Пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы
Полезная модель относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с тремя степенями свободы - тремя ориентирующими движениями.
Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по трем вращательным координатам при упрощении решения задачи о положениях.
Технический результат разрешается за счет повышения технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве с тремя степенями свободы - тремя ориентирующими движениями.
Полезная модель относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с тремя степенями свободы - тремя ориентирующими движениями.
Известно устройство (Kong X., Gosselin С., "Type Synthesis of Parallel Mechanisms", Springer Tracts in Advanced Robotics Volume 33, 2007, Fig. 7.10. Six S=PMs shown in an isotropic configuration (а)), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси. конечную вращательную пару, сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей, промежуточных и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.
Известно устройство (Хейло С.В., "Решение задачи кинематики сферического манипулятора параллельной структуры", Машиностроение и инженерное образование: 2010, 
4, стр.29-33, рис.1 (стр29)), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси. конечную вращательную пару, сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей, промежуточных и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.
Недостатком данных устройств является сложность конструкции, обусловленная необходимостью располагать звенья кинематической пары в одной полуплоскости на близком расстоянии друг от друга.
За прототип взято устройство (Huda S., Takeda Y., "Dimensional Synthesis of 3-URU Pure Rotational Parallel Mechanism with Respect to Singularity and Workspace", 12th IFToMM World Congress, Besancon (France), June 18-21, 2007, Fig. 1. Kinematic diagram of the 3-URU mechanism), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, 3 кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, две промежуточные вращательные пары, расположенные параллельно оси начальной пары, конечную вращательную пару, расположенную перпендикулярно оси второй промежуточной пары с пересечением ее оси и сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.
Недостатком данного устройства является то, что в нем оси приводов расположены под углом к осям декартовой системы координат, что затрудняет решение задач о положениях и управления манипулятором.
Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по трем вращательным координатам при упрощении решения задачи о положениях.
Технический результат достигается тем, что пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, две промежуточные вращательные пары, расположенные параллельно оси начальной пары, конечную вращательную пару, расположенную перпендикулярно оси второй промежуточной пары с пересечением ее оси и сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат с осями х, у, z, новым является то, что в одной кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси х, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси у, ось конечной вращательной пары рас положена вдоль оси z, во второй кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси у, ось начальной вращательной пары расположена вдоль оси z, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси х, в третьей кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси z, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси х, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси y.
На фигурах 1, 2 представлено устройство - пространственный сферический механизм.
Пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы содержит основание 1, выходное звено 2, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель 3 (3', 3"), расположенный на основании 1, начальную вращательную кинематическую пару 4 (4', 4"), расположенную перпендикулярно оси двигателя 3 (3', 3") с пересечением его оси, две промежуточные вращательные пары 5 (5', 5") и 6 (6', 6"), расположенные параллельно оси начальной пары 4 (4', 4"), конечную вращательную пару 7 (7', 7") расположенную перпендикулярно оси второй промежуточной пары 6 (6', 6") с пересечением ее оси и сопряженную с выходным звеном 2, причем оси всех двигателей 3 (3', 3"), и конечных кинематических пар 7 (7', 7") расположены с пересечением в центре О декартовой системы координат, в одной кинематической цепи ось вращательного двигателя 3 расположена вдоль оси х, ось начальной вращательной пары 4 расположена параллельно оси у, ось конечной вращательной пары 7 расположена вдоль оси z, во второй кинематической цепи ось вращательного двигателя 3' расположена вдоль оси у, ось начальной вращательной пары 4' расположена вдоль оси z, ось конечной вращательной пары 7' расположена вдоль оси х, в третьей кинематической цепи ось вращательного двигателя 3" расположена вдоль оси z, ось начальной вращательной пары 4" расположена параллельно оси х, ось конечной вращательной пары 7" расположена вдоль оси у.
На фигурах 1 и 2 представлены два вида предлагаемого манипулятора. На фигуре 1 кинематические цепи выполнены так, что их звенья, соединяющие кинематические пары, расположены следующим образом: в первой кинематической цепи они размещены в квадранте х. О, z, во второй кинематической цепи они размещены в квадранте y, О, -х, в третей кинематической цепи они размещены в квадранте -z, О, -y. На фигуре 2 кинематические цепи выполнены так, что их звенья, соединяющие кинематические пары, расположены следующим образом: в первой кинематической цепи они размещены в квадранте х, О, z, во второй кинематической цепи они размещены в квадранте y, О, х, в третей кинематической цепи они размещены в квадранте z, О, y.
Устройство - пространственный сферический механизм работает следующим образом.
Относительно основания 1 конечное звено 2 перемещается (вращается) по трем координатам посредством трех соединительных кинематических цепей. Три двигателя вращательного перемещения 3 (3
, 3), установленных на основании 1 передают вращение начальным вращательным кинематическим парам 4 (4, 4), расположенными перпендикулярно оси двигателя 3 (3, 3) с пересечением его оси, далее вращение передается на две промежуточные вращательные пары 5 (5, 5) и 6 (6, 6), расположенных параллельно оси начальной пары 4 (4, 4), и затем движение передается конечных вращательных пар 7 (7, 7), расположенными перпендикулярно оси второй промежуточной пары 6 (6, 6) с пересечением ее оси, перемещают конечное звено по трем координатам.
Поскольку оси двигателей 3 (3, 3) и конечной вращательной пары 7 (7, 7) расположены с пересечением в центре декартовой системы координат, а оси промежуточных вращательных пар 4 (4, 4), 5 (5, 5) и 6 (6, 6) параллельны друг другу и перпендикулярны осям двигателей 3 (3, 3) и конечной пары 7 (7, 7), то эти три промежуточные пары 4 (4, 4), 5 (5, 5) и 6 (6, 6) обеспечивают вращение вокруг оси так же пересекающей центр декартовой системы координат, таки образом обеспечивая возможность образования сферической структуры и передачу вращения вокруг трех осей конечному звену 2 со стороны вращающихся двигателей 3 (3, 3).
Устройство предназначено для манипуляций заготовками и изделиями, в различных измерительных системах, в испытательных стендах, в обработке деталей и заготовок с помощью различных инструментов, в сборочных операциях, в хирургии и т.д.
Пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, две промежуточные вращательные пары, расположенные параллельно оси начальной пары, конечную вращательную пару, расположенную перпендикулярно оси второй промежуточной пары с пересечением ее оси и сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат с осями х, у, z, отличающийся тем, что в одной кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси х, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси у, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси z, во второй кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси у, ось начальной вращательной пары расположена вдоль оси z, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси x, в третьей кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси z, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси х, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси у.
