Шарнирные соединения манипулятора: Происхождение КИМ с шарнирным манипулятором

Платформенный стыковочный манипулятор

Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, и может быть использовано в автоматических линиях для сборки деталей узлов и монтажа агрегатов. Платформенный стыковочный манипулятор содержит опорное основание, подвижную платформу и самоустанавливающуюся трехшарнирную платформу. Опорное основание и подвижная платформа выполнены в форме четырехугольников, вершины которых попарно соединены четырьмя приводными стержневыми подвижными опорами посредством крестовин с перпендикулярно расположенными вращательными кинематическими парами. Самоустанавливающаяся трехшарнирная платформа кинематически связана с подвижной платформой посредством трех промежуточных стержневых подвижных опор и шарнирных соединений. В результате обеспечивается упрощение конструкции и управления манипулятором, а также повышение его точности и надежности. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к платформенным манипуляторам параллельной структуры с увеличенным числом степеней свободы и может найти применение в автоматических линиях для сборки узлов и монтаж агрегатов в стыковочных устройствах космических аппаратов, а также в технологиях, где требуется самоустановка рабочего органа.

Известен платформенный манипулятор с тремя степенями свободы движения рабочего органа, содержащий опорное основание, шарнирно соединенное через три многозвенных параллелограммных механизма с подвижной платформой рабочего органа — аналог (Gavel, В. 1990. United States Patent No. 4,975, 582).

Недостатками известного платформенного манипулятора являются:

1. Сложная конструкция манипулятора содержит большое количество кинематических пар для подвижного соединения множества звеньев.

2. Ограниченная рабочая зона из-за всего трех степеней свободы рабочего органа на выходе манипулятора.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является платформенный стыковочный манипулятор в виде платформы Стюарта, применяемый в качестве стыковочного устройства космических аппаратов, содержащий опорное основание и подвижную платформу, шарнирно соединенные между собой посредством установленных между ними шести стержневых подвижных опор и 12 сложных сферических шарниров, образующих замкнутую кинематическую цепь с 6 приводными двигателями — прототип (книга Вульфсон И. И. и др. «Механика машин», М: Высшая школа, 1996. С. 28, рис. 1. 20 со схемой «Платформа Стюарта»).

Недостатками указанного платформенного стыковочного манипулятора являются:

1. Сложная конструкция из-за большого количества приводных двигателей, подвижных звеньев и 12 сложных сферических шарниров с высокой трудоемкостью их изготовления и сборки (из-за необходимости пересечения в одной точке всех осей внутренних и внешних сферических поверхностей).

2. Сложная система управления, требующая одновременной зависимой кинематики всех шести приводных двигателей для реализации перемещения рабочего органа в каждом заданном направлении движения.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции, снижении трудоемкости изготовления и сборки, а также упрощении системы управления за счет раздельной кинематики приводных двигателей при реализации перемещения рабочего органа в заданном направлении движения.

Получение технического результата достигается за счет того, что в предлагаемом платформенном стыковочном VIP-манипуляторе, содержащем опорное основание, подвижную платформу и установленные между ними стержневые подвижные опоры в составе замкнутой многоконтурной кинематической цепи, опорное основание и подвижная платформа выполнены в виде двух четырехугольников, вершины которых попарно соединены четырьмя приводными стержневыми подвижными опорами посредством крестовин с перпендикулярно расположенными между собой вращательными кинематическими парами, а манипулятор снабжен дополнительным механизмом самоустанавливающейся трехшарнирной платформы, которая кинематически связана с подвижной платформой через три промежуточные стержневые подвижные опоры и шарнирные соединения.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и фиг. 5.

На фиг. 1 изображен общий вид платформенного стыковочного VIP-манипулятора, содержащего опорное основание 1 и подвижную платформу 2, выполненных в виде двух четырехзвенников ABCD и EGNM, вершины которых попарно соединены между собой в замкнутую цепь четырьмя приводными стержневыми подвижными опорами 3, 4, 5 и 6 посредством крестовин 7 с перпендикулярно расположенными между собой вращательными кинематическими парами 8 и 9, а манипулятор снабжен дополнительным механизмом самоустанавливающейся трехшарнирной платформой 10, которая кинематически связана с подвижной платформой 2 через три промежуточные стержневые подвижные опоры 11, 12, 13 и шарнирные соединения, например, в виде вращательных кинематических пар с параллельными между собой осями углового поворота. Приводные стержневыми подвижные опоры 3, 4, 5 и 6 снабжены линейными двигателями, выполненными, например, в виде подвижных приводных гидроцилиндров 14, 15, 16 и 17.

На фиг. 2 представлен вариант симметричной сборки звеньев механизма самоустанавливающейся платформы 10 с параллельными осями вращательных кинематических пар.

На фиг. 3 представлен вариант симметричной сборки платформенного стыковочного манипулятора с установкой промежуточных стержневых опор 11, 12 и 13 самоустанавливающейся платформы 10 параллельно друг другу в горизонтальной плоскости при их сборке с подвижной платформой 2.

На фиг. 4 представлен вариант симметричной сборки звеньев механизма самоустанавливающихся платформы 10 с расположением параллельных осей поворота всех шарниров в горизонтальной плоскости.

На фиг. 5 представлен вариант симметричной сборки звеньев механизма самоустанавливающей платформы 10 с применением двухподвижных кинематических соединенный, состоящих из шарниров с взаимно-перпендикулярными осями O₁O₂ и O₃O₄ их углового поворота.

На фиг. 6 представлен вариант симметричной сборки звеньев механизма самоустанавливающейся платформы 10 с выполнением шарнирного соединения между платформами 10 и 2 в виде попарно расположенных на каждой из трех промежуточных стержневых подвижных опор 11, 12, 13 в сочетании сферического шарнира 0₅, установленного на одном конце каждой опоры, и вращательной кинематической пары 0₆, установленной на другом конце каждой опоры.

Работа представленного платформенного стыковочного VIP-манипулятора заключается в следующем.

При раздельной подаче рабочей жидкости в каждый из приводных подвижных гидроцилиндров происходит управляемое изменение длины приводных подвижных стержневых опор 3 или 4 или 5 или 6, что обеспечивает раздельную кинематику движения подвижной платформы по каждой из четырех степеней свободы манипулятора, которая дополняется пятой степенью свободы рабочего органа (например, в виде стыковочного узла) за счет плавающего перемещения самоустанавливающей платформы 10. В результаты этого необходимые пять степеней свободы перемещения рабочего органа манипулятора достигаются простым раздельным управлением только четырьмя линейными двигателями 14, 15, 16 и 17.

Достигаемый в предлагаемом платформенном стыковочном VIP-манипуляторе положительный эффект заключается в следующем:

1. Упрощается конструкция и упрощается система управления манипулятором с пятью степенями свободы за счет раздельной кинематики только четырех приводных двигателей.

2. Повышается точность и надежность стыковки собираемых в единый узел объектов за счет дополнительной плавающей степени свободы механизма самоустанавливающейся платформы, определяемой конфигурацией стыкуемых объектов.

1. Платформенный стыковочный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижную платформу, шарнирно соединенные между собой посредством установленных между ними стержневых подвижных опор, образующих с опорным основанием и подвижной платформой замкнутую многоконтурную кинематическую цепь, отличающийся тем, что он снабжен самоустанавливающейся трехшарнирной платформой, опорное основание и подвижная платформа выполнены в форме четырехугольников, вершины которых попарно соединены четырьмя приводными стержневыми подвижными опорами посредством крестовин с перпендикулярно расположенными вращательными кинематическими парами, а самоустанавливающаяся трехшарнирная платформа кинематически связана с подвижной платформой посредством трех промежуточных стержневых подвижных опор и шарнирных соединений.

2. Манипулятор по п.1, отличающийся тем, что шарнирные соединения выполнены в виде вращательных кинематических пар с параллельными осями углового поворота.

3. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные стержневые подвижные опоры самоустанавливающейся платформы выполнены одинаковой длины и установлены параллельно друг другу в одном направлении с образованием с самоустанавливающейся платформой сдвоенного шарнирного параллелограмма.

4. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные стержневые подвижные опоры самоустанавливающейся платформы установлены параллельно друг другу в горизонтальной плоскости в сборке с подвижной платформой манипулятора.

5. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирные соединения выполнены в виде двухподвижных кинематических соединений, состоящих из шарниров с взаимно-перпендикулярными осями их углового поворота.

6. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что шарнирные соединения выполнены в виде сферического шарнира, расположенного на одном конце каждой из промежуточных стержневых подвижных опор, и вращательной кинематической пары, расположенной на другом конце каждой из промежуточных стержневых подвижных опор.

7. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что промежуточные стержневые подвижные опоры выполнены в виде изогнутых гибких пластин, шарнирно соединенных по концам с самоустанавливающейся платформой с одной стороны и с подвижной платформой с другой стороны.

8. Манипулятор по п. 1, отличающийся тем, что приводные стержневые подвижные опоры снабжены линейными двигателями, например, в виде подвижных приводных гидроцилиндров.

Конструкция и принцип действия крана-манипулятора

Краны-манипуляторы на автомобильном шасси часто используются для перемещения грузов. Во многих случаях эти грузы имеют значительную массу, воздействующую со значительной силой на различные части крана. Узнайте, как с помощью моделирования можно определить влияние этих сил и оптимизировать работу крана.

Мобильность и грузоподъемность

Конструкция кранов позволяет поднимать и опускать грузы, слишком тяжелые для человека. Во многих областях применения этих машин — от строительства до обслуживания линий электропередач — полезным преимуществом также является мобильность. Краны-манипуляторы можно легко передвигать в различных направлениях, а также перевозить по автомобильным дорогам, что позволяет избежать затрат на дополнительное транспортное оборудование.

Пример крана-манипулятора («Кран-манипулятор Palfinger (Австрия). Конструкция из бетона (сделана в Германии) представляет собой небольшую установку для очистки сточных вод для дома с четырьмя и менее жильцами». Автор: TM — собственная работа. По лицензии Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Germany из Wikimedia Commons.)

Краны подобного типа оснащаются несколькими гидравлическими цилиндрами, управляющими перемещением манипулятора, а также множеством других механизмов. При перемещении тяжелых грузов на компоненты крана воздействуют значительные силы. Используя моделирование, мы сможем исследовать воздействие этих сил на кран во время его работы и определить способы улучшения его эксплуатационных характеристик путем оптимизации конструкции.

Исследование твердого тела на примере крана-манипулятора

Модель крана-манипулятора исследует силы, действующие на цилиндры и шарнирные соединения крана при его эксплуатации, используя возможности модулей Динамика многотельных систем и Механика конструкций. Импортированная из модели CAD геометрия крана состоит из 14 частей, передвигающихся относительно друг друга.

Геометрия крана-манипулятора.

На рисунке ниже представлен более подробный обзор рычажных механизмов крана. После рисунка приводится таблица, содержащая описание отдельных компонентов.

В данном примере к крану приложены две нагрузки: собственный вес, направленный в отрицательном направлении по оси z, и полезная нагрузка в 1000 кг, приложенная к его оконечности. Рабочий цикл включает поднятие груза из удаленного положения и его перемещение под стрелу крана. Сначала груз перемещается вверх, а затем — по направлению к крану. График ниже изображает траекторию оконечности крана в течение рабочего цикла.

Траектория оконечности крана в течение рабочего цикла.

Фактически кран управляется посредством изменения длины трех цилиндров: цилиндра внутренней секции стрелы, цилиндра внешней секции стрелы и цилиндров телескопического механизма. Цилиндр внутренней секции стрелы обеспечивает ее поднятие, цилиндр внешней секции стрелы регулирует величину угла между внутренней и внешней секциями, а цилиндры телескопического механизма регулируют вылет стрелы. Поскольку это более удобно, в данном случае в качестве параметров используются углы наклона секций стрелы, а не длины цилиндров.

Результаты

На изображении ниже представлено 9-е ^{положение рабочего цикла, в котором угол между внутренней секцией стрелы и горизонталью составляет 45°, угол между внутренней и внешней секциями стрелы составляет –30°, общий вылет составляет 1,5 м.}

Кран в 9-м ^{положении рабочего цикла. Цветом обозначено общее смещение компонентов крана.}

Теперь рассмотрим воздействие нагрузок на различные части крана. На каждом из представленных ниже графиков номер решения соответствует положению крана. В первоначальном положении кран поднимает груз с помощью удлиненной стрелы, а затем, в решении, соответствующем последнему положению, опускает груз рядом с собой.

Начнем с сил, воздействующих на цилиндры, управляющие положением стрелы. В данном случае силы сжатия имеют положительное направление. Когда перемещаемый груз расположен далеко от основания крана, силы, воздействующие на цилиндры, будут больше по величине, как и можно было предположить. Наибольшая величина силы во время рабочего цикла определяет требуемые характеристики цилиндра.

Силы, воздействующие на цилиндры, управляющие положением стрелы.

На следующем графике показаны силы, воздействующие на цилиндры телескопического механизма. Как и в предыдущем примере, сила сжатия имеет положительное направление. Цилиндры внутренней секции рассчитаны на более высокие нагрузки, поскольку им необходимо перемещать вес телескопических сегментов на большее расстояние.

Силы, воздействующие на цилиндры телескопического механизма.

И наконец, мы можем наблюдать силы, действующие на шарниры между основными частями крана. Этот же способ может использоваться для исследования сил, воздействующих на соединения между любыми частями крана. Представленные ниже результаты полезны для определения конструкционных размеров подобных компонентов.

Силы, воздействующие на шарниры.

Выделение определенного механизма в системе

Теперь мы можем использовать модуль Оптимизация для улучшения характеристик рычажного механизма крана. Для этого можно использовать модель Optimization of a Crane Link Mechanism (Оптимизация рычажного механизма крана), которая является продолжением модели Truck Mounted Crane (Кран-манипулятор). В этом случае основное внимание уделяется снижению усилия на цилиндре, необходимого для перемещения определенного груза в условиях наихудшего сценария цикла нагрузки.

Подробное описание рычажных механизмов автокрана.

Таблица ниже содержит наименования всех используемых в модели компонентов, а также их цветовые обозначения.

Поскольку данный пример предназначен для испытания конструкции в условиях наихудшего сценария, рабочий цикл выбирается таким образом, чтобы рычажный механизм испытывал максимально возможную нагрузку. Для этого внутренняя секция стрелы поднимается в крайнее верхнее положение, телескопические элементы выдвигаются на максимальную длину, а угол внешней секции стрелы выбирается таким образом, чтобы обеспечить максимальное удаление оконечности крана. При этом используются нагрузки из исходной модели.

В рамках решения данной задачи оптимизации можно изменять положения трех осей. Первая ось соединяет первый рычаг с основанием, вторая — второй рычаг со стрелой, третья — два рычага с поршнем гидравлического цилиндра.

Сравнение конструкций

Теперь сравним наши результаты. На первом графике показано изменение усилия на цилиндре во время рабочего цикла. В данном случае мы сравниваем его максимальное значение в течение рабочего цикла для определения грузоподъемности цилиндра.

По сравнению с исходной конструкцией оптимизированный вариант позволил снизить максимальное усилие с 597 кН до 413 кН, что составляет 31% — значительное улучшение! Это позволяет увеличить допустимую нагрузку; кроме того, снижение усилия облегчает выполнение критериев по напряжению для рычажного механизма.

Сравнение усилия на цилиндре в исходном и оптимизированном вариантах конструкции.

На втором графике представлены y- и z-компоненты, а также величина силы, воздействующей на ось, образующую шарнир между основанием и стрелой. Как видно из представленных ниже результатов, результирующая сила в исходной конструкции выше, чем в оптимизированном варианте.

Силы, действующие на ось, в оптимизированном и исходном вариантах конструкции.

Выводы и загрузка модели

В состав пакета COMSOL Multiphysics версии 5.0 мы включили две новые модели, предназначенные для исследования взаимодействий между различными компонентами крана-манипулятора и оценки роли методов оптимизации в улучшении их эксплуатационных характеристик. Данные примеры иллюстрируют возможности моделирования в части исследования воздействия нагрузок на подобные сложные механические системы, а также то, как полученные знания позволяют улучшить их конструкцию.

Загрузить модель можно здесь:

• Автомобильный кран-манипулятор
• Оптимизация рычажного механизма крана

Кстати, в настоящий момент мы разрабатываем приложение на основе данной модели. Оставайтесь с нами.

Проектирование и исследование приводных шарнирных соединений систем гидроманипуляций мобильных транспортно-технологических машин

26 марта 2018 г.

Журнальная статья

Открытый доступ

Лагерев А.В.;

Лагерев И.А.

В статье представлены конструкция и принцип действия нового типа шарнирного соединения смежных звеньев манипуляционных систем мобильных транспортно-технологических машин – приводных шарнирных соединений, обеспечивающих вращательное относительное перемещение звеньев. Их конструкция позволяет совместить функцию обеспечения непрерывности кинематической цепи и функцию обеспечения вращательного движения смежных узлов и без применения дополнительных внешних устройств. Конструкция устройства защищена патентом Российской Федерации. Приводные шарнирные соединения являются альтернативой традиционным конструкциям шарнирных соединений с внешним силовым гидроприводом. Разработана математическая оптимизационная модель. Модель основана на минимизации массы приводных шарнирных соединений при выполнении необходимых конструктивных, монтажных, эксплуатационных и прочностных ограничений. На основе этой математической модели предложен метод автоматизированного проектирования приводов шарнирных соединений, который реализован в программе для ЭВМ. Проведено исследование влияния основных технических характеристик и величины эксплуатационной нагрузки при оптимальной массе и оптимальных конструктивных размерах приводных шарнирных соединений. Показано, что при равных грузо-высотных характеристиках автокрана-манипулятора приводной шарнир позволяет исключить ряд эксплуатационных недостатков традиционного шарнира: 1) развитие во времени дополнительной динамической нагрузки на металл из-за увеличенных зазоров в связи; 2) уменьшение объема рабочей зоны крана за счет наличия внешнего питания гидроприводов; 3) появление трещин вследствие усталостного разрушения элементов узла крепления гидроприводов к звеньям манипуляторной системы. Возможен перевод гидросистемы на более низкое рабочее давление, что повышает КПД крана и КПД гидропривода в целом, а также снижение эксплуатационных затрат на техническое обслуживание.

Предварительный просмотр

Файлы

(1,6 МБ)

Цитаты

Индексировано в

Дата публикации:

26 марта 2018 г.

DOI:

Ключевое слово(я):

система манипулирования

гидравлический кран

мобильная машина

приводной шарнир

оптимальный дизайн

целевая функция

минимальный вес

системные ограничения

Опубликовано в:

Научно-технический вестник Брянского государственного университета: 4 с. 14-30 (1).

Лицензия (для файлов):

Creative Commons Attribution Share Alike 4.0 International

Поделиться

Указать как

Экспорт

• BibTeX
• CSL
• DataCite
• Дублинское ядро ​​
• DCAT
• JSON
• JSON-LD
• GeoJSON
• MARCXML
• Менделей

Микроманипуляторы, модели 1760, 1760-61

Микроманипуляторы Kopf разработаны и изготовлены для обеспечения новых стандартов точности в микропозиционировании. Никакие другие манипуляторы в стереотаксической области не могут сравниться с их производительностью или надежностью.

При производстве соблюдаются очень жесткие допуски, все направляющие типа «ласточкин хвост» прецизионно отшлифованы. Это, наряду с беззазорными приводными винтами и огромной массой манипуляторов, обеспечивает наиболее точное размещение электродов, а также степень повторяемости, которую невозможно найти ни в одном другом манипуляторе.

Надежные замки предусмотрены для всех шарнирных поверхностей, за исключением винтовых вертикальных и боковых салазок. На конце боковой направляющей имеется прецизионный V-образный паз и фиксирующая резьба, к которым можно быстро и легко прикрепить держатели электродов и вспомогательное оборудование.

Микроманипулятор Модель 1760

Регулировка манипулятора по осям X, Z – Метрическая нониусная шкала, ход 80 мм. Калиброванный циферблат – шаг 10 микрон, ход 1,0 мм на оборот.
Регулировка Y манипулятора – Ручная регулировка 100 мм в каждую сторону от нуля (A/P бар) Шкала нониуса 0,1 мм.
Регулировка угла – Полностью универсальный шарнир, калиброванный в двух плоскостях для доступа под любым углом. Штифт для вертикального выравнивания можно снять для установки под углом от 0° до 90° в любую сторону от вертикали с шагом 2°. Поворотная конструкция манипулятора была улучшена с механизмом блокировки для внеплановых презентаций. Точный фиксирующий механизм с Т-образным болтом гарантирует, что угол манипулятора надежно удерживается на месте, обеспечивая представление положительного угла.
Регулировка поворота – Поворотное основание манипулятора можно поворачивать на 360°. Ось X/Z манипулятора можно перемещать с шагом 90°.

Модель 1760-61 Микроманипулятор с точной регулировкой A/P-ползуна в сборе

включает в себя все характеристики, перечисленные выше, с дополнительной функцией привинчиваемой A/P-плоскости для высокого разрешения.

Регулировка Y манипулятора – Метрическая шкала, ход 25 мм. Калиброванный циферблат — шаг 10 микрон, ход 1,0  мм на оборот.
Ручная регулировка – 100 мм с каждой стороны от нуля (A/P бар) Шкала нониуса 0,1 мм.

Standard Accessories

Model 1760 Micro Manipulator includes:
Model 1770 Standard Electrode Holder with corner clamp
Model 1760-61 Micro Manipulator includes:
Model 1778 Electrode Holder with corner clamp
Модели 1760 и 1760-61 предназначены для использования с внутриклеточной рамкой модели 1730.