CZ2018681A3

CZ2018681A3 - Vyvažovací systém robotického ramene manipulátoru

Info

Publication number: CZ2018681A3
Application number: CZ2018-681A
Authority: CZ
Inventors: Leoš Beran; Václav Záda; Tomáš Petr; Josef Břoušek
Original assignee: Technická univerzita v Liberci
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-06-10
Also published as: CZ308349B6

Abstract

Vyvažovací systém robotického ramene manipulátoru, s alespoň jedním protizávažím (M) situovaným na rameni (A4) protizávaží nad základnou (S), kde rameno (A4) protizávaží je upevněno na stojině, procházející hlavním prvním kloubem (J1) robotického ramene a napojeným přes první rameno (A1) a druhý kloub (J2) na řadu navazujících ramen, vzájemně vázaných přes odpovídající klouby robotického ramene. Protizávaží (M) má dva stupně volnosti pro lineární pohyb závaží (M) na rameni (A4) protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží (M) okolo svislé osy rotace hlavního prvního kloubu (J1). Alternativně protizávaží (M) má dva stupně volnosti pro lineární pohyb závaží (M) závaží na rameni (A4) protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží (M) vůči základně (S) přes kloub (JM) rotačního pohybu protizávaží (M).

Description

Vyvažovači systém robotického ramene manipulátoru

Oblast techniky

Vynález se týká vyvažovacího systému robotického ramene manipulátoru, průběžného vyvažování robotického ramene, které může měnit svou konfiguraci natáčením jednotlivých kloubů.

Dosavadní stav techniky

Vyvažovači systémy se používají zejména u jeřábových sestav. Dále se používají systémy pružin a závaží u velkých průmyslových robotů. Oba systémy mají ve většině případů jednu hlavní osu rotace, díky které mohou břemenem, resp. pracovním nástrojem pohybovat v prostoru. Pokud by nebyl systém vyvážený, docházelo by k nadměrnému zatížení nosné konstrukce. Dimenzování takto konstruovaných strojů by bylo velmi těžké a rozměrné.

U jeřábů je systém vyvažování velice jednoduchý. Podle nosnosti jeřábu je zvoleno závaží na opačné straně ramene. Závaží a břemeno se nachází vždy na jedné přímce s hlavní osou rotace jeřábu. Tento systém byl popsán například v patentových dokumentech US 6568547 Bl, US 4494906. Podobný systém byl popsán u povrchových těžebních strojů, například v patentové přihlášce CZ 1980-316. U průmyslových robotů se v drtivé většině případů používá mechanicky předimenzovaná základna včetně nosných členů, které jsou schopny přenést momenty do základny s předepsanou nosností robota. Vzhledem k tomuto konstrukčnímu uspořádání je zatížení robotů v poměru k jejich hmotnosti velmi malé, protizávaží se u robotů používá velmi zřídka.

V průmyslových aplikacích se využívá také speciální kinematická struktura nazývaná SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) struktura. Tato struktura je prioritně využívána v oblastech, kde převážná většina pohybu se děje v horizontální rovině. Pouze koncová technologická hlavice se pohybuje ve vertikální ose, čímž dochází k minimalizaci změn potenciální energie. Pohyb v horizontální rovině je zajišťován dvěma rotačně uloženými členy, takže pohony těchto dvou členů nejsou namáhány staticky, jako je tomu u robotů popsaných výše. Např. u kloubové struktury, má-li se rameno natáhnout, musí dojít k pootočení druhého a třetího kloubu, což vede ke změnám potenciálních energií příslušných článků robotu, které jsou poměrně hmotné. Navíc i při zastavení jsou pohony a převody těchto dvou členů trvale zatížené. U SCARA struktury tomu tak není. Proto je struktura využívána nejen v elektrotechnickém průmyslu při výrobě plošných spojů, ale i v oblastech, kde je nutno pracovat s velmi těžkými předměty (přenášení a ukládání motorů nákladních automobilů apod.). V tomto smyslu se SCARA struktura svou nosností blíží klasické kartézské struktuře, její výhodou je však výrazně nižší hmotnost. Pokud se systém rozšíří o další člen, získá se robot s lepší manipulovatelností v prostoru. Jsou-li všechny členy v jedné ose, lze konfiguraci připodobnit k jeřábu. V uvedeném případě může nosné rameno měnit svoji polohu vůči hlavní ose rotace v dalších dvou kloubech. Kvůli tomu se mění i těžiště ramene. Tento problém není možné vyřešit protizávažím, které se pohybuje pouze lineárně vůči hlavní ose rotace celého manipulátoru. Pn velkých rozměrech takového manipulátoru by docházelo k nadměrnému zatížení strojní konstrukce vlastního rotačního uložení.

Cílem předloženého řešení podle vynálezu je aktivní vyvážení účinků klopících momentů v místě uložení hlavní osy rotace v různých vzdálenostech břemene (např. tiskové hlavy) od této osy a díky posunu protizávaží tohoto systému vyrovnání obou klopících momentů (klopící moment od břemene a od protizávaží) a tedy dimenzování konstrukce středového sloupu v místě osy otáčení na nižší zatížení a k následným ekonomickým úsporám při výrobě i při následných aplikacích lehčího stroje. Dalším cílem je menší potřebný prostor pro manipulaci a s ohledem na možnost

- 1 CZ 2018 - 681 A3 zmenšení vyvažovacího ramene s protizávažím umožnění většího rozsahu pohybu robota v omezených prostorách, ve kterých se během postupného tisku budov musí velmi často robot pohybovat. Konečně cílem vynálezu s ohledem na možnost posuvu vyvažovacího ramene je použití protizávaží s nižší hmotností oproti klasickému jeřábovému systému vyvažování a snížení přepravní hmotnosti.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je vyvažovači systém robotického ramene manipulátoru, s alespoň jedním protizávažím situovaným na rameni protizávaží nad základnou, které je upevněno na stojině procházející hlavním prvním kloubem robotického ramene, který je napojený přes první rameno a druhý kloub na řadu navazujících ramen, vzájemně vázaných přes odpovídající klouby nejméně jednoho robotického ramene.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že protizávaží má dva stupně volnosti pro lineární pohyb závaží na rameni protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží okolo svislé osy rotace hlavního prvního kloubu.

Alternativně má protizávaží dva stupně volnosti pro lineární pohyb závaží na rameni protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží vůči základně přes kloub rotačního pohybu protizávaží.

Ramena s klouby a/nebo protizávaží jsou s výhodou celkem tři. Rameno protizávaží je s výhodou opatřeno lineárním servopohonem pro řízené změny polohy protizávaží v radiálním směru vůči hlavnímu prvnímu kloubu.

Rameno protizávaží může být s výhodou alternativně opatřeno rotačním servopohonem s pastorkem a ozubeným hřebenem pro řízené změny polohy protizávaží rotačně a posuvně lineárně vůči hlavnímu prvnímu kloubu, se změnou velikosti vyvažovači síly systému v závislosti na natočení ramene protizávaží vůči základně.

Průběžné vyvažování robotického ramene může měnit svou konfiguraci natáčením jednotlivých kloubů, vyvažovači protizávaží aktuálně mění svou polohu tak, aby jeho těžiště bylo na opačné poloose, než je poloosa tvořená první osou rotace robotu a výsledným těžištěm ramene robotu.

Cíle vynálezu je takto dosaženo pomocí protizávaží, které má dva stupně volnosti. Závaží se může pohybovat lineárně v kolmém směru na hlavní osu rotace prvního kloubu, zároveň je možné závaží rotačně polohovat kolem této hlavní osy rotace manipulátoru. Tento systém polohování protizávaží dovoluje nalézt optimální polohu vůči aktuální konfiguraci nosného ramene tak, aby silové účinky v místě uložení hlavní rotace byly minimální. Díky tomu lze celou konstrukci manipulátoru odlehčit.

Objasněni výkresů

Příkladné provedení vyvažovacího systému podle tohoto vynálezu ukazují připojené obrázky 1 až 5b. Na obr. 1 až 4 jsou zobrazeny různé konfigurace nastavení ramen robotického manipulátoru, který odpovídá natočení a posun protizávaží na rameni protizávaží, tak, aby byly minimalizovány radiální síly v ose hlavního prvního kloubu systému. Na obr. 5a a 5b jsou vyobrazeny dvě různá provedení pro manipulaci s protizávažím.

-2CZ 2018 - 681 A3

Příklady uskutečněni vynálezu

Předložené řešení je určeno pro zařízení rotující kolem hlavní osy rotace prvního kloubu J4. Na jedné straně jsou osy kloubů J1.-J3 a ramena A1-A3. která mohou zaujímat v rovině X, Y různé polohy vůči ose prvního kloubu J4. Na protilehlé straně se nachází rameno A4 protizávaží, na kterém je umístěno protizávaží M, které se může pohybovat rotačně a translačně vůči ose prvního kloubu Jl_. Na obr. 1 až 4 jsou zobrazeny různé konfigurace nastavení ramen A1-A3. Těmto konfiguracím odpovídá natočení a posun závaží na rameni A4 protizávaží tak, aby byly minimalizovány radiální síly v ose prvního kloubu Π.

Obecně lze systém definovat jako sestavu posloupnosti ramen a kloubů. Stejně i vyvažovači systém by se mohl skládat z více ramenného systému s více závažími. Takový systém by byl ale velmi náročný na řízení.

Na obrázku 5a a 5b jsou vyobrazena dvě různá provedení pro manipulaci se závažím. První řešení na obr. 5a využívá k polohování protizávaží M v radiálním směru na osu prvního kloubu JI lineární pohon. Protizávaží M nemění vůči ose prvního kloubu JI svoji výšku a působí vždy na stejném rameni vůči ose prvního kloubu Jl_.

Druhé řešení podle obr. 5b využívá k polohování protizávaží M v radiálním směru na osu prvního kloubu JI rotační pohyb kolem osy JM rotačního pohybu protizávaží. Pomocí rotace se protizávaží M pohybuje lineárně vůči ose prvního kloubu Π, situovaného na stojině nad základnou S. Tím je dosaženo podobného efektu jako v prvním případě. U řešení na obr. 5b dochází zároveň ke změně velikosti vyvažovači síly v závislosti na natočení ramene A4 protizávaží vůči základně S.

Systém vyvažování je navržen jako elektro - mechanický. Skládá se z rotačního a lineárního servopohonu (druhý pohon může být též rotační s pastorkem a ozubeným hřebenem). Řídicí systém na základě aktuálního natočení kloubů nosného ramene vypočítá v každém časovém okamžiku optimální polohu vyvažovacího systému. Pohyb ramene a vyvažovacího systému jev čase spojitý, aby nedocházelo k buzení vibrací celého mechanického uspořádání. Obecně lze použít k polohování všech částí navrženého systému i jiné typy pohonů např. hydraulické nebo pneumatické.

Pokud by byl systém manipulátoru velmi rozměrný, s délkou ramene např. 20 m, je vhodné volit pro manipulaci se závažím hydraulické servomotory. U menších sestav je naopak výhodnější volit elektrické pohony, které nevyžadují další zdroj energie, kterým je u hydraulických systémů hydraulický agregát. Olej může v některých aplikacích být překážkou k použití.

Celkový počet robotických ramen rozšířené SCARA struktury není omezen. Obecně je možné strukturu rozšiřovat dle potřeb aplikace. S rostoucím počtem členů nosného ramene však roste složitost řídicích algoritmů, na to je třeba brát zřetel při návrhu systému.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Vyvažovači systém robotického ramene manipulátoru, s alespoň jedním protizávažím (M) situovaným na rameni (A4) protizávaží nad základnou (S) upevněném na stojině, procházející hlavním prvním kloubem (JI) robotického ramene, který je napojený přes první rameno (Al) a druhý kloub (J2) na řadu navazujících ramen, vzájemně vázaných přes odpovídající klouby nejméně jednoho robotického ramene, vyznačující se tím, že protizávaží (M) má dva stupně

-3CZ 2018 - 681 A3 volnosti pro lineární pohyb závaží (M) na rameni (A4) protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží (M) okolo svislé osy rotace hlavního prvního kloubu (JI).
2. Vyvažovači systém robotického ramene manipulátoru, s alespoň jedním protizávažím (M) situovaným na rameni (A4) protizávaží nad základnou (S) upevněném na stojině, procházející hlavním prvním kloubem (JI) robotického ramene, který je napojený přes první rameno (Al) a druhý kloub (J2) na řadu navazujících ramen, vzájemně vázaných přes odpovídající klouby nejméně jednoho robotického ramene, vyznačující se tím, že protizávaží (M) má dva stupně volnosti pro lineární pohyb závaží (M) závaží na rameni (A4) protizávaží a zároveň pro rotační pohyb závaží (M) vůči základně (S) přes kloub (JM) rotačního pohybu protizávaží (M).
3. Vyvažovači systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že ramena s klouby nebo protizávaží jsou tři.
4. Vyvažovači systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že rameno (A4) protizávaží je opatřeno lineárním servopohonem pro řízené změny polohy protizávaží (M) v radiálním směru vůči hlavnímu prvnímu kloubu (JI).
5. Vyvažovači systém podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že rameno (A4) protizávaží je opatřeno rotačním servopohonem s pastorkem a ozubeným hřebenem pro řízené změny polohy protizávaží (M) rotačně a posuvně lineárně vůči hlavnímu prvnímu kloubu (JI), se změnou velikosti vyvažovači síly systému v závislosti na natočení ramene (A4) protizávaží vůči základně (S).