах цилиндрическими шарнирами с попарно перпендикулярными осями вращения соединяемых звеньев, сблокированными с рабочими органами, а вершины смежных структурных модулей соединены между собой посредством цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9.
1
2
3
2
3
4
1
3
1
2
2
3
1
2
3
3
2
1
На фиг. 1 изображен общий вид пространственного W-манипулятора, содержащего опорное основание 1 и подвижное исполнительное устройство, выполненное в виде набора, например, из двух структурных модулей, образованных из шести одинаковых шарнирных соединительных рычагов 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 3, 4, 7, 8, 9, 10; собираемых в одной плоскости «zOx» в замкнутую кинематическую цепь, состоящую из замкнутых контуров треугольной формы ЕЕЕ и ЕЕЕ, каждая из сторон которых (например, сторона ЕЕ) состоит из двух одинаковых двухшарнирных звеньев (например, 5 и 6) с расположенными на их концах цилиндрическими шарнирами Е, O и O, Е с попарно перпендикулярными осями вращения соединяемых звеньев (например, ось Е перпендикулярна оси O, ось Е перпендикулярна оси O, а ось Е перпендикулярна оси О).
1
2
3
3
4
5
2
4
5
1
Оси цилиндрических шарниров О, O и O пересекаются между собой в точке А внутри одного структурного модуля, а оси цилиндрических шарниров O, O и O пересекаются между собой в точке В внутри другого смежного структурного модуля; при этом обе точки пересечения А и В расположены в общей плоскости сборки «xOz». Вершины собираемых смежных структурных модулей связаны между собой посредством цилиндрических шарниров O, O и O сблокированы с разными рабочими органами 11, 12 и 13. Один из структурных модулей снабжены приводной вращательной кинематической парой О для образования пространственного манипулятора с тремя рабочими органами с приводом от одного ведущего звена 2.
1
2
3
1
2
3
Положение сборки звеньев структурных модулей в одной плоскости «xOz» представлено на фиг. 1, а). Рабочее положение звеньев структурных модулей в пространстве «х - у - z» с пересечением осей цилиндрических шарниров О, O и O (в пространственной точке С) и осей цилиндрических шарниров Е, Е и Е (в пространственной точке D) представлено на фиг. 1, б).
6
На фиг. 2 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором смежные между собой структурные модули установлены с возможностью относительного углового разворота на оси соединяющего их цилиндрического шарнира О и их последующей фиксации между собой посредством фиксаторов 14.
2
4
5
1,
2
3
3
6
7
1
На фиг. 3 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде параллельной сборки между собой в одной плоскости «xOz» трех смежных одинаковых структурных модулей, выполненных с расположенными посередине их сторон и пересекающимися между собой осями цилиндрических шарниров O, O, O и О O, O, а также O, О, O для образования пространственного манипулятора с приводной вращательной кинематической парой О и четырьмя рабочими органами 15, 16, 17 и 18.
1
2
3
2
3
4
3
4
5
3
5
6
На фиг. 4 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде последовательной сборки между собой в одной плоскости «xOz» четырех структурных модулей, выполненных в виде одинаковых равносторонних треугольников ЕЕЕ, ЕЕЕ, ЕЕЕ и EEE, оси цилиндрических шарниров которых сблокированы с пятью рабочими органами 19, 20, 21, 22 и 23.
1
2
3
4
5
6
На фиг. 5 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором структурные модули ЕЕЕ и ЕЕЕ сблокированы со сторонами шарнирного пятизвенника 24, установленного на поворотную платформу 25, ось вращения которой расположена в плоскости сборки «xOz» упомянутых структурных модулей для образования пространственного манипулятора с четырьмя рабочими органами 26, 27, 28 и 29.
1
2
3
2
3
4
1
2
3
5
6
7
8
На фиг. 6 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде сборки в одной плоскости «xOz» двух смежных структурных модулей ЕЕЕ и ЕЕЕ, один из которых ЕЕЕ сблокирован с шарнирным четырехзвенником 30, в котором оси всех четырех цилиндрических шарниров E, Е, Е и Е пересекаются между собой в плоскости сборки «xOz» в одной точке М, совпадающей с центром четырехзвенника 30 для образования пространственного манипулятора с тремя рабочими органами 31, 32, 33.
1
2
3
4
5
6
На фиг. 7 представлен вариант выполнения W-манипулятора, в котором структурные модули выполнены в виде равносторонних треугольников разного размера ЕЕЕ и ЕЕЕ и установлены по окружности поворотной платформы 34, ось вращения которой и оси симметрии всех структурных модулей расположены в одной плоскости из сборки «xOz» для образования пространственного манипулятора с четырьмя рабочими органами 35, 36, 37,38.
1
2
3
2
3
4
На фиг. 8 представлен вариант выполнения пространственного W-манипулятора, в котором структурные модули ЕЕЕ и ЕЕЕ кинематически связаны с опорным основанием 39 через шарнирно-скрещивающиеся попарно между собой одинаковые соединительные двухплечие рычаги 40, 41 и через шарнирный параллелограмм 42 для образования прямолинейно-направляющего пространственного манипулятора с тремя рабочими органами 43, 44 и 45, в котором двухплечие рычаги 40 и 41 выполнены симметричными с одинаковой длиной плеч NM=MF относительно соединяющего их центрального шарнира М.
1
2
3
2
3
4
На фиг. 9 представлен вариант выполнения W-манипулятора, с кинематической связью структурных модулей ЕЕЕ и ЕЕЕ с опорным основанием 46 через шарнирный параллелограмм 47 и одинаковые шарнирно-скрещивающиеся попарно между собой несимметричные двухплечие рычаги 48 и 49 с неодинаковой длиной плеч согласно их неравенства NM>MF для образования окружности-направляющего пространственного манипулятора с тремя рабочими органами 50, 51 и 52.
Работа представленного W-манипулятора заключается в следующем:
1
Вращение ведущего вала в W-манипуляторе преобразуется в пространственное движение в координатах «х - у - z» одновременно нескольких рабочих органов, что расширяет рабочее пространство манипулятора, повышает его производительность и упрощает систему управления. Особенностью W-манипулятора является его сборка из плоских структурных модулей, состоящий из набора одинаковых двухшарнирных звеньев и работа в пространстве. Указанный внутри цикловой переход от плоской конструкции структурных модулей (фиг. 1, а)) в пространственной конструкции расположения звеньев пространственных модулей и связанных с ними рабочих органов (фиг. 1, б)) производится без разборки узлов W-манипулятора путем простого поворота ведущего звена 2 вокруг оси O.
При вращении ведущего звена каждой из установленных в структурных модулях W-манипулятора рабочих органов совершает различное сложное вращательное движение вокруг нескольких осей в рабочем пространстве в координатах «х - у - z». Например, применительно к пространственному W-манипулятора на фиг. 1:
1
2
1) Рабочий орган 11 совершает сложное движение, состоящее из вращения вокруг двух осей (вокруг параллельной оси Е и вокруг пересекающейся оси O).
1
4
2
2) Рабочий орган 12 совершает сложное движение, состоящее из вращения вокруг трех осей (вокруг двух пересекающихся осей O; O и параллельной оси Е).
1
4
5
2
4
3) Рабочий орган 13 совершает сложное движение, состоящее из вращения вокруг пяти осей (вокруг трех пересекающихся осей O, O, O и двух параллельных осей Е, E).
Подвижность F механизма W-манипулятора, составленного из смежных структурных модулей количеством K (например, K=2 в схемах на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9 или K=3 в схеме на фиг. 3; или K=4 в схеме на фиг. 4), можно рассчитать по предлагаемой автором простой формуле:
где  - общее число звеньев замкнутой кинематической цепи (в виде двухшарнирных соединительных рычагов), применяемых для сборки структурных модулей;
K - число образующихся в кинематической цепи замкнутых контуров (равное количеству установленных в W-манипуляторе смежных структурных модулей).
1
2
3
2
3
4
Например, для представленного на фиг. 1 варианта пространственного W-манипулятора (содержащего =10 общее число звеньев для сборки K=2 смежных структурных модулей ЕЕЕ и ЕЕЕ) по формуле (1) получаем:
F=-4K-1=10-4*2-1=1,
что подтверждает работоспособность предлагаемого W-манипулятора.
Достигаемый в предлагаемом пространственном W-манипулятора положительный эффект заключается в следующем:
1. Упрощение конструкции, простая сборка в плоскости и работа в пространстве.
2. Снижение веса, пространственных габаритов и компактность в нерабочем состоянии.
3. Расширение рабочего пространства и упрощение системы управления за счет одновременного привода нескольких разных рабочих органов для их движения в пространстве с применением одного двигателя.
4. Расширение функциональности за счет сочетания работы в полном пространстве с возможностью компактного складывания только в одной плоскости, что расширяет области применения манипулятора в разных областях техники.
5. Автоматический внутри цикловой переход (простым поворотом ведущего звена) от плоской компактной конструкции W-манипулятора (фиг. 1, а) - требуемой при сборке, транспортировке и хранении) к пространственной конструкции (фиг. 1, б) - для работы во всем пространстве «х - у - z»), который производится без разборки и обратной сборки всего манипулятора.