CZ2014550A3

CZ2014550A3 - Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa

Info

Publication number: CZ2014550A3
Application number: CZ2014-550A
Authority: CZ
Inventors: Michael Valášek; Jaroslav Štorkán
Original assignee: ÄŚVUT v Praze, Fakulta strojnĂ
Priority date: 2014-08-18
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-10-14
Also published as: EP3183098B1; EP3183098A1; CZ305471B6; WO2016026471A1

Abstract

Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa (1) spojeného s rámem (5) sférickým kloubem (2) uspořádaným na stopce spojující těleso (1) s rámem (5), přičemž stopka je dělená a sférický kloub (2) s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti je uspořádán mezi první částí (7) stopky, která je pevně uchycena k rámu (5), a druhou částí (8) stopky, která je pevně uchycena k tělesu (1), a prostřednictvím ovládacích ramen (3) s posuvnými pohony (4) uspořádanými na rámu (5), přičemž počet paralelních ramen (3) s posuvnými pohony (4) je tři a alespoň jedno rameno (3) je k posuvnému pohonu (4) připojeno rotačním kloubem (6), přičemž další rameno/a (3) je/jsou k posuvnému/ým pohonu/ům (4) připojeno/a sférickým kloubem (11).

Description

Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spojeného s rámem prostřednictvím sférického kloubu uspořádaného na stopce spojující těleso s rámem, přičemž stopka je dělená a sférický kloub s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti je uspořádán mezi první částí stopky, která je pevně uchycena k rámu a druhou částí stopky, která je pevně uchycena k tělesu, a prostřednictvím ovládacích ramen s posuvnými pohony uspořádanými na rámu.

Dosavadní stav techniky

Řízený sférický pohyb tělesa je důležitý v řadě aplikací, například pro naklápěcí hlavy obráběcích strojů nebo nastavování polohy teleskopů a antén. Takovýto pohyb je dnes realizován buď mechanismy se sériovou kinematickou strukturou většinou na bázi Cardanova závěsu j nebo mechanismy s paralelní kinematickou strukturou. Mechanismy se sériovou kinematickou strukturou mají velkou pohyblivost, tedy ve dvou rotacích rozsah 180 stupňů, ale jsou hmotné, jejich dynamické schopnosti jsou malé a ne ve všech polohách umožňují souvislý pohyb z jedné polohy do druhé. Naproti tomu mechanismy s paralelní kinematickou strukturou mají omezenou pohyblivost, tedy ve dvou rotacích rozsah obvykle menší než 90 stupňů, ale vykazují podstatně nižší hmotnost, mají větší dynamické schopnosti a ze všech poloh umožňují souvislý pohyb do následných poloh.

Naklápěcí hlavy obráběcích _t. stroj μ byly pojnocí, paralelních kinematických struktur úspěšně řešeny v patentu PCT WO 00/2^76 a ΕΡΓΠ23·175Β1)ρΓθ naklápěcí hlavu Sprint Z3 firmy DS Technologie (nazývané EcoSpeed), kde bylo dosaženo schopnosti souvislého přejezdu mezi všemi polohami se zvýšenou dynamikou. Singulární polohy nedovolují těmto mechanismům větší rozsah úhlů. Zlepšení tohoto stavu je možné dosáhnout použitím redundantního (nadbytečného) počtu ramen s pohony, jejichž počet je větší než počet stupňů volnosti. Takový mechanismus s paralelní kinematickou strukturou pro sférický pohyb je popsán v článku Kurtz, R., Hayward, V.: Multiple-Goal Kinematic Optimization of a Parallel Spherical Mechanism with Actuator Redundancy, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 8(1992), 5, pp. 644-651, kde je užito 4 paralelních ramen pro pohyb platformy uchycené vůči rámu sférickým kloubem na stopce vycházející z rámu. Toto řešení umožní ^2 -* značně zvýšit rozsah dosažitelných poloh úhlů, ale neumožňuje dosáhnout rozsah 90 a více stupňů, navíc při zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh. Toto omezení vzniká ze dvou důvodů. Jednak vznikají kolize mezi platformou a stopkou vycházející z rámu při krajních polohách blížících se 90 stupňům a jednak nadbytečný počet 4 paralelních ramen je svým uspořádáním nedostatečný pro dostatečný odstup od singulárních poloh v celém pracovním prostoru. Proto bylo navrženo řešení v patentu CZ 30^11, které odstraňuje předchozí nedostatky a dosahuje rozsah pohybu přes 90 stupňů. Toto řešení (nazývané HexaSphere) však potřebuje čtyři a více pohonů, obvykle šest pohonů.

Jiný mechanismus s paralelní kinematickou strukturou, který umožňuje dosáhnout rozsahu úhlů naklopení platformy 90 stupňů je Octapod (Valášek, M., Šiká, Z., Bauma, V., Vampola, T.: The Innovative Potential of Redundantly Actuated PKM, In: Neugebauer, R.: Proc, of Parallel Kinematice Seminar 2004, IWU FhG, Chemnitz 2004, pp. 365- 384) a Metrom (Schwaar, M., Jaehnert, T., Ihlenfeldt, S.: Mechatronic Design, Experimental Properte Analysis and Machining Strategie for a 5-Strut-PKM, In: Neugebauer, R.: Proc, of Parallel Kinematice Seminar 2002, IWU FhG, Chemnitz 2002, pp. 671-681 ). Nevýhodou Octapodu je, že ramena jsou umístěna kolem platformy ze všech stran. Nevýhodou Metromu je zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh.

Cílem tohoto vynálezu je zařízení pro řízený sférický pohyb těles na základě mechanismů s paralelní kinematickou strukturou, který by dosahoval pohyblivosti shodné s mechanismy se sériovou kinematickou strukturou, tedy ve dvou rotacích rozsah až 200 stupňů při zachování všech výhod mechanismů s paralelní kinematickou strukturou, přičemž by vyžadoval nižší počet pohonů oproti obdobným mechanismům. Dalším cílem tohoto vynálezu je současné docílení vyšší přesnosti nastavení poloh tělesa.

Podstata vynálezu

Podstata zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spojeného šrámem prostřednictvím sférického kloubu uspořádaného na stopce spojující těleso s rámem, přičemž stopka je dělená a sférický kloub s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti je uspořádán mezi první částí stopky, která je pevně uchycena k rámu a druhou částí stopky, která je pevně uchycena k tělesu, a prostřednictvím ovládacích ramen s posuvnými pohony uspořádanými na rámu, spočívá v tom, že počet paralelních ramen s posuvnými pohony je tři a alespoň jedno rameno je k posuvnému pohonu připojeno rotačním kloubem, přičemž další rameno/a je/jsou k posuvnému/ým pohonu/ům připojeno/a sférickým kloubem. Paralelní ramena jsou k posuvným pohonům připojena sférickými klouby s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti. Délka první části stopky připevněné k rámu je větší než vzdálenost okraje tělesa od místa uchycení druhé části stopky k tělesu. Osy posuvných pohonů jsou rovnoběžné.

- Ovládačů paralelní- ramena, jsou- spojena- stělesem-přes-sférickýkloub-že-ovládací paralelní ramena (3) jsou spojena s tělesem (1) přes sférický kloub (10) s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti spojenýnl s vnější stopkou (9) pevně spojenou s tělesem (1)___spojenýms-vnějšůstopkou-pevně spojenou-s-tělesem, přičemž jsou případně obloukovitá.

Spojnice středu sférického kloubu a středu sférického kloubu na rameni s rotačním kloubem je kolmá na osu rotačního kloubu.

Rovina kolmá na osu rotačního kloubu a procházející středem sférického kloubu na rameni s rotačním kloubem prochází případně mimo střed sférického kloubu.

Na tělese je upevněn nástroj, jehož osa je rovnoběžná s rovinou kolmou na osu rotačního kloubu a procházející středem sférického kloubu na rameni s rotačním kloubem, přičemž je kolmá na spojnici středu sférického kloubu stopky a středu sférického kloubu na rameni s rotačním kloubem.

První část stopky je alternativně opatřena pohonem pro změnu polohy sférického kloubu.

Výhoda tohoto zařízení spočívá ve vytvoření dělené stopky, která umožňuje natočení tělesa o 90 a více stupňů bez kolizí se stopkou, a v použití nízkého počtu ramen s pohony, přičemž i přes jejich nízký počet je umožněno odstranit výskyt singulárních poloh a zajistit od nich dostatečný odstup v celém pracovním prostoru tělesa.

/PřeMed-obf-ážk-ů-na-výkFeseeh-/

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněno zařízení pro sférický pohyb tělesa, kde obr.l znázorňuje schematicky základní uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí posuvných pohonů v paralelních ramenech, •4^ obr. 2 obr.3 obr.4 obr.5 i obr ,'6 obq7 obr;8 obr,9

S

Příklady/pfeveden/ vynálezu znázorňuje svislý průmět tělesa podle obr.l znázorňuje svislý průmět uspořádání tělesa s vyosenými rameny, znázorňuje svislý průmět uspořádání tělesa s rameny různé délky, znázorňuje schematicky základní uspořádání tělesa s nerovnoběžnými osami posuvných pohonů, znázorňuje uspořádání nástroje na tělese, znázorňuje možné alternativní uspořádání nástroje na tělese a znázorňuje schematicky alternativní uspořádání tvaru paralelního ramene, znázorňuje schematicky základní uspořádání tělesa s posuvným pohonem u stopky se sférickým kloubem.

Jak je patrné na obr. 1, platforma-těleso 1 je připojeno k rámu 5 prostřednictvím stopky, jejíž první část 7 je pevně spojena s rámem 5 a její druhá část 8 je pevně spojena s tělesem f. První část 7 stopky může případně tvořit jeden díl s rámem 5 a druhá část 8 jeden díl s tělesem L Obě části 7, 8 stopky jsou spolu spojeny sférickým kloubem 2, který umožňuje pohyb tělesa 1 vzhledem k rámu 5. Těleso 1 a rám 5 jsou spolu propojeny paralelními ovládacími rameny 3, které jsou opatřeny posuvnými pohony 4 pro posuvný pohyb ovládacích ramen 3. Tato paralelní ramena 3 mají konstantní délku. Jsou spojena s tělesem 1 sférickými klouby 10 na stopkách 9. Stopky 9 zabraňují kolizi mezi rameny 3 a tělesem f při pohybu. Jedno z ramen 3 je spojeno s posuvným pohonem 4 rotačním kloubem 6. Další dvě ramena 3 jsou spojena s posuvnými pohony 4 sférickými klouby 11. Změnou polohy posuvných pohonů 4 ve vedeních na rámu 5 a tím změnou polohy kloubů 11 a 6 ramen 3 je docilován řízený sférický pohyb tělesa 1. Sférický pohyb tělesa 1 je tvořen změnou dvou natočení tělesa které lze popsat azimutem a elevací. Posuvné pohony 4 jsou například realizovány jako vozíky na posuvném vedení upevněném na rámu 5 s posuvným pohonem tvořeným kuličkovým šroubem nebo lineárním elektrickým pohonem. Sférické klouby 2, JO, JI jsou tvořeny klouby s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti. Počet paralelních ramen 3 s pohony 4 je redundantní, což znamená, že počet pohonů paralelních ovládacích ramen 3 je tři a je větší než počet stupňů volnosti tělesa 1 dané dvěma natočeními. Tím jsou v pracovním prostoru sférického pohybu tělesa 1 vyloučeny singulární polohy.

.: < ·: t f « i

Použití dělené stopky složené z první a druhé části 7 a 8 umožňuje natočení tělesa 1 o více než 90°. Pro docílení takovéhoto natočení je délka první části 7 stopky připevněné k rámu 5 větší než vzdálenost okraje tělesa 1 od místa uchycení druhé části 8 stopky k tělesu 1. Délkou druhé části stopky 8 lze docílit různého rozsahu úhlu natočení tělesa 1 nad 90°. Podobnou funkci pro zabránění kolizí při vzájemném pohybu platformy-tělesa 1 a ramen 3 mají stopky 9.

Na obr. 2 je znázorněn svislý průmět zařízení ve směru os posuvných pohonů 4, pokud tyto osy jsou vzájemně rovnoběžné. Je zde zřejmá podmínka jednoho uspořádání, kdy spojnice středu sférického kloubu 2 a středu sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6 je kolmá na osu rotačního kloubu 6. To je dáno i tím, že osa rotačního kloubu 6 je kolmá na osu posuvného pohonu 4, pro posuv rotačního kloubu 6. Tato podmínka zaručuje, že sférický kloub 2 leží v rovině, ve které se pohybuje střed sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6. Potom těleso 1 se otáčí jednak kolem osy kolmé na tuto rovinu (tento rotační pohyb zajišťuje posuv posuvného pohonu 4 s rotačním kloubem 6) a jednak kolem osy tvořené spojnicí středu sférického kloubu 2 a středu sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6_X (tento rotační pohyb zajišťují posuvy posuvných pohonů 4 se sférickými klouby 11.

Na obr. 3 je znázorněn svislý průmět zařízení ve směru os posuvných pohonů 4, pokud tyto osy jsou vzájemně rovnoběžné. Je zde zřejmá podmínka uspořádání, kdy rovina p kolmá na osu rotačního kloubu 6 a procházející středem sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6 prochází mimo střed sférického kloubu 2. To je porušení podmínky znázorněné na obr. 2. Toto uspořádání může být výhodné pro zabránění kolizím a lepší pohyblivost.

Na obr. 4 je znázorněn svislý průmět zařízení ve směru os posuvných pohonů 4, pokud tyto osy jsou vzájemně rovnoběžné. Je zde zřejmá podmínka uspořádání, kdy poloha středů sférických kloubů 10 nemá shodnou vzdálenost od středu sférického kloubu 2, což je například dáno tím, že délky stopek 9 mají rozdílné délky nebo tvar platformy-tělesa 1 není kruhový. Dále je zde zřejmá podmínka uspořádání, kdy délka jednotlivých ramen 3 je různá. To je porušení podmínek znázorněných na obr. 2. Příslušné délky ramen 3 se sférickými klouby 11 jsou na obr. 4 větší než u ramene 3 s rotačním kloubem 6. To však může být i opačně a poměry délek mohou nabýt všech možných kombinací. Tato uspořádání mohou být výhodná pro zabránění kolizím a lepší pohyblivost.

^*6 *

Na obr. 5 je schematicky znázorněno uspořádání, kdy osy posuvných pohonů 4 jsou vzájemně nerovnoběžné. Pohony £ se pohybují na rámu v různých směrech. Tyto směry mohou být obecné nebo vykazovat i nějakou další symetrii, například ležet na kuželu nebo hyperboloidu. Toto nerovnoběžné uspořádání může být výhodné pro zabránění kolizím a lepší pohyblivost.

Na obr. 6 a na obr. 7 je schematicky znázorněno uspořádání nástroje 12 na tělese T Na obr. 6 je znázorněno splnění podmínky, kdy osa nástroje 12 neseného na platformě 1 je rovnoběžná s rovinou kolmou na osu rotačního kloubu 6 procházející středem sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6. A na obr. 7 je znázorněno splnění podmínky, kdy osa nástroje 12 neseného na platformě 1 je kolmá na spojnici středu sférického kloubu 2 a středu sférického kloubu 10 na rameni 3 s rotačním kloubem 6. Je zřejmé, že střed nástroje nemusí obecně procházet středem platformy-tělesa 1.

Na obr. 8 je znázorněno alternativní uspořádání paralelního ramene 3, které má zde tvar obloukovitý. Na shora uvedených obrázcích jsou paralelní ramena 3 přímočará. Tato ramena však mohou být obloukovitá pro zabránění kolizí, například kolize se sférickým kloubem 2, jak je patrné z obr. 8. Tím může být zvětšen pracovní prostor zařízení.

Na obr. 9 je znázorněn možný přídavný pohon 13 stopky sférického kloubu 2 na rámu. Pohon je uspořádán tak, že první část 7 stopky je opatřena pohonem 13 pro změnu polohy sférického kloubu 2. Příklad takové pohonu 13 může být posuvný pohon, který spolu s pohony 4 umožňuje výsun platformy-tělesa 1 z vedení daných posuvy pohonů 4. Může jít ale i o složitější pohony s více stupni volnosti, například ve všech posuvných osách x, y, z.

Velkou výhodou popisovaného uspořádání je, že je možný pohyb platformy-tělesa 1 ve dvou rotacích s rozsahem až 200 stupňů při zachování všech výhod mechanismů s paralelní kinematickou strukturou pomocí pouhých tří pohonů. Dosažená pohyblivost je velká a je dosaženo dostatečného odstupu od singulárních poloh v celém pracovním prostoru, což vede také k příznivému přenosu sil mezi nástrojem 12 a pohony 4 a ke zvýšení přesnosti polohování nástroje 12. To je velký pokrok oproti předchozím řešením, kdy buď bylo třeba pět až šest pohonů nebo pohyb nebyl možný v takovém velkém rozsahu i při čtyřech pohonech nebo byl velmi omezený při třech pohonech.

Uváděné varianty řešení se mohou vzájemně kombinovat. Pokud je uvedena rovnoběžnost nebo kolmost os nebo rovin, pak tato podmínka se realizuje výrobou zařízení a tato výrobní ' t <

realizace přesné podmínky rovnoběžnosti nebo kolmosti je vždy jen splněna v rámci výrobních tolerancí. Sférické klouby mohou být realizovány různým způsobem, například kulovým kloubem nebo více spojenými rotačními klouby. Poloha pohonů je řízena počítačem.

Claims

1. Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa (1) spojeného šrámem (5) prostřednictvím sférického kloubu (2) uspořádaného na stopce spojující těleso (1) šrámem (5), přičemž stopka je dělená a sférický kloub (2) s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti je uspořádán mezi první částí (7) stopky, která je pevně uchycena k rámu (5), a druhou částí (8) stopky, která je pevně uchycena k tělesu (1), a prostřednictvím ovládacích ramen (3) s posuvnými pohony (4) uspořádanými na rámu (5), vyznačené tím, že počet paralelních ramen (3) s posuvnými pohony (4) je tri a alespoň jedno rameno (3) je k posuvnému pohonu (4) připojeno rotačním kloubem (6), přičemž další rameno/a (3) je/jsou k posuvnému/ým pohonu/ům (4) pripojeno/a sférickým kloubem (11).

2. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle nároku 1, vyznačené tím, že paralelní ramena (3) jsou k posuvným pohonům (4) připojena sférickými klouby (11) s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti.

3. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že délka první části (7) stopky připevněné k rámu (5) je větší než vzdálenost okraje tělesa (1) od místa uchycení druhé části (8) stopky k tělesu (1).

4. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že ovládací paralelní ramena (3) jsou spojena s tělesem (1) přes sférický kloub (10) s alespoň dvěma rotačními stupni volnosti spojeným s vnější stopkou (9) pevně spojenou s tělesem (1).

5. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že alespoň jedno paralelní rameno (3) má obloukovitý tvar.

6. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že osy posuvných pohonů jsou rovnoběžné.

7. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že spojnice středu sférického kloubu (2) a středu sférického kloubu (10) na rameni (3) s rotačním kloubem (6) je kolmá na osu rotačního kloubu (6).

^9*·* :

8. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že rovina kolmá na osu rotačního kloubu (6) a procházející středem sférického kloubu (10) na rameni (3) s rotačním kloubem (6) prochází mimo střed sférického kloubu (2).

9. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že na tělese (1) je upevněn nástroj (12), jehož osa je rovnoběžná s rovinou kolmou na osu rotačního kloubu (6) a procházející středem sférického kloubu (10) na rameni (3) s rotačním kloubem (6), přičemž je kolmá na spojnici středu sférického kloubu (2) stopky a středu sférického kloubu (10) na rameni (3) s rotačním kloubem (6).

10. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že první část (7) stopky je opatřena pohonem (13) pro změnu polohy sférického kloubu (2).