ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 459, № 4, с. 428-431
= МЕХАНИКА =
УДК 621.01
МАНИПУЛЯЦИОННЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ И ИХ ПРИЛОЖЕНИЯ В СОВРЕМЕННОЙ ТЕХНИКЕ © 2014 г. Академик Р. Ф. Ганиев, В. А. Глазунов
Поступило 15.05.2014 г
БО1: 10.7868/$086956521434009Х
Механизмы параллельной структуры отличаются тем признаком, что выходное звено (рабочий орган) соединено с основанием несколькими кинематическими цепями. При этом имеет место подвижная ферменная конструкция [1, 2], отличающаяся повышенными показателями по нагрузочной способности и по точности в сравнении с консольными конструкциями манипуляторов, имеющих последовательное расположение звеньев. Кроме того, можно отметить простоту изготовления механизмов параллельной структуры, поскольку все кинематические цепи, как правило, имеют одинаковую архитектуру. К достоинствам таких устройств можно отнести также возможность установить двигатели на основании или наиболее близко к нему. Это снижает динамические нагрузки, повышает скорость движения.
Указанные качества позволяют говорить об уникальных возможностях устройств параллельной структуры. Поэтому несмотря на некоторые недостатки, связанные с уменьшением рабочего объема, наличием сингулярностей, данные механизмы могут найти широкое применение в качестве тренажеров, технологических и медицинских роботов, измерительных и испытательных устройств, манипуляторов для агрессивных сред.
В Институте машиноведения им. А.А. Благонра-вова РАН получен ряд серьезных результатов в указанной области. В частности, была проведена наиболее полная классификация этих объектов, разработаны методы их анализа и синтеза [3], исследованы динамические свойства устройств подобного рода [4, 5]. Приведем некоторые решения в области манипуляционных механизмов параллельной структуры, позволяющие эффективно решать важные технические проблемы.
Одной из серьезных проблем является манипулирование моделями аэрокосмических систем в аэродинамической трубе. Задача осложняется тем, что на модель может воздействовать поток
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской Академии наук, Москва
воздуха с усилием около 1.5 т, при этом нужно иметь шесть степеней свободы механизма и минимально затенять воздушный поток. Для решения поставленной задачи был синтезирован ряд схем [6, 7], отличительной особенностью которых является расположения всех приводов вне рабочей зоны (рис. 1). Подобные решения могут быть использованы в других технических приложениях, в частности при манипулировании в агрессивных средах (космос, океан).
Другой задачей, которую эффективно можно решить на основе механизмов параллельной структуры, является создание манипуляторов, предназначенных для технологических устройств производства электронной техники. Отличительной особенностью данной задачи является требование высокой точности при перемещении объекта; она должна была составлять 100 нм. Кроме того, нужно обеспечить отсутствие люфтов, поскольку механизм должен работать в вакууме, где возможно явление адгезии.
Для решения данной задачи предложены схемы манипуляционных механизмов параллельной структуры (рис. 2), в которых существует передаточное отношение между перемещениями в приводах и перемещениями выходного звена [8, 9]. Это передаточное отношение обеспечено за счет наличия рычага в каждой кинематической цепи, а также смещения центра сферической пары относительно центра вращательных пар. Иным способом организации передаточного отношения является использование ^-образной схемы в каждой кинематической цепи. Кроме того, каждая кинематическая пара выполнена в виде изгибно-го упругого элемента. Все это обеспечивает точность 0.1 мкм даже при наличии ручного привода. Такие устройства могут быть применены также для микрохирургии.
Важной задачей, вставшей перед исследователями в последние годы, является разработка хирургических манипуляторов для робот-асси-стированных операций. Широко известен робот Da Vinci, в котором каждая из четырех консолей представляет собой манипулятор с последова-
Рис. 1. Манипулятор для испытаний моделей летательных аппаратов в аэродинамической трубе.
Рис. 2. Механизм с изгибными упругими кинематическими парами для манипулирования в вакууме изделиями электронной техники.
тельным расположением звеньев. Такая архитектура приводит к тому, что механизм, перемещающий инструмент весом несколько грамм на расстояния 10—20 см, сам весит несколько десятков килограмм и занимает пространство в пределах 1 м. Перспективной альтернативой могли бы стать манипуляторы параллельной структуры [10, 11], в которых приводы установлены на основании (рис. 3).
Особенностью данного механизма является кинематическая развязка между степенями свободы, когда каждый линейный привод перемещает выходное звено по одной декартовой координате, а каждый вращательный привод вращает рабочий орган вокруг одной оси. Габариты и вес такого манипулятора могли быть в десятки раз меньше, чем у робота Da Vinci.
Механизмы параллельной структуры становятся основой для создания технологических роботов, металлообрабатывающих станков нового поколения. В данном случае желательно обеспечить во всей рабочей зоне постоянство жесткости и передаточных отношений между перемещениями в приводах и перемещениями рабочего органа (изоморфность). Данную проблему удается ре-
шить на основе развития схемы робота Izoglide [2]. Предложен ряд схем [12], обеспечивающих достаточно высокую жесткость при отсутствии вырожденных конфигураций и наличии изо-морфности (рис. 4).
Данные решения характеризуются тем, что в каждой из трех кинематических цепей содержится линейный двигатель, передающий движение рабо-
чему органу по одной декартовой координате. Это происходит за счет наличия трех шарниров с параллельными осями. Путем введения дополнительных звеньев в каждую кинематическую цепь жесткость может быть существенно повышена.
Изложенное позволяет утверждать, что механизмы параллельной структуры обладают уникальными свойствами, позволяющими эффективно решать широкий круг весьма разнообразных технических проблем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Merlet J.-P. Parallel Robots. L.: Kluwer Acad. Publ., 2000. 372 p.
2. Kong X., Gosselin C. Type Synthesis of Parallel Mechanisms. B.: Springer, 2007. 275 p.
3. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. Пространственные механизмы параллельной структуры. М.: Наука, 1991. 96 с.
4. Ганиев Р.Ф., Кононенко В.О. Колебания твердых тел. М.: Наука, 1976. 432 с.
5. Ганиев Р.Ф. Нелинейные резонансы и катастрофы. Надежность, безопасность и бесшумность. М.: На-уч.-издат. центр "Регулярная и хаотическая динамика", 2013. 592 с.
6. Борозна А.Г., Глазунов В.А., Жук В.П., Колискор А.Ш, Крайнев А.Ф. и др. Пространственный механизм с шестью степенями свободы. АС СССР № 1661528, МКИ В 25J 11/00 // Бюл. Изобр. 1991. № 25.
7. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф., Модель Б.И. Пространственный механизм с шестью степенями свободы. АС СССР № 1733774, МКИ F 16Н 21/10 // Бюл. Изобр. 1992. № 18.
8. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф., Вишнякова Т.Л., Коллеров Э.П. Пространственный механизм. АС СССР № 1703443. МКИ В 25J 1/00 // Бюл. Изобр. 1992. № 1.
9. Глазунов В.А., Крайнев А.Ф. Пространственный механизм. АС СССР № 1726232, МКИ В 25J 1/00 // Бюл. Изобр. 1992. № 14.
10. Глазунов В.А., Шалюхин К.А., Левин С.В. Пространственный механизм. Пат. РФ № 2412798 В 25 J 1/00 // Бюл. Изобр. 2011. № 6.
11. Глазунов В.А., Левин С.В., Календарев А.В., Лысогор-ский А.Е., Шалюхин К.А. Пространственный механизм. Пат. РФ № 125118 В 25 J 1/00 // Бюл. Изобр. 2012. № 6.
12. Ганиев Р.Ф., Касилов В.П., Глазунов В.А. Пространственный механизм. Пат. РФ № 132754. В 25J 9/00 // Бюл. Изобр. 2013. № 10.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.