[1]Изобретение относится к пространственным манипуляторам с несколькими степенями свободы и может быть использовано в автоматических линиях, обрабатывающих центрах и различном технологическом оборудовании, и транспортирующих системах в машиностроении и медицине.
[2]Известен пространственный манипулятор, содержащий основание и подвижную платформу, подвижно соединенные между собой посредством трех расположенных по окружности шарнирных 4-звенных параллелограмных механизмов, звенья которых образуют замкнутые кинематические цепи с податливыми четырехсторонними замкнутыми контурами (Clavel R. Device for the movement and positioning of an element in space/Устройство для движения и позиционирования зажатого элемента в пространстве. United States Patent No.4.975.582 от 1990 г.) - аналог.
[3]Недостатками известного пространственного манипулятора являются:
[4]1. Ограниченная зона рабочего пространства манипулятора из-за возможности перемещения подвижной платформы с рабочим органом или деталью только в трех направлениях (из шести возможных в пространстве) из-за малого числа степеней его свободы W, равного только трем (W=3).
[5]2. Низкая жесткость и точность позиционирования, а также низкая нагрузочная способность из-за наличия выполнения замкнутой цепи манипулятора с податливыми под рабочей нагрузкой четырехсторонними замкнутыми контурами.
[6]Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению, является пространственный платформенный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижную платформу, шарнирно соединенные между собой посредством трех установленных двухзвенных стержневых поворотных опор, образующих с опорным основанием и подвижной платформой замкнутую кинематическую цепь, в которой опорное основание и подвижная платформа выполнены в виде симметрично установленных между собой равносторонних треугольников, где каждая из вершин подвижной платформы шарнирно соединена с одной вершин опорной платформы посредством множества вращательных кинематических пар, образующих замкнутые кинематические цепи с податливыми шестисторонними замкнутыми контурами пространственного механизма (схема пространственного платформенного манипулятора в статье Мирзаев Р.А., Смирнов Н.А. «Исследование кинематики манипулятора параллельной структуры (дельта-механизма)»/Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета, 2012. Вып. О.С. 46-50, рис. 1) - прототип.
[7]Недостатками указанного пространственного платформенного манипулятора являются:
[8]1. Сложность системы управления и большие габариты манипулятора из-за необходимости применения электромеханических приводов формирования положения каждой поворотных опор.
[9]2. Ограниченная зона рабочего пространства манипулятора из-за возможности перемещения подвижной платформы с рабочим органом или деталью только в трех направлениях (из шести возможных в пространстве) из-за малого числа степеней его свободы W, равного только трем (согласно представленного в этой статье расчета W по известной в ТММ формуле Чебышева-Малышева получено значение W=3).
[10]3. Низкая жесткость и точность позиционирования, а также нагрузочная способность из-за выполнения замкнутой цепи манипулятора с податливыми под рабочей нагрузкой шестисторонними шарнирными замкнутыми контурами.
[11]В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в увеличение рабочего пространства манипулятора за счет увеличения числа степеней свободы для перемещения в окружающем пространстве подвижной платформы с установленным на ней рабочим органом или деталью, а также повышение жесткости и точности позиционирования манипулятора в сочетании с увеличением его нагрузочной способности.
[12]Получение технического результата достигается за счет того, что пространственный платформенный VIP-манипулятор содержит опорное основание и подвижную платформу, шарнирного соединенные между собой посредством установленных между ними стержневых подвижных опор и выполненных в виде развернутых друг относительно друга на угол β=60° равносторонних треугольников, каждая из вершин подвижной платформы шарнирно соединена с двумя соседними вершинами опорной платформы через соединение каждой пары из шести стержневых подвижных опор посредством двойных сферических шарниров с общей осью их вращения, образующих трехсторонние замкнутые контуры пространственного механизма. Стержневые подвижные опоры снабжены устройством изменения их длины в виде самотормозящейся винтовой пары и/или подвижного гидроцилиндра. Замкнутая кинематическая цепь манипулятора выполнена в виде многорядного, например, двухрядного устройства, образованного путем последовательного соединения между собой отдельных платформенных пространственных механизмов посредством симметричного закрепления опорного основания одного из пространственных механизмов на подвижной платформе другого пространственного механизма.
[13]Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4.
[14]На фиг. 1 изображен общий вид пространственного платформенного VIP-манипулятора, содержащего опорное основание 1 с вершинами А, В, С и подвижную платформу 2 с вершинами D, Е, N, шарнирно соединенных между собой посредством установленных между ними шести стержневых подвижных опор 3, 4, 5, 6, 7 и 8. Опорное основание 1 и подвижная платформа 2 выполнены в виде развернутых друг относительно друга на угол β=60° равносторонних треугольников ABC и DEN, каждая из вершин D, Е и N подвижной платформы 2 шарнирно соединена с двумя соседними вершинами А, В и С опорной платформы 1 через соединение каждой пары из шести стержневых подвижных опор 3, 4, 5, 6, 7 и 8 посредством шести двойных сферических шарниров 9, 10, 11, 12, 13 и 14 с общей осью их вращения, образующих трехсторонние замкнутые контуры пространственного механизма в виде ANC, CNE, СЕВ, EBD, DBA и DAN. Каждый из трех указанных двойных сферических шарниров 12, 13 и 14 на вершинах D, Е и N подвижной платформы 2 выполнен в виде шестиподвижного сферического соединительного устройства, а каждый из трех других сферических шарниров 9, 10 и 11 на вершинах А, В и С опорного основания 1 выполнен в виде четырехподвижного соединительного устройства, образованного соединением двух стержневых подвижных опор с опорным основанием 1 через крестовину с четырьмя вращательными кинематическими парами. Стержневые подвижные опоры 3, 4, 5, 6, 7 и 8 снабжены устройством изменения их длины 15, которое может быть выполнено в виде винтовой самотормозящейся кинематической пары 16 или/и подвижного гидроцилиндра 17.
[15]Замкнутая кинематическая цепь VIP-манипулятора может быть выполнена в виде многорядного, например, двухрядного устройства (фиг. 1), образованного последовательным соединением между собой отдельных платформенных пространственных механизмов путем симметричного закрепления опорного основания одного из пространственных механизмов (например, с устройством 18 изменения длины его опор) на подвижной платформе другого пространственного механизма (например, с устройством 15 изменения длины его опор).
[16]Для каждого из указанных на фиг. 1 пространственных платформенных механизмов, содержащих по 8 звеньев (6 подвижных опор и 2 треугольных платформы) и по 6 двойных сферических шарниров, согласно известной в ТММ формуле Чебышева-Малышева число степеней каждого из этих механизмов W1=6, W2=6, а общее число степеней свободы всего двухрядного устройства манипулятора будет равно их сумме, т.е. W∑=W1+W2=6+6=12.
[17]На фиг. 2 представлен вариант выполнения устройства изменения длины стержневых подвижных опор в виде винтовых самотормозящих кинематических пар 16.
[18]На фиг. 3 представлен вариант выполнения устройства изменения длины стержневых подвижных опор в виде подвижных гидроцилиндров 17.
[19]На фиг. 4 представлен вариант выполнения устройства изменения длины стержневых подвижных опор в виде установленных в каждом из трехсторонних замкнутых контуров манипулятора и смонтированных на смежных стержневых подвижных опорах посредством чередования между собой винтовой самотормозящейся кинематической пары 16 на одной стержневой подвижной опоре и подвижного гидроцилиндра 17 на другой соседней стержневой подвижной опоре.
[20]Работа представленного пространственного платформенного VIP-манипулятора заключается в следующем.
[21]При изменении длины каждой из шести стержневых подвижных опор посредством винтовых самотормозящихся кинематических пар 16 и подвижных гидроцилиндров 17 в каждом из соединяемых пространственных механизмов (рис. 1) реализуются все 6 возможных в системе координат «x-y-z» движений подвижной платформы (т.е. три вращательных вокруг осей x, у, z и три поступательных относительно вдоль осей x, у, z). В результате сложения всех этих движений подвижная платформа на выходе двурядного манипулятора будет иметь 12 степеней свободы.
[22]Достигаемый в предлагаемом пространственном платформенной VIP-манипуляторе положительный эффект заключается в следующем:
[23]1. Обеспечивается увеличение рабочей зоны обслуживания манипулятора за счет увеличения до W∑=12 числа реализуемых степеней свободы при перемещении выходной подвижной платформы с рабочим органом.
[24]2. Повышается жесткость, точность позиционирования и нагрузочная способность манипулятора за счет замыкания всех его звеньев в трехсторонние жесткие замкнутые контуры во всей его цепи (ANC, CNE, СЕВ, EBD, DBA, DAN).
