ТРЕХПОДВИЖНЫЙ РЕКОНФИГУРИРУЕМЫЙ СФЕРИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ С КРУГОВОЙ НАПРАВЛЯЮЩЕЙ Российский патент 2023 года по МПК F16H21/00 

Изобретение относится к механическим системам параллельной структуры, применяемым при проведении технологических и исследовательских процедур.

Известен трехподвижный сферический механизм параллельной структуры [Wu G., Caro S., Bai S., Kepler J. Dynamic modeling and design optimization of a 3-DOF spherical parallel manipulator. Robotics and Autonomous Systems, 62(10), 1377-1386, 2014, Fig. 1а]. Механизм включает в свой состав неподвижное звено (стойку) и выходное звено (платформу), между которыми установлены три кинематические цепи, каждая из которых включает по два рычага, выполненные сферическими. При этом все шарниры механизма выполнены вращательными, оси которых пересекаются в одной точке. Недостатком данного механизма является ограниченный угол поворота выходного звена вокруг оси, перпендикулярной стойке. Это недостаток ограничивает возможности применения данного механизма в технике.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является трехподвижный сферический манипулятор параллельной структуры с круговой направляющей [Wu G., Caro S., Bai S., Kepler J. Dynamic modeling and design optimization of a 3-DOF spherical parallel manipulator. Robotics and Autonomous Systems, 62(10), 1377-1386, 2014, Fig. 2b]. Он состоит из неподвижной круговой направляющей с нарезанными на ней зубьями и выходного звена (платформы), между которыми установлены три кинематические цепи, включающие каретки с зубчатыми колесами и рычаги, выполненные сферическими. При этом каретки и рычаги сопряжены вращательными шарнирами, оси которых пересекаются в одной точке.

Данный манипулятор принимается за прототип предлагаемого изобретения. Недостатком прототипа является отсутствие возможности изменения центра сферического движения, что сокращает число реализуемых разнотипных траекторий движения выходного звена. Кроме этого использование сферических звеньев в качестве рычагов усложняет процесс изготовления и сборки данного манипулятора, т.к. требуется повышенная точность изготовления.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании такого механизма, в котором могла быть реализована возможность изменения центра сферического движения, а кинематические цепи не включали сферические звенья.

Данная проблема решается тем, что в предлагаемом трехподвижном реконфигурируемом сферическом механизме с круговой направляющей, включающем стойку в виде круговой направляющей с нарезанными на ней зубьями и платформу, между которыми установлены три кинематические цепи, включающие каретки с зубчатыми колесами и рычаги, сопряженные между собой вращательными шарнирами, согласно изобретению, в каждой кинематической цепи между рычагом и платформой посредством вращательных шарниров установлены шатун и палец, причем геометрические оси вращательных шарниров между кареткой и рычагом, рычагом и шатуном, шатуном и пальцем в каждой кинематической цепи параллельны друг другу, а в центре круговой направляющей установлена дополнительная кинематическая цепь, состоящая из штанги и стержня, жестко сопряженного с платформой, при этом штанга образует с круговой направляющей поступательный шарнир, а со стержнем сферический шарнир, причем оси вращательных шарниров между пальцами и платформой пересекаются в центре сферического шарнира.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в возможности изменения центра сферического движения для увеличения числа реализуемых разнотипных траекторий выходного звена, а также в более простой геометрии звеньев кинематических цепей.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана модель трехподвижного реконфигурируемого сферического механизма с круговой направляющей. Механизм включает круговую направляющую 1 с нарезанными на ней зубьями, выполненную неподвижной, и выходное звено (платформу) 9, между которыми установлены три кинематические цепи, состоящие из кареток 3 с зубчатыми колесами 2, рычагов 4, шатунов 5 и пальцев 6, а также одну кинематическую цепь, расположенную в центре круговой направляющей 1 и состоящую из штанги 7 и стержня 8, жестко сопряженного с платформой 9. Рычаги 4 и шатуны 5 выполнены плоскими.

Зубчатые колеса 2 и 3 являются приводными звеньями, которым задаются входные движения. Звенья 1 и 2 образуют зубчатое зацепление. Звенья 1 и 3; 3 и 4; 4 и 5; 5 и 6; 6 и 9 образуют вращательные шарниры. Звенья 1 и 7 образуют поступательный шарнир. Звенья 7 и 8 образуют сферический шарнир. Геометрические оси вращательных шарниров 6-9 пересекаются в центре сферического шарнира 7-8.

Принцип работы предлагаемого механизма заключается в следующем. При задании движения зубчатым колесам 2, каретки 3 смещаются относительно неподвижной круговой направляющей 1. Движение от кареток 3 передается рычагам 4, затем шатунам 5 и далее пальцам 6, ориентирующим платформу 9. При этом ограничения на движение платформы 9 накладываются центральной кинематической цепью, которая оставляет ей три вращательных степени свободы. Реконфигурация механизма (изменение центра сферического движения) обеспечивается за счет вертикального смещения штанги 7 относительно круговой направляющей 1. В этом случае центр сферического шарнира 7-8 может быть установлен на заданной высоте.

Предлагаемый механизм может быть применен для позиционирования различных объектов при проведении технологических или исследовательских операций, а также при выполнении процедур, требующих полный (неограниченный) поворот вокруг вертикальной оси.

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к механическим системам параллельной структуры. Трехподвижный реконфигурируемый сферический механизм с круговой направляющей включает стойку в виде круговой направляющей с нарезанными на ней зубьями и платформу, между которыми установлены три кинематические цепи, включающие каретки с зубчатыми колесами и рычаги, сопряженные между собой вращательными шарнирами. В каждой кинематической цепи между рычагом и платформой посредством вращательных шарниров установлены шатун и палец. Геометрические оси вращательных шарниров между кареткой и рычагом, рычагом и шатуном, шатуном и пальцем в каждой кинематической цепи параллельны друг другу. В центре круговой направляющей установлена дополнительная кинематическая цепь, состоящая из штанги и стержня, жестко сопряженного с платформой. Штанга образует с круговой направляющей поступательный шарнир, а со стержнем - сферический шарнир. Оси вращательных шарниров между пальцами и платформой пересекаются в центре сферического шарнира. Достигается расширение области применения. 1 ил.

Трехподвижный реконфигурируемый сферический механизм с круговой направляющей, включающий стойку в виде круговой направляющей с нарезанными на ней зубьями и платформу, между которыми установлены три кинематические цепи, включающие каретки с зубчатыми колесами и рычаги, сопряженные между собой вращательными шарнирами, отличающийся тем, что в каждой кинематической цепи между рычагом и платформой посредством вращательных шарниров установлены шатун и палец, причем геометрические оси вращательных шарниров между кареткой и рычагом, рычагом и шатуном, шатуном и пальцем в каждой кинематической цепи параллельны друг другу, а в центре круговой направляющей установлена дополнительная кинематическая цепь, состоящая из штанги и стержня, жестко сопряженного с платформой, при этом штанга образует с круговой направляющей поступательный шарнир, а со стержнем - сферический шарнир, причем оси вращательных шарниров между пальцами и платформой пересекаются в центре сферического шарнира.