СКЛАДЫВАЮЩИЙСЯ ШАРНИРНЫЙ МАНИПУЛЯТОР
FOLDING JOINT MANIPULATOR

Изобретение относится к машиностроению, в частности к шарнирным механизмам параллельной структуры, и может быть использовано в качестве пространственных манипуляторов с несколькими степенями свободы для согласованного перемещения нескольких рабочих органов в автоматических линиях, обрабатывающих центрах и различном технологическом оборудовании в машиностроении и медицине.
Известен шарнирный манипулятор, содержащий опорное основание, шарнирно соединенное через 12 сферических шарниров и многозвенное шарнирное устройство привода от 6 двигателей подвижной платформы с установленным на ее выходе только одним рабочим органом (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин». - Москва, Высшая школа, 1996 г., с. 28, рис. 1.20 со схемой манипулятора «Платформа Стюарта») - аналог.
Недостатками известного шарнирного манипулятора являются сложность конструкции, большие пространственные габариты и ограниченное малыми углами поворота сферических шарниров рабочее пространство одного рабочего органа.
Наиболее близки к предлагаемому изобретению является шарнирный манипулятор, содержащий опорное основание, кинематически связанное посредством шарнирно-рычажного устройства с выходным звеном для закрепления на нем рабочего органа, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено в виде замкнутой кинематической цепи, содержащей 26 многошарнирных соединительных рычагов, 12 сложных сферических шарниров для привода от 6 двигателей выходного звена с одним рабочим органом (учебное пособие Смелягин А.И. «Структура машин, механизмов и конструкций», - Москва, изд-во ИНФРА-М, 2019, с. 152, схема механизма на рис. 2.74) - прототип.
Недостатками указанного механизма шарнирного манипулятора являются сложность конструкции, большие пространственные габариты, сложная сборка и большая трудоемкость изготовления, а также ограниченное рабочее пространство (из-за ограниченного в пределах шести числа степеней свободы и возможности привода только одного рабочего органа с применением для этого всех шести приводных двигателей).
В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции, достижении компактности манипулятора в нерабочем положении и при его транспортировке, а также расширении его рабочего пространства (за счет увеличения до десяти числа степеней свободы перемещения выходного звена манипулятора в сочетании с увеличением до пяти числа согласованного перемещаемых рабочих органов) и упрощении его сборки на основе структурных модулей.
Получение технического результата достигается за счет того, что установленное в шарнирного манипулятора шарнирно-рычажное приводное устройство выполнено в виде набора шарнирно-сочлененных между собой и расположенных в одной плоскости блочных модулей, составленных из шарнирных четырехзвенников, кинематически связанных между собой через трехшарнирные соединительные рычаги с расположенными на их вершинах цилиндрическими шарнирными с параллельными осями вращения и установленных на приводную поворотную платформу.
Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 и фиг. 8.
1
2
На фиг. 1 изображен общий вид складывающегося шарнирного манипулятора с установленным на опорном основании шарнирно-рычажным приводным устройством, выполненным в виде набора из двух шарнирно-сочлененных между собой и расположенных в одной плоскости блочных модулей OABCD и OABCD, составленных из шарнирных четырехзвенников ABCD, кинематически связанных между собой через трехшарнирные соединительные рычаги 1, 2, 3 и 4, выполненные в форме треугольников с расположенными на их вершинах цилиндрическими шарнирами с параллельными осями вращения. Манипулятор снабжен поворотной платформой 5, соединенной с одним из блочных модулей и выполненной с возможностью полного поворота от вращательного двигателя.
1
2
1
2
Блочные модули манипулятора содержат приводные вращательные кинематические пары (на фиг. 1 обозначены стрелками), обеспечивающие согласованное перемещение трех рабочих органов 6, 7 и 8 в расширенном рабочем пространстве данного шарнирного манипулятора. Представленный на фиг. 1 шарнирный манипулятор имеет W=6 степенной свободы движения рабочих органов (с учетом возможности вращения поворотной платформы 5). Поворот блочных модулей OABCD и OABCD вокруг осей O и O на 180° градусов обеспечивает быстрое компактно складывание и обратное раскладывание манипулятора (без разборки и обратной сборки его кинематической цепи, т.е. его компактность в нерабочем состоянии и при его транспортировке).
1
2
3
1
2
3
На фиг. 2 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено в виде трех блочных модулей OABCD, OABCD и OABCD, кинематически связанных между собой через шарнирный параллелограмм ENMP. Один из упомянутых блочных модулей OABCD сблокирован по вертикали с поворотной платформой 1, а два других блочных модуля OABCD и OABCD расположены по горизонтали симметрично оси вращения платформы 1 для образования шарнирного манипулятора с W=8 числом степеней свободы привода трех рабочими органами 2, 3 и 4.
1
2
3
4
На фиг. 3 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора со взаимно-перпендикулярным расположением четырех блочных модулей OABCD, OABCD, OABCD и OABCD, кинематически связанных между собой через шарнирный четырехзвенник ENMG для образования шарнирного манипулятора с увеличенным до W=10 числом степеней свободы привода трех рабочих органов 1, 2 и 3.
1
2
1
2
1
2
На фиг. 4 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули OABCD и OABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб ONOM и два двойных цилиндрических шарнира О и O для образования шарнирного манипулятора с W=6 числом степеней свободы привода четырех рабочих органов 1, 2, 3 и 4.
1
2
3
1
2
3
1
2
3
На фиг. 5 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули OABCD, OABCD и OABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб OOOE и три двойных цилиндрических шарнира О, O, O, симметрично расположенных в этом ромбе относительно оси вращения поворотной платформы 1 для образования шарнирного манипулятора с W=8 числом степеней свободы привода четырех рабочих органов 2, 3, 4, 5.
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
На фиг. 6 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором блочные модули OABCD, OABCD, OABCD и OABCD кинематически связаны между собой через шарнирный ромб OOOO и четыре двойных цилиндрических шарнира O, O, O и O, установленных на всех вершинах этого ромба для образования шарнирного манипулятора с W=10 числом степеней свободы трех рабочих органом 1, 2 и 3.
1
2
1
2
На фиг. 7 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство составлено из двух блочных модулей OABCD и OABCD с приводными вращательными кинематическими парами A и D. Эти блочные модули установлены на шатунах соответственно NM и MG двухкривошипного пятизвенника ENMGQ с кривошипами EN и QG, который сблокирован с поворотной платформой 1. Блочный модуль OABCD выполнен в виде шарнирного параллелограмма ABCD, а другой блочный модуль OABCD выполнен в виде шарнирного антипараллелограмма ACBD для образования шарнирного манипулятора с W=7 числом степеней свободы привода трех рабочих органом 2, 3 и 4.
1
2
На фиг. 8 представлен вариант выполнения шарнирного манипулятора, в котором шарнирно-рычажное устройство выполнено с тремя приводными подвижными пневноцилиндрами или гидроцилиндрами 1, 2 и 3, два из которых 1 и 2 установлены внутри блочных модулей OABCD и OABCD, выполненных в виде шарнирных параллелограммов ABCD и расположены на их диагоналях, а третий пневмоцилиндр или гидроцилиндр 3 расположен между противоположными сторонами ЕМ и NG антипараллелограмма NMEG, установленного между упомянутыми блочными модулями для образования шарнирного манипулятора с W=6 числом степеней свободы привода двух разных рабочих органом 4 и 5, закрепленных на выходном звене ВС манипулятора.
Работа представленного складывающегося шарнирного манипулятора заключается в следующем.
1
2
3
4
Задаваемое в манипуляторе движение приводных вращательных и поступательных кинематических пар (показанное стрелками на фиг. 1 - фиг. 8) совместно с угловым вращением поворотной платформы с установленными на ней блочными модулями приводит к согласованному перемещению нескольких рабочих органов в пространстве координат «х - у - z», что увеличивает общее рабочее пространство шарнирного манипулятора как за счет увеличения до W - 10 числа управляемых степеней его свободы, так и за счет увеличения количества приводимых различных рабочих органов. Возможность простого относительного углового разворота смежных блочных модулей между собой на 180° градусов вокруг соединяющих их цилиндрических гарниров О, O, O и O обеспечивает быстрое складывание/раскладывание конструкции в одной плоскости и компактность манипулятора без разборки его замкнутой кинематической цепи.
Достигаемый в предлагаемом складывающемся шарнирном манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции, увеличении до десяти числа управляемых степеней свободы движения нескольких рабочих органов в расширенном рабочем пространстве, снижении трудоемкости изготовления и сборки замкнутой кинематической цепи манипулятора за счет его составления из унифицированных блочных модулей, а также компактности в нерабочем положении (достигаемой за счет простого углового разворота смежных блочных модулей между собой в одной плоскости без разборки и сборки узлов всего манипулятора).