RU2403143C2

RU2403143C2 - Tripod manipulator with six degrees of movement

Info

Publication number: RU2403143C2
Application number: RU2008146266/02A
Authority: RU
Inventors: Леонид Иосифович Тывес (RU); Леонид Иосифович Тывес; Павел Олегович Данилин (RU); Павел Олегович Данилин; Виктор Аркадьевич Глазунов (RU); Виктор Аркадьевич Глазунов
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2010-11-10
Also published as: RU2008146266A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention refers to machine building, namely to manipulators for performing the operations related to the change of position of the item, workpiece, etc. in space. Manipulator contains movable platform with working member and three rotation supports the axes of which form trihedral angle equal to trihedral angle formed with rotation axes of output shafts of drive units, three identical parallel kinematic circuits of drive of movement and orientation of working member. Each circuit consists of two universal hinges (UH) connected with intermediate shaft. Inner axes of UH crosspieces are parallel, outer axes of UH crosspieces at inputs of kinematic circuits are connected to outlet shafts of drive units, and outer axes of UH crosspieces at outputs of kinematic circuits form the hinge with rotation supports on movable platform. On movable platform there installed is orientation mechanism of working member the drive shafts of which are installed in rotation supports and hinged to outer axis of crosspieces at output of kinematic circuits. On outer axes of crosspieces of two UH of each kinematic circuit there installed at equal distances from UH centres are two rotation hinges with axes parallel to inner axes of UH crosspieces. Axes are connected by rigid link the length of which is equal to distance between centres of UH crosspieces.

EFFECT: invention simplifies programming of tripod manipulator with six degrees of movement.

5 cl, 3 dwg

Description

Изобретение может быть использовано в машиностроительной, пищевой и других отраслях промышленности для выполнения как основных технологических операций, например механической обработки изделий, так и вспомогательных операций: сортировки, укладки, упаковки изделий и т.д.The invention can be used in machine-building, food and other industries to perform both basic technological operations, for example, machining of products, and auxiliary operations: sorting, stacking, packaging of products, etc.

Из уровня техники известен манипулятор-трипод по патенту США №4976582 (МПК B25j 9/12, 1990), содержащий основание с установленными на нем тремя приводами поступательного и одного привода вращательного движений, подвижную платформу с тремя опорами вращения с установленным на ней с возможностью вращения рабочим органом, три параллельные кинематические цепи от выходных элементов приводов поступательного перемещения к опорам вращения на подвижной платформе, состоящие из двух универсальных шарниров, соединенных жестким звеном так, что внутренние оси универсальных шарниров параллельны, а привод вращения установленный на основании, связан с рабочим органом отдельной карданной передачей. В указанном манипуляторе-триподе возможны только поступательные перемещения подвижной платформы. Вращательное движение рабочего органа не зависит от перемещений платформы. К недостатку этого манипулятора-трипода можно отнести загромождение пространства манипулятора-трипода отдельной передачей вращения рабочему органу. Увеличение числа ориентирующих движений рабочего органа таким же образом приводит к еще большему загромождению рабочего пространства.The prior art a tripod manipulator according to US patent No. 4976582 (IPC B25j 9/12, 1990), comprising a base with three translational drives and one rotary drive mounted on it, a movable platform with three rotation supports with rotation mounted on it the working body, three parallel kinematic chains from the output elements of the translational drives to the rotation supports on a movable platform, consisting of two universal joints connected by a rigid link so that the internal and the universal joints are parallel, and the rotational drive mounted on the base, connected with the working member separate driveline. In the specified manipulator-tripod, only translational movements of the moving platform are possible. The rotational movement of the working body does not depend on the movements of the platform. The disadvantage of this tripod manipulator is the clutter of the tripod manipulator space by a separate transmission of rotation to the working body. An increase in the number of orienting movements of the working body in the same way leads to an even greater clutter of the working space.

Из уровня техники известен также манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности POLMAN 3×2 по статье К.Миановского «Анализ особенностей параллельного манипулятора POLMAN 3×2 с шестью степенями свободы» (12-й Всемирный конгресс ИФТОММ, Безансон, июнь 18-21, 2007), предлагаемый в качестве наиболее близкого аналога и содержащий основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, причем оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол, подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа, состоящие каждая из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей образуют шарниры с опорами вращения на подвижной платформе. Этот манипулятор-трипод свободен от вышеотмеченного недостатка, однако имеет другие существенные недостатки:A tripod manipulator with six degrees of mobility POLMAN 3 × 2 is also known from the prior art according to an article by K. Mianovsky “Analysis of the features of a parallel POLMAN 3 × 2 manipulator with six degrees of freedom” (12th IFTOMM World Congress, Besancon, June 18-21, 2007), proposed as the closest analogue and containing a base with three drive units mounted on it, coaxial translational and rotational movements of the output shaft of each drive unit, and the axis of rotation of the output shafts of the three drive units form a trihedral a goal, a movable platform with a working body and three rotation bearings, the axes of which form a trihedral angle equal to the trihedral angle formed by the rotation axes of the output shafts of the drive units, and three identical parallel kinematic chains of the drive of displacement and orientation of the working body, each consisting of two connected by an intermediate shaft universal joints so that the internal axes of the universal joints of the joints are parallel, the external axes of the universal joints of the joints at the input of the kinematic chains are connected to the dnymi drive shaft blocks, and outer universal joints axis crossings at the outputs of kinematic chains form hinges with rotation on a movable platform supports. This tripod manipulator is free from the aforementioned drawback, however, it has other significant drawbacks:

а) ни одно из ориентирующих движений рабочего органа манипулятора не может быть полнооборотным, т.е. нельзя осуществить режим непрерывного вращения рабочего органа;a) none of the orienting movements of the working body of the manipulator can be full-speed, i.e. it is impossible to implement a continuous rotation of the working body;

б) система ориентирующих движений рабочего органа не отвечает какой-либо системе углов Эйлера, что усложняет программирование движений;b) the system of orienting movements of the working body does not correspond to any system of Euler angles, which complicates the programming of movements;

в) кинематика манипулятора не обеспечивает групповой кинематической развязки приводов изменения положения центра системы координат рабочего органа и приводов изменения ориентации рабочего органа, что также усложняет задачу программирования и приводит к ухудшению скоростных и точностных характеристик манипулятора.c) the kinematics of the manipulator does not provide group kinematic isolation of the drives for changing the position of the center of the coordinate system of the working body and the drives for changing the orientation of the working body, which also complicates the programming task and leads to a deterioration in the speed and accuracy characteristics of the manipulator.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности, свободного от указанных недостатков, кинематика которого позволяет вести программирование движений и калибровку манипулятора на основе решения прямой и обратной задач кинематики в явном виде, т.е. без использования итерационных процедур.The task to which the claimed invention is directed is the creation of a tripod manipulator with six degrees of mobility, free of these drawbacks, the kinematics of which allows programming of movements and calibration of the manipulator based on solving direct and inverse kinematics problems in an explicit form, i.e. without using iterative procedures.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в достижении групповой кинематической развязки приводов поступательных и ориентирующих движений рабочего органа манипулятора, приводящих к улучшению скоростных и точностных характеристик.The technical result that can be obtained by carrying out the invention is to achieve a group kinematic isolation of the drives of translational and orienting movements of the manipulator's working body, leading to an improvement in speed and accuracy characteristics.

Указанный технический результат в известном манипуляторе-триподе с шестью степенями подвижности, содержащем основание с установленными на нем тремя блоками приводов соосных поступательного и вращательного движений выходного вала каждого блока приводов, причем оси вращения выходных валов трех блоков приводов образуют трехгранный угол, подвижную платформу с рабочим органом и тремя опорами вращения, оси которых образуют трехгранный угол, равный трехгранному углу, образованному осями вращения выходных валов блоков приводов, и три идентичные параллельные кинематические цепи привода перемещений и ориентации рабочего органа, состоящие каждая из двух соединенных промежуточным валом универсальных шарниров так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров параллельны, наружные оси крестовин универсальных шарниров на входе кинематических цепей соединены с выходными валами блоков приводов, а наружные оси крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей образуют шарниры с опорами вращения на подвижной платформе, достигается тем, что на подвижной платформе установлен механизм ориентации рабочего органа; на наружных осях крестовин двух универсальных шарниров кинематической цепи на равных расстояниях и с одной стороны от центров крестовин универсальных шарниров установлены два цилиндрических шарнира с осями, параллельными внутренним осям крестовин универсальных шарниров, соединенные жестким звеном так, что расстояние между осями установленных шарниров равно расстоянию между центрами крестовин универсальных шарниров, а с наружными осями крестовин универсальных шарниров на выходах кинематических цепей соединены дополнительно установленные в опорах вращения на подвижной платформе ведущие валы механизма ориентации рабочего органа.The specified technical result in a known manipulator-tripod with six degrees of mobility, containing a base with three drive units mounted thereon, coaxial translational and rotational movements of the output shaft of each drive unit, and the axis of rotation of the output shafts of the three drive units form a trihedral angle, a movable platform with a working body and three rotation bearings, the axes of which form a trihedral angle equal to the trihedral angle formed by the rotation axes of the output shafts of the drive units, and three idents parallel parallel kinematic chains of the drive of displacements and orientation of the working body, each consisting of two universal joints connected by an intermediate shaft so that the internal axes of the universal joints of the universal joints are parallel, the external axes of the universal joints of the universal joints at the input of the kinematic chains are connected to the output shafts of the drive units, and the external axes of the joints universal joints at the outputs of the kinematic chains form hinges with rotation supports on a movable platform, achieved by the fact that on a movable latforme mechanism mounted working body orientation; on the outer axes of the crosses of two universal joints of the kinematic chain at equal distances and on one side of the centers of the crossings of the universal joints, two cylindrical joints are installed with axes parallel to the internal axes of the crossings of the universal joints, connected by a rigid link so that the distance between the axes of the mounted joints is equal to the distance between the centers crosspieces of universal joints, and with the external axes of crosspieces of universal joints at the outputs of kinematic chains are connected additionally claimed in rotation on a movable platform supports capstans mechanism working body orientation.

Кроме того, в частных вариантах реализации манипулятора-трипода механизм ориентации рабочего органа с тремя степенями подвижности для повышения жесткости конструкции может быть выполнен в виде установленного на одном из ведущих валов механизма ориентации универсального шарнира так, что центр его крестовины совпадает с вершиной трехгранного угла, образованного осями опор вращения на подвижной платформе, на ведомом валу которого укреплен рабочий орган манипулятора-трипода, и двух сферических двухповодковых групп с цилиндрическими шарнирами, состоящих каждая из кривошипа и шатуна, причем кривошипы укреплены на двух других ведущих валах, а шатуны соединены один с другим и с ведомым валом универсального шарнира двойным шарниром так, что центры сферических двух поводковых групп совпадают с центром крестовины универсального шарнира.In addition, in private embodiments of the tripod manipulator, the working body orientation mechanism with three degrees of mobility can be made in the form of a universal joint orientation mechanism mounted on one of the drive shafts so that the center of its crosspiece coincides with the vertex of the trihedral angle formed the axes of the rotation bearings on a movable platform, on the driven shaft of which the working element of the tripod manipulator is fixed, and two spherical two-lead groups with cylindrical nirami, each consisting of a crank and connecting rod, wherein the cranks are mounted on top of the other two shafts, and connecting rods connected to one another and to the driven shaft of the universal joint, double hinge so that the centers of two spherical flanged groups coincide with the center of the spider of the universal joint.

Далее, для увеличения диапазона изменений координат ориентации рабочего органа механизм ориентации рабочего органа может состоять из двух дифференциальных механизмов в виде двух планетарных передач с коническими колесами, общим водилом и двумя соосными центральными колесами на входах дифференциалов, причем входное центральное колесо одного из дифференциальных механизмов укреплено на одном из ведущих валов механизма ориентации рабочего органа, вал второго центрального колеса этого дифференциального механизма установлен с возможностью вращения на сателлите второго дифференциального механизма и жестко связан с рабочим органом манипулятора; центральное колесо второго дифференциального механизма конической передачей связано с вторым ведущим валом механизма ориентации рабочего органа, а общее водило дифференциальных механизмов конической передачей связано с третьим ведущим валом механизма ориентации рабочего органа.Further, to increase the range of changes in the coordinates of the orientation of the working body, the orientation mechanism of the working body can consist of two differential mechanisms in the form of two planetary gears with bevel wheels, a common carrier and two coaxial central wheels at the inputs of the differentials, and the input central wheel of one of the differential mechanisms is mounted on one of the leading shafts of the working body orientation mechanism, the shaft of the second central wheel of this differential mechanism is installed with possibly the rotation on the satellite of the second differential mechanism and is rigidly connected with the working body of the manipulator; the central wheel of the second differential mechanism with a bevel gear is connected with the second drive shaft of the working body orientation mechanism, and the common carrier of differential mechanisms with a bevel gear is connected with the third drive shaft of the working body orientation mechanism.

Для упрощения расчетных зависимостей трехгранный угол, образованный осями вращения выходных валов блоков приводов, может быть равен трехгранному углу декартовой системы координат; по той же причине в двух сферических двухповодковых группах механизма ориентации рабочего органа углы между осями шарниров кривошипов и шатунов могут быть равны 90 градусам.To simplify the calculated dependences, the trihedral angle formed by the rotation axes of the output shafts of the drive units can be equal to the trihedral angle of the Cartesian coordinate system; for the same reason, in two spherical double-lead groups of the working body orientation mechanism, the angles between the axes of the hinges of the cranks and connecting rods can be equal to 90 degrees.

Изобретение иллюстрируется кинематическими схемами манипулятора-трипода с шестью степенями подвижности (фиг.1) и механизмов ориентации его рабочего органа (фиг.2 и фиг.3).The invention is illustrated by kinematic diagrams of a tripod manipulator with six degrees of mobility (Fig. 1) and orientation mechanisms of its working body (Fig. 2 and Fig. 3).

Манипулятор-трипод содержит (фиг.1) основание 0, на котором установлены три блока 1, 1' и 1" приводов соосных поступательного и вращательного движений выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов. Оси выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно образуют трехгранный угол с точкой пересечения в полюсе Р. В частном случае реализации этот трехгранный угол равен трехгранному углу прямоугольной системы координат. На подвижной платформе 3 манипулятора-трипода установлен механизм ориентации рабочего органа 4, выполненный в частном случае в виде сферического механизма с вращательными кинематическими парами (фиг.1, фиг.2) либо в виде дифференциального зубчатого механизма (фиг.3).The tripod manipulator contains (Fig. 1) a base 0 on which three drive units 1, 1 'and 1 "are mounted, coaxial translational and rotational drives of the output shafts 2, 2' and 2" of the drive units. The axes of the output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1" respectively form a trihedral angle with an intersection point in the P pole. In the particular case of implementation, this trihedral angle is equal to the trihedral angle of a rectangular coordinate system. On the movable platform 3 of the manipulator-tripod, a mechanism for orienting the working body 4 is installed, made in the particular case in the form of a spherical mechanism with rotational kinematic pairs (Fig. 1, Fig. 2) or in the form of a differential gear mechanism (Fig. 3).

На подвижной платформе 3 (фиг.1, фиг.2) установлены три опоры вращения 5, 5' и 5", оси которых образуют трехгранный угол с полюсом Р', равный трехгранному углу, образованному осями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1". В опорах вращения 5, 5' и 5" подвижной платформы 3 установлены с возможностью вращения ведущие валы 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4. Выходные валы 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" связаны тремя идентичными кинематическими цепями соответственно с ведущими валами 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4. Каждая из кинематических цепей содержит два универсальных шарнира с крестовинами 7, 7' и 7" и 9, 9' и 9", соединенных попарно промежуточными валами 8, 8' и 8" соответственно так, что внутренние оси крестовин универсальных шарниров каждой кинематической цепи параллельны друг другу, а наружные образуют вращательные пары с упомянутыми выходными валами 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" с одной стороны и ведущими валами 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4 с другой. На наружных осях крестовин 7 и 9, 7' и 9', 7" и 9" двух универсальных шарниров каждой кинематической цепи установлены цилиндрические шарниры 10 и 12, 10' и 12', 10" и 12" на равных расстояниях от центров крестовин универсальных шарниров с осями, параллельными внутренним осям крестовин универсальных шарниров. Шарниры 10 и 12, 10' и 12', 10" и 12" попарно связаны жесткими звеньями 11, 11' и 11" так, что расстояние между осями упомянутых шарниров равны расстояниям между центрами крестовин соответствующих универсальных шарниров.On the movable platform 3 (FIG. 1, FIG. 2), three rotation supports 5, 5 'and 5 "are installed, the axes of which form a trihedral angle with a pole P' equal to the trihedral angle formed by the axes of the output shafts 2, 2 'and 2" drive units 1, 1 'and 1 ". The rotation shafts 5, 5' and 5" of the movable platform 3 are mounted with the possibility of rotation of the drive shafts 6, 6 'and 6 "of the orientation mechanism of the working body 4. Output shafts 2, 2' and 2 "drive units 1, 1 'and 1" are connected by three identical kinematic chains, respectively, with drive shafts 6, 6' and 6 "of the mechanism of orientation of the working body 4. Each of kinematic chains contains two universal joints with crosses 7, 7 'and 7 "and 9, 9' and 9", connected in pairs by intermediate shafts 8, 8 'and 8 ", respectively, so that the inner axis of the universal joints of universal joints of each kinematic chain are parallel to each other and the outer ones form rotational pairs with the mentioned output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1" on the one hand and the drive shafts 6, 6 'and 6 "of the mechanism of orientation of the working body 4 on the other. On the outer axes of the joints 7 and 9, 7 'and 9', 7 "and 9" of the two universal joints of each kinematic chain, cylindrical joints 10 and 12, 10 'and 12', 10 "and 12" are installed at equal distances from the centers of the universal joints hinges with axes parallel to the internal axes of the universal joints of the joints. The hinges 10 and 12, 10 'and 12', 10 "and 12" are paired with rigid links 11, 11 'and 11 "so that the distance between the axes of the said hinges is equal to the distances between the centers of the crosses of the corresponding universal joints.

Работает предлагаемый манипулятор-трипод с шестью степенями подвижности следующим образом. Три параллелограмма 7, 8, 11, 9; 7', 8', 11', 9'; 7", 8", 11", 9" и равенство трехгранных углов, образованных осями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" и осями опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 ведущих валов 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4, установленного на подвижной платформе 3, обеспечивают условие поступательных перемещений подвижной платформы 3. Действительно, для любого положения центров крестовин 9, 9' и 9" универсальных шарниров их наружные оси параллельны соответственно наружным осям крестовин 7, 7' и 7" универсальных шарниров соответственно, и, следовательно, в числе возможных положений осей ведущих валов 6, 6' и 6" всегда есть положение, когда оси ведущих валов 6, 6' и 6" параллельны осям выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно, независимо от углового положения выходных валов 2, 2' и 2". Вследствие равенства трехгранных углов осей выходных валов 2, 2' и 2" и осей опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 эти положения ведущих валов 6, 6' и 6" одновременно удовлетворяют условиям, накладываемым неизменяемыми относительными положениями осей опор вращения 5, 5' и 5", укрепленными на подвижной платформе 3. Параллельность осей опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3 непараллельным между собой осям выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" соответственно, не меняющих своего положения относительно основания 0, есть условие поступательного движения подвижной платформы 3. При этом поступательные перемещения подвижной платформы 3 определены только осевыми перемещениями выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1". Угловые перемещения выходных валов 2, 2' и 2" блоков приводов 1, 1' и 1" независимо от положения подвижной платформы 3 равны угловым перемещениям ведущих валов 6, 6' и 6" механизма ориентации рабочего органа 4 относительно подвижной платформы 3 соответственно, т.к. кинематические цепи шарнирно соединенных последовательно звеньев 2-7-8-9-6, 2'-7'-8'-9'-6', 2"-7"-8"-9"-6" при параллельности осей вращения крайних звеньев цепочек представляют собой частный случай карданной передачи с постоянным равным единице передаточным отношением.The proposed tripod manipulator with six degrees of mobility works as follows. Three parallelograms 7, 8, 11, 9; 7 ', 8', 11 ', 9'; 7 ", 8", 11 ", 9" and the equality of the trihedral angles formed by the axes of the output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1" and the axes of the rotation supports 5, 5 'and 5 "on a moving platform 3 drive shafts 6, 6 'and 6 "of the mechanism of orientation of the working body 4, mounted on a movable platform 3, provide a condition for translational movements of the movable platform 3. Indeed, for any position of the centers of the joints 9, 9' and 9" of the universal joints, their outer axes are parallel respectively the outer axes of the crosses 7, 7 'and 7 "universal joints, respectively, and But, among the possible positions of the axes of the drive shafts 6, 6 'and 6 "there is always a situation when the axes of the drive shafts 6, 6' and 6" are parallel to the axes of the output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1 "respectively, regardless of the angular position of the output shafts 2, 2 'and 2". Due to the equality of the trihedral angles of the axes of the output shafts 2, 2' and 2 "and the axes of the rotation supports 5, 5 'and 5" on the movable platform 3, these positions of the drive shafts 6, 6 'and 6 "at the same time satisfy the conditions imposed by the unchanged relative positions of the axes of the rotation bearings 5, 5' and 5", fixed on the move 3. The parallelism of the axes of the 5, 5 'and 5 "rotation support axes on the movable platform 3, to the axes of the output shafts 2, 2' and 2" of the drive blocks 1, 1 'and 1 ", respectively, which do not change their position relative to the base 0 , there is a condition for the translational movement of the movable platform 3. In this case, the translational movements of the movable platform 3 are determined only by the axial displacements of the output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1". The angular displacements of the output shafts 2, 2 'and 2 "of the drive units 1, 1' and 1" regardless of the position of the movable platform 3 are equal to the angular displacements of the drive shafts 6, 6 'and 6 "of the orientation mechanism of the working body 4 relative to the movable platform 3, respectively, t .k. kinematic chains of pivotally connected in series links 2-7-8-9-6, 2'-7'-8'-9'-6 ', 2 "-7" -8 "-9" -6 "in parallel the rotation axes of the extreme links of the chains are a special case of the cardan transmission with a constant gear ratio equal to unity.

Отмеченная независимость поступательных перемещений подвижной платформы от угловых перемещений выходных валов блоков приводов и, обратно, независимость положений ведущих валов механизма ориентации рабочего органа относительно подвижной платформы (как следствие, ориентации рабочего органа) от осевых перемещений выходных валов блоков приводов есть признак групповой кинематической развязки: система шести уравнений для расчета положений рабочего органа, связывающая шесть координат его положения с шестью координатами положений выходных валов блоков приводов, распадается при этом на две независимые подсистемы. Решение получаемой системы уравнений и программирование движений рабочего органа упрощаются. Дальнейшие шаги в этом направлении связаны с особенностями построения механизмов ориентации рабочего органа. Если требуется обеспечить высокую жесткость (и точность) манипулятора-трипода, используемого, например, в качестве обрабатывающего оборудования, то целесообразно применить шарнирно-рычажные механизмы.The noted independence of the translational movements of the moving platform from the angular movements of the output shafts of the drive units and, conversely, the independence of the positions of the drive shafts of the working body orientation mechanism relative to the mobile platform (as a result, the orientation of the working body) from the axial movements of the output shafts of the drive units is a sign of group kinematic decoupling: the system six equations for calculating the positions of the working body, linking the six coordinates of its position with the six coordinates of the output positions s drive shaft blocks, splits with two independent subsystems. The solution of the resulting system of equations and the programming of the movements of the working body are simplified. Further steps in this direction are associated with the peculiarities of building mechanisms for the orientation of the working body. If it is required to ensure high rigidity (and accuracy) of the tripod manipulator, used, for example, as processing equipment, then it is advisable to use articulated lever mechanisms.

В частности, на подвижной платформе 3 может быть установлен механизм ориентации рабочего органа манипулятора-трипода, представленный на фиг.1 и фиг.2. Он содержит универсальный шарнир с крестовиной 13, на входе которого - один из ведущих валов, например 6, а на выходе - рабочий орган 4 манипулятора-трипода. Центр крестовины 13 совпадает с вершиной трехгранного угла, образованного осями опор вращения 5, 5' и 5" на подвижной платформе 3. На ведущих валах 6' и 6" укреплены кривошипы 14' и 14", вместе с шатунами 15' и 15" входящие в состав двух сферических двухповодковых групп с цилиндрическими шарнирами. Шатуны 15' и 15" двойным шарниром соединены с ведомым звеном универсального шарнира и, следовательно, с рабочим органом 4 манипулятора-трипода. Центры двух сферических двухповодковых групп совпадают с центром крестовины 13 универсального шарнира. В частном случае реализации для упрощения расчетных зависимостей углы между осями шарниров кривошипов 14' и 14" и шатунов 15' и 15" могут быть равны 90 градусам.In particular, on the movable platform 3, a mechanism for orienting the working body of the tripod manipulator shown in FIG. 1 and FIG. 2 can be installed. It contains a universal hinge with a crosspiece 13, at the input of which is one of the drive shafts, for example 6, and at the output is the working body 4 of the tripod manipulator. The center of the crosspiece 13 coincides with the apex of the trihedral angle formed by the axes of the rotation supports 5, 5 'and 5 "on the movable platform 3. On the drive shafts 6' and 6" cranks 14 'and 14 "are fixed, together with connecting rods 15' and 15" in the composition of two spherical two-lead groups with cylindrical joints. The connecting rods 15 'and 15 "are connected by a double hinge to the driven link of the universal joint and, therefore, to the working body 4 of the tripod manipulator. The centers of the two spherical two-lead groups coincide with the center of the universal joint crosspiece 13. In a particular case, the angles between the axles are made to simplify the design dependencies. the hinges of the cranks 14 'and 14 "and the connecting rods 15' and 15" can be equal to 90 degrees.

Этот вариант построения механизма ориентации рабочего органа манипулятора характеризуется ограниченными диапазонами изменений двух из четырех углов Эйлера, определяющих ориентацию рабочего органа. Иногда требуется обеспечить более высокие манипуляционные возможности, например неограниченный диапазон изменений двух из трех углов Эйлера. Этому требованию удовлетворяет механизм ориентации рабочего органа манипулятора, состоящий из двух дифференциальных механизмов в виде двух планетарных передач с коническими зубчатыми колесами и общим водилом.This option for constructing the mechanism of orientation of the working body of the manipulator is characterized by limited ranges of changes in two of the four Euler angles that determine the orientation of the working body. Sometimes it is necessary to provide higher manipulation capabilities, for example, an unlimited range of changes in two of Euler’s three angles. This requirement is satisfied by the orientation mechanism of the working body of the manipulator, consisting of two differential mechanisms in the form of two planetary gears with bevel gears and a common carrier.

На фиг.3 представлена кинематическая схема механизма ориентации рабочего органа манипулятора-трипода, позволяющая выполнить два из трех углов Эйлера, определяющих ориентацию рабочего органа, полнооборотными. Здесь центральные колеса 16, 17 и сателлит 22 образуют первый дифференциальный механизм, а центральное колесо 19, общее для двух дифференциалов водило 20 и сателлит 18 - второй дифференциальный механизм. Центральное колесо 16 укреплено на ведущем валу 6 механизма ориентации, а рабочий орган 4 манипулятора-трипода жестко связан с валом центрального колеса 17. Вал центрального колеса 17 установлен в опоре вращения 23, укрепленной на сателлите 18 второго дифференциального механизма. Центральное колесо 19 второго дифференциального механизма конической зубчатой передачей 6'-24 связано с ведущим валом 6', а общее водило 20 конической передачей 20-21 связано с ведущим валом 6" механизма ориентации рабочего органа 4 манипулятора-трипода.Figure 3 presents the kinematic diagram of the mechanism of orientation of the working body of the manipulator-tripod, which allows you to perform two of the three Euler angles that determine the orientation of the working body, full speed. Here, the central wheels 16, 17 and the satellite 22 form the first differential mechanism, and the central wheel 19, common to the two differentials, drove 20 and the satellite 18 - the second differential mechanism. The central wheel 16 is mounted on the drive shaft 6 of the orientation mechanism, and the working body 4 of the tripod manipulator is rigidly connected to the shaft of the central wheel 17. The shaft of the central wheel 17 is mounted in a rotation support 23 mounted on the satellite 18 of the second differential mechanism. The central wheel 19 of the second differential mechanism with a bevel gear 6'-24 is connected to the drive shaft 6 ', and the common carrier 20 with a bevel gear 20-21 is connected with the drive shaft 6 "of the orientation mechanism of the working body 4 of the tripod manipulator.

Так как подвижная платформа 3 не меняет пространственной ориентации при перемещениях, то угловое положение рабочего органа 4, описываемое углами Эйлера, определено следующими положениями элементов механизма: положение (поворот) водила 20 относительно подвижной платформы - это угол прецессии, положение (поворот) сателлита 18 и, следовательно, оси опоры 23 относительно водила 20 - есть угол нутации; наконец, положение центрального колеса 17 и, соответственно, рабочего органа 4 относительно опоры 23 - угол чистого вращения. Полнооборотными в этой конструкции будут прецессия и чистое вращение рабочего органа. Постоянство передаточных отношений зубчатых передач приводит к линейным зависимостям с постоянными коэффициентами между углами Эйлера и углами поворота ведущих валов механизма ориентации рабочего органа. В этом случае задача программирования ориентирующих движений трудностей не представляет.Since the movable platform 3 does not change the spatial orientation during movements, the angular position of the working body 4, described by Euler angles, is determined by the following positions of the mechanism elements: the position (rotation) of the carrier 20 relative to the movable platform is the angle of precession, the position (rotation) of the satellite 18 and therefore, the axis of the support 23 relative to the carrier 20 - is the angle of nutation; finally, the position of the Central wheel 17 and, accordingly, the working body 4 relative to the support 23 - the angle of pure rotation. The precession and pure rotation of the working body will be fully revolving in this design. The constancy of the gear ratios of the gears leads to linear dependencies with constant coefficients between the Euler angles and the rotation angles of the drive shafts of the working body orientation mechanism. In this case, the task of programming orienting motions is not difficult.

Claims

1. A tripod manipulator with six degrees of mobility, comprising a base with three drive units mounted thereon, coaxial translational and rotational movements of the output shaft of each drive unit, and the axis of rotation of the output shafts of the three drive units form a trihedral angle, a movable platform with a working body and three supports rotations whose axes form a trihedral angle equal to the trihedral angle formed by the rotation axes of the output shafts of the drive units, and three identical parallel kinematic chains yes movements and orientations of the working body, each consisting of two universal joints connected by an intermediate shaft so that the internal axes of the universal joints of the universal joints are parallel, the external axes of the universal joints of the universal joints at the input of the kinematic chains are connected to the output shafts of the drive units, and the external axes of the universal joints of the universal joints of the outputs kinematic chains form hinges with rotation supports on a movable platform, characterized in that the mechanism of orientation of organ, and on the outer axes of the crosses of the two universal joints of each kinematic chain at equal distances and on one side of the centers of the crossings of the universal joints, two cylindrical joints are installed with axes parallel to the internal axes of the universal joints of the joints, connected by a rigid link so that the distance between the axes of the joints of the hinges is equal to the distance between the centers of the universal joints of the joints, while with the outer axes of the universal joints of the joints on the outputs of the kinematic chains with The drive shafts of the working body orientation mechanism, additionally installed in the rotation supports on a movable platform, are connected.

2. The tripod manipulator according to claim 1, characterized in that the working body orientation mechanism with three degrees of mobility is made in the form of a universal joint orientation mechanism mounted on one of the driving shafts so that the center of its crosspiece coincides with the vertex of the trihedral angle formed by the axis of the supports rotation on a movable platform, on the driven shaft of which the working element of the tripod manipulator is mounted, and two spherical two-lead groups with cylindrical joints, each consisting of a crank and a connecting rod, and the crank They are mounted on two other drive shafts, and the connecting rods are connected to each other and to the driven shaft of the universal joint by a double joint so that the centers of the spherical two-wire groups coincide with the center of the universal joint cross.

3. The tripod manipulator according to claim 1, characterized in that on the moving platform there is a mechanism for orienting the working body with three degrees of mobility, consisting of two differential mechanisms in the form of two planetary gears with bevel wheels, a common carrier and two coaxial central wheels at the inputs differentials, and the input Central wheel of one of the differential mechanisms mounted on one of the leading shafts of the mechanism of orientation of the working body, the shaft of the second Central wheel of this differential the anism is mounted with the possibility of rotation on the satellite of the second differential mechanism and is rigidly connected with the working body of the manipulator, and the central wheel of the second differential mechanism with a bevel gear is connected with the second drive shaft of the working body orientation mechanism, while the common carrier of the differential mechanisms of the bevel gear is connected with the third drive shaft of the mechanism orientation of the working body.

4. The tripod manipulator according to one of claims 1 to 3, characterized in that the trihedral angle formed by the rotation axes of the output shafts of the drive units is equal to the trihedral angle of the rectangular coordinate system.

5. The tripod manipulator according to one of claims 1 and 2, characterized in that in two spherical two-lead groups of the working body orientation mechanism, the angles between the axes of the cylindrical joints of the cranks and connecting rods are 90 °.