Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с четырьмя степенями свободы с кинематической развязкой. Робот совершает три поступательных движения и вращения вокруг произвольной вертикальной оси.The invention relates to mechanical engineering, in particular to robotics, and in particular to spatial manipulation mechanisms of robots with four degrees of freedom with kinematic isolation. The robot makes three translational movements and rotations around an arbitrary vertical axis.
Целью изобретения является повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки. При этом приводы поступательного перемещения должны обеспечивать соответствующие поступательные перемещения конечного звена, а привод вращательного движения должен обеспечивать вращение конечного звена вокруг вертикальной оси.The aim of the invention is to increase the technical and operational efficiency of manipulation devices in space in four coordinates based on kinematic decoupling. In this case, the translational displacement drives must provide the corresponding translational displacements of the final link, and the rotational motion drive must ensure the rotation of the final link around the vertical axis.
Известно устройство - пространственный механизм (R.Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space", US Patent No.4,976,582, December II), включающий основание, конечное звено, связанное с установленными на основании двигателями вращательного перемещения посредством вращательных кинематических пар и промежуточных звеньев.A device is known - a spatial mechanism (R. Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space", US Patent No.4,976,582, December II), including a base, an end link associated with rotational displacement motors installed on the base by rotational kinematic pairs and intermediate links.
Недостатком данного устройства является отсутствие кинематической развязки между вертикальным перемещением и перемещениями в плоскости.The disadvantage of this device is the lack of kinematic isolation between vertical movement and movement in the plane.
За прототип взято устройство - пространственный механизм (Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot comprising means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies," Patent No. WO 2006/021629 A1, 02.03.2006), включающий основание, конечное звено, связанное посредством трех идентичных кинематических цепей, выполненных в виде пантографного механизма и цилиндрической передачи с тремя вертикально установленными на основании двигателями вращательного движения, осуществляющими движение конечного звена в плоскости, параллельной основанию, и его поворот вокруг вертикальной оси. Вертикальное перемещение конечного звена осуществляется вертикально установленным на основании двигателем поступательного движения, сопряженным с звеньями шарнирных параллелограммов пантографных механизмов через горизонтально расположенные штанги и связанные с ними вертикальные звенья, имеющие возможность только вертикального перемещения.The prototype is taken as a device - a spatial mechanism (Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot means means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies," Patent No. WO 2006 / 021629 A1, 02.03.2006), including a base, an end link connected by three identical kinematic chains made in the form of a pantograph mechanism and a cylindrical gear with three vertically mounted rotational motion engines that move the final link in a plane parallel to the base, and its rotation around a vertical axis. The vertical movement of the final link is carried out vertically mounted on the basis of the translational motion engine, coupled with the links of the hinged parallelograms of pantographic mechanisms through horizontally located rods and associated vertical links that can only move vertically.
Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует полная развязка между степенями свободы. Передача движения со стороны двигателей для осуществления перемещений конечного звена в горизонтальной плоскости обусловливает взаимную связанность этих двигателей, например, вращение конечного звена вокруг вертикальной оси требует согласованного перемещения всех этих двигателей. Это повышает сложность управления и снижает надежность устройства.The disadvantage of this device is that it does not have a complete isolation between the degrees of freedom. The transmission of movement from the side of the engines for the movement of the final link in the horizontal plane determines the interconnectedness of these engines, for example, the rotation of the final link around the vertical axis requires a coordinated movement of all these engines. This increases control complexity and reduces device reliability.
Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки всех возможных движений.The technical result is the elimination of these shortcomings and increase the technical and operational efficiency of manipulation devices in space in four coordinates based on the kinematic decoupling of all possible movements.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве - пространственном механизме, включающем основание, конечное звено, вертикально установленный на основании двигатель вращательного перемещения, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения одной из кинематических цепей, сопряженным через начальное звено с шарнирным параллелограммом, который шарнирно связан с конечным звеном, вторая и третья кинематические цепи содержат двигатель, сопряженный с начальным звеном, связанным с конечным звеном посредством четырех шарниров, три из которых установлены горизонтально и перпендикулярно оси соответствующего двигателя, а один шарнир установлен вертикально и сопряжен с конечным звеном, новым является то, что в кинематическую цепь, содержащую двигатель вращательного перемещения и двигатель поступательного перемещения, шарнирный параллелограмм, установленный горизонтально и жестко сопряженный своим начальным звеном с двигателем поступательного перемещения, включен второй шарнирный параллелограммом, входное звено которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма, а выходное звено второго параллелограмма жестко сопряжено с конечным звеном механизма, во второй и третьей кинематических цепях двигатели выполнены в виде двигателей поступательного перемещения, установленных горизонтально с взаимно перпендикулярными осями, а вертикально установленные шарниры второй и третьей кинематических цепей имеют общую ось.The technical result is achieved by the fact that in the known device - a spatial mechanism including a base, an end link, a rotational displacement motor vertically mounted on the base, coupled to a vertically mounted translational displacement motor of one of the kinematic chains, coupled through an initial link with a hinged parallelogram that is articulated with the final link, the second and third kinematic chains contain an engine associated with the initial link associated with the final a link through four hinges, three of which are installed horizontally and perpendicular to the axis of the corresponding engine, and one hinge is installed vertically and is interfaced with the final link, new is that in the kinematic chain containing a rotational displacement motor and a translational displacement motor, a hinged parallelogram mounted horizontally and rigidly conjugated by its initial link with the translational displacement engine, a second articulated parallelogram is included, the input link of which is the output link of the first articulated parallelogram, and the output link of the second parallelogram is rigidly coupled to the final link of the mechanism, in the second and third kinematic chains, the motors are made in the form of translational motors mounted horizontally with mutually perpendicular axes, and vertically mounted hinges of the second and third kinematic chains common axis.
Устройство - пространственный механизм (Рис.1) включает основание 1, конечное звено 2, вертикально установленный двигатель вращательного перемещения 3 одной из кинематических цепей, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения 4, жестко сопряженным через начальное звено 5 с входным звеном 6 шарнирного параллелограмма 7. Шарнирный параллелограмм 7 установлен горизонтально. Данная кинематическая цепь снабжена вторым шарнирным параллелограммом 8, входное звено 9 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 7, а выходное звено 10 жестко сопряжено с конечным звеном 2 механизма. Вторая и третья кинематические цепи содержат двигатели поступательного перемещения 4', 4'', сопряженные с соответствующими начальными звеньями 5', 5'', связанными с конечным звеном 2 посредством четырех шарниров соответственно 11, 12, 13, 14 и 11', 12', 13', 14'. Шарниры 11, 12, 13 и 11', 12', 13' установлены горизонтально и параллельно оси соответствующего двигателя, а шарниры 14 и 14' установлены вертикально и сопряжены с конечным звеном 2. Двигатели 4' и 4'' установлены горизонтально с взаимно перпендикулярными осями, а вертикально установленные шарниры 14 и 14' второй и третьей кинематических цепей расположены на одной оси. Устройство - пространственный механизм - работает следующим образом. Относительно основания 1 конечное звено 2 перемещается поступательно вертикально посредством вертикально установленного двигателя поступательного перемещения 4, вращение вокруг вертикальной оси происходит посредством вертикально установленного двигателя вращательного перемещения 3, эти движения передаются через начальное звено 5 на жестко сопряженное с ним входное звено 6 горизонтально установленного шарнирного параллелограмма 7, затем движение передается на второй шарнирный параллелограмм 8, входное звено 9 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 7, после этого с выходного звена 10 второго шарнирного параллелограмма 8 движение передается на конечное звено 2 механизма, во второй и третьей кинематических цепях двигатели поступательного перемещения 4' и 4'', установленные горизонтально с взаимно перпендикулярными осями, передают движение соответствующим начальным звеньям 5'и 5'', затем движение передается последовательно на четыре шарнира соответственно 11, 12, 13, 14 и 11', 12', 13', 14', а затем на конечное звено 2. Поскольку шарниры 11, 12, 13 и 11', 12', 13' установлены горизонтально и перпендикулярно оси соответствующего двигателя, то при работе двигателя 4' есть движение в шарнирах 11', 12', 13', а при работе двигателя 4'' есть движение в шарнирах 11, 12, 13. При этом имеет место передаточное отношение, равное единице. Поскольку шарниры 14 и 14' имеют общую вертикальную ось и сопряжены с конечным звеном 2, то вращение двигателя 3 передается через шарнирные параллелограммы 7 и 8 на конечное звено 2 с передаточным отношением, равным единице. Тем самым осуществлена кинематическая развязка степеней свободы.The device - a spatial mechanism (Fig. 1) includes a base 1, an end link 2, a vertically mounted rotational displacement motor 3 of one of the kinematic chains, coupled to a vertically mounted translational displacement motor 4, rigidly conjugated through the initial link 5 with the input link 6 of the articulated parallelogram 7 Hinged parallelogram 7 is installed horizontally. This kinematic chain is equipped with a second articulated parallelogram 8, the input link 9 of which is the output link of the first articulated parallelogram 7, and the output link 10 is rigidly coupled to the final link 2 of the mechanism. The second and third kinematic chains contain translational motion motors 4 ', 4' ', coupled to the corresponding initial links 5', 5 '', connected to the final link 2 through four hinges, respectively 11, 12, 13, 14 and 11 ', 12' , 13 ', 14'. The hinges 11, 12, 13 and 11 ', 12', 13 'are mounted horizontally and parallel to the axis of the corresponding engine, and the hinges 14 and 14' are mounted vertically and are coupled to the end link 2. The motors 4 'and 4' 'are mounted horizontally with mutually perpendicular axes, and vertically mounted hinges 14 and 14 'of the second and third kinematic chains are located on the same axis. The device is a spatial mechanism - works as follows. With respect to the base 1, the final link 2 is moved translationally vertically by means of a vertically mounted translational displacement motor 4, rotation around the vertical axis is carried out by means of a vertically mounted rotational displacement motor 3, these movements are transmitted through the initial link 5 to the input link 6 of the horizontally mounted hinged parallelogram 7 , then the movement is transmitted to the second articulated parallelogram 8, the input link 9 of which is the output link of the first articulated parallelogram 7, then from the output link 10 of the second articulated parallelogram 8, the movement is transmitted to the final link 2 of the mechanism, in the second and third kinematic chains, the translational motors 4 'and 4' ', mounted horizontally with mutually perpendicular axes, transmit the movement the corresponding initial links 5'and 5 '', then the movement is transmitted sequentially to four hinges, respectively 11, 12, 13, 14 and 11 ', 12', 13 ', 14', and then to the final link 2. Since the hinges 11, 12 , 13 and 11 ', 12', 13 'set Since they are horizontally and perpendicular to the axis of the corresponding engine, then when the engine 4 'is in motion, there is movement in the hinges 11', 12 ', 13', and when the engine 4 '' is in motion in the hinges 11, 12, 13. There is a gear ratio equal to one. Since the hinges 14 and 14 'have a common vertical axis and are coupled to the final link 2, the rotation of the engine 3 is transmitted through the hinged parallelograms 7 and 8 to the final link 2 with a gear ratio equal to one. Thus, the kinematic decoupling of the degrees of freedom was carried out.