ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МЕХАНИЗМ
SPACE MECHANISM

Изобретение 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.
Целью изобретения является повышение технической и
эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по шести координатам на базе кинематической развязки 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 (статья Mianovski К. Singularity analysis of parallel manipulator POLMAN 3×2 with six degrees of freedom / 12th IFToMM World Congress, Besancon (France), June 18-21, 2007 (Fig.2, a), 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 отсутствие кинематической развязки при ненулевых углах ориентации выходного звена, то есть постоянство углов ориентации выходного звена при его поступательных перемещениях сохраняется только, если эти углы ориентации равны нулю.
За прототип взято 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.
Задача изобретения - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по шести координатам на базе кинематической развязки поступательных и вращательных движений.
Задача решается тем, что в известном устройстве - пространственном механизме, включающем 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,
новым является то, что каждая соединительная кинематическая цепь снабжена двумя последовательно установленными зубчатыми передачами с передаточным отношением, равным единице, расположенными в плоскостях, перпендикулярных осям соответствующих приводов, начальное колесо первой зубчатой передачи соединено с входным звеном соответствующей цепи, конечное колесо первой зубчатой передачи совмещено с начальным колесом второй зубчатой передачи, конечное колесо второй зубчатой передачи сопряжено с промежуточным звеном, ось которого параллельна осям приводов, причем оси всех шарниров пересекаются в одной точке.
Описание устройства - пространственного механизма представлено на фиг.1.
Устройство - пространственный механизм включает основание 1, выходное звено 2, три соединительные кинематические цепи, каждая из которых содержит установленные с параллельными осями привод вращательного движения 3 и привод поступательного движения 4, входное звено 5, промежуточное звено 6 и два шарнира 7, оси которых расположены с пересечением в одной точке С выходного звена 2, каждая соединительная кинематическая цепь снабжена двумя последовательно установленными зубчатыми передачами 8, 9, состоящими из трех зубчатых колес, расположенными в плоскостях, перпендикулярных осям соответствующих приводов 3 и 4. Начальное колесо 10 первой зубчатой передачи 8 соединено с входным звеном 5 соответствующей цепи, конечное колесо 11 первой зубчатой передачи 8 соединено с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, конечное колесо 12 второй зубчатой передачи 9 соединено с промежуточным звеном 6, ось которого установлена параллельно с осями приводов 3, 4 и с пересечением в одной точке С осей всех шарниров 7.
Возможны два варианта сопряжения зубчатых передач. В первом варианте (фиг.1) конечное колесо 11 первой зубчатой передачи 8 жестко установлено на одном валу с начальным колесом второй зубчатой передачи 9. Во втором варианте (фиг.2) конечное колесо первой зубчатой передачи одновременно является начальным колесом второй зубчатой передачи.
Устройство - пространственный механизм работает следующим образом. Относительно основания 1 выходное звено 2 перемещается по шести координатам посредством трех соединительных кинематических цепей, установленные с параллельными осями привод вращательного движения 3 и привод поступательного движения 4 передают движение на входное звено 5, через которое движение передается начальному колесу 10 первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу 11 этой зубчатой передачи 8, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее движение передается конечному колесу 12 второй зубчатой передачи 9 и через него промежуточному звену 6, затем через шарниры 7 движение передается выходному звену 2.
Кинематическая развязка осуществляется следующим образом. При действии привода вращательного движения 3 вращение передается на входное звено 5, через него вращение передается начальному колесу 10 первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу 11 этой зубчатой передачи, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее вращение передается конечному колесу 12 второй зубчатой передачи 9 и через него промежуточному звену 6, затем через шарниры 7 вращение передается выходному звену 2. Поскольку две последовательно установленные зубчатые передачи 8, 9 с передаточными отношениями, равными единице, расположены в плоскостях, перпендикулярных оси соответствующего привода 3, начальное колесо 10 первой зубчатой передачи 8 соединено с входным звеном 5 соответствующей цепи, конечное колесо 11 первой зубчатой передачи 8 совмещено с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, конечное колесо 12 второй зубчатой передачи сопряжено с промежуточным звеном 6, ось которого установлена параллельно с осями приводов 3, 4, то вращение передается от привода 3 на промежуточное звено 6 с передаточным отношением, равным единице. Поскольку каждое промежуточное звено 6 установлено с пересечением в одной точке С осей всех шарниров 7, то при работе каждого вращательного привода 3 имеют место вращения в шарнирах 7 соответствующей кинематической цепи и осуществляется вращение выходного звена 2 вокруг точки С без изменения ее положения. При действии каждого привода поступательного движения 4 поступательное движение передается на входное звено 5, через него поступательное движение передается начальному колесу 10 первой зубчатой передачи 8, а затем конечному колесу 11 этой зубчатой передачи, совмещенному с начальным колесом второй зубчатой передачи 9, далее поступательное движение передается конечному колесу 12 второй зубчатой передачи и через нее промежуточному звену 6. Затем через шарниры 7, в которых в данном случае вращение отсутствует, поступательное движение передается выходному звену 2. 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 звена 6, колес 11, 12 данной кинематической цепи по направлению, перпендикулярному плоскостям зубчатых передач 8 и 9 данной цепи. В двух других кинематических цепях имеют место поступательные движения звена 6, колес 11, 12 в плоскостях соответствующих зубчатых передач 8 и 9. Это обусловливает поступательное движение выходного звена 2 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 2, достигается тем, что оси приводов поступательного движения 4 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 звена 6, колес 11, 12 в направлении, перпендикулярном плоскостям зубчатых передач 8 и 9 данной кинематической цепи. В двух других кинематических цепях имеют место поступательные движения звена 6, колес 11, 12 в плоскостях соответствующих зубчатых передач 8 и 9. Взаимная ортогональность приводов поступательного движения 4 трех кинематических цепей обусловливает поступательное движение выходного звена 2 только вдоль оси перемещения соответствующего привода поступательного движения 4 с постоянным передаточным отношением, равным единице.