CZ23772U1 - Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa - Google Patents

Description

Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spojeného s rámem sférickým kloubem uspořádaným na stopce spojující těleso s rámem a prostřednictvím ovládacích ra5 men s pohony.

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 nebo mění chánismy s paralelní kinematickou strukturou. Mechanismy se sériovou kinematickou strukturou mají velkou pohyblivost, tedy ve dvou rotacích rozsah 180°, 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°, ale vykazují podstatně nižší hmotnost, mají větší dynamické schopnosti a ze všech poloh umožňují souvislý pohyb do následných poloh.

Naklápěcí hlavy obráběcích strojů byly pomocí paralelních kinematických struktur úspěšně řešeny v PCT přihlášce vynálezu WO 00/25976 pro naklápěcí hlavu Sprint Z3 firmy DS Technologie, kde bylo dosaženo schopnosti souvislého přejezdu mezi všemi polohami se zvýšenou dynamikou. Singulární polohy nedovolují těmto mechanismům větší rozsah úhlů. Zlepšení tohoto stavuje 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 až 651, kde je užito 4 paralelních ramen pro pohyb platformy uchycené vůči rámu sférickým kloubem na stopce vycházející z rámu. Toto řešení umožní značně zvýšit rozsah dosažitelných poloh úhlů, ale neumožňuje dosáhnout rozsah 90° a více, navíc při zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh. Toto omezení vzniká ze dvou důvodů. Jednak vznikají kolize mezi platformou a stopkou vycházející z rámu pri krajních polohách blížících se 90° a jednak nadbytečný počet 4 paralelních ramen je nedostatečný pro dostatečný odstup od singulárních poloh v celém pracovním prostoru.

Z hlediska využití vlastnosti samokalibrace celého zařízení a zvýšené přesnosti jejího polohování na základě nadbytečného počtu měření spojeného s nadbytečným počtem ramen s pohony je použití čtyř paralelních rainen nedostatečné. Vlastnost samokalibrace je možná, ale její dosahovaná přesnost není velká.

Jiný mechanismus s paralelní kinematickou strukturou, kteiý umožňuje dosáhnout rozsahu úhlů naklopení platformy 90° je Octapod (Valášek, M., Šiká, Z., Bauma, V., Vampola, T.: The Innovative Potential of Redundantly Actuated PKM, In: Neugebauer, R.: Proč. of Parallel Kinematice Seminář 2004,1WU FhG, Chemnitz 2004, pp. 365 až 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.: Proč. of Parallel Kinematice Seminář 2002, IWU FhG, Chemnitz 2002, pp. 671 až 681). Nevýhodou Octapodu je, že ramena jsou umístěna kolem platformy ze všech stran. Nevýhodou Metromu je zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh.

Cílem tohoto technického řešení je zařízení pro řízený sférický pohyb těles na základě mechanis45 mů s paralelní kinematickou strukturou, který by dosahoval pohyblivosti shodné s mechanismy se sériovou kinematickou strukturou, tedy ve dvou rotacích rozsah až 200° při zachování všech výhod mechanismů s paralelní kinematickou strukturou. Dalším cílem tohoto technického řešení je současné docílení vyšší přesnosti nastavení poloh tělesa.

- 1 CZ 23772 Ul

Podstata technického řešení

Podstata zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spočívá v tom, že stopka spojující těleso s rámem je dělená a sférický kloub je uspořádán mezi pevnou stopkou, která je pevně uchycena k rámu a pohyblivou stopkou, která je pevně uchycena k tělesu, přičemž počet ovládacích ramen s pohony je vyšší než počet stupňů volnosti tělesa vůči rámu. S výhodou je počet ovládacích ramen s pohony alespoň pět a délka pevné stopky připevněné k rámuje větší než vzdálenost okraje tělesa od místa uchycení pohyblivé stopky k tělesu. *

Ovládací paralelní ramena jsou opatřena stejným pohonem nebo kombinací pohonů výsuvných, výsuvných průchozích, posuvných nebo rotačních.

io Alternativně jsou ovládací paralelní ramena spojena s tělesem přes ramenní sférický kloub a distanční stopku tělesa.

S výhodou je pevná stopka opatřena pohonem pro změnu její délky, jejího sklonu, resp. pro změnu polohy sférického kloubu. V případě symetrického uspořádání ovládacích paralelních ramen a jej ich počtu šest, jsou s výhodou vedena ze třech bodů na rámu do třech bodů na tělese. V dal15 ším alternativním provedení jsou v základní poloze ovládací paralelní ramena vedena z bodů na rámu šikmo do bodů na tělese, přičemž vrchní konec jednoho ovládacího paralelního ramene leží případně nad spodním koncem sousedního ovládacího paralelního ramene.

Výhoda tohoto zařízení spočívá ve vytvoření dělené stopky, která umožňuje natočení tělesa o 90° a více bez kolizí se stopkou, a v použití alespoň pěti redundantních ramen, které umožňují odstranit výskyt singulárních poloh a zajistit od nich dostatečný odstup v celém pracovním prostoru tělesa. Použití alespoň pěti redundantních ramen s pohony a odměřováním, což je nejméně o jedno více, než je nezbytně nutné pro samokalibraci, umožňuje podstatně zvýšit přesnost jak vlastní samokalibrace zařízení, tak následného polohování tělesa v pracovním prostoru.

Obecně pro uskutečnění řízeného sférického pohybu je třeba tři stupně volnosti ovládané poho25 ny. To by mohl zajistit sférický kloub a tři ramena s pohony. Takové zařízení by však mělo značně omezený rozsah pohybu (pracovní prostor), protože se v pracovním prostoru takového zařízení vyskytují singulární polohy, kde se přenos sil z pohonů na těleso konající sférický pohyb zhroutí, tj. přenos síly z některého pohonu je nulový a těleso spadne působením tíže. Řešením je přidat další ramena, která činí pohon daného zařízení redundantní. Redundance pohonů znamená, že počet pohonů je větší, než je počet stupňů volnosti. Tak se pojem redundance z počtu pohonů přenáší na redundanci počtu ramen s pohony. Pro umožnění pohybu pak musí být řízení redundantních pohonů koordinováno, aby nebránilo pohybu. Použití redundantních pohonů omezí a dokonce odstraní z pracovního prostoru popisovaného zařízení singulární polohy. Z tohoto pohledu by stačily čtyři ramena s pohony, což je o jedno více než tři stupně volnosti, tedy jednou redundantní. Výhodné je však míru redundance zvýšit a užít pět nebo šest ramen s pohony. Takové řešení pak nejen odstraní všechny singulární polohy z pracovního prostoru, ale dokonce učiní přenos sil mezi pohony a pohybujícím se tělesem rovnoměrný, což je velmi výhodné pro dimenzování pohonů i řízení plynulosti sférického pohybu tělesa.

V následně popisovaném zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa se uvažuje obecně sférický kloub. Ten může být fyzicky realizován různým způsobem. Klíčový je rozsah jeho pohybu a výskyt singulárních poloh v jeho pracovním prostoru sférického natočení. Zde má zvláště obvykle používaný Cardanův závěs vážná omezení. Cardanův závěs má pohyb nejméně v jedné ose omezený na méně než 90 stupňů a má v zenitové poloze singularitu zabraňující pohybu v rovině, v níž leží jedna z os. Proto jeho použití pro popisované zařízení je velmi nevýhodné, ne-li ne45 možné. Popisované zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa musí využít pro fyzickou realizaci sférického kloubu jiný způsob. Jeden způsob je užití kulového kloubu s magnetickou přitahující silou, jiný způsob je užití pokročilých modifikací Cardanova kloubu tvořených dvěma Cardanovými vidlicemi za sebou s řízené brzděným pohybem nadbytečného stupně volnosti.

-2CZ 23772 Ul

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněno zařízení pro sférický pohyb tělesa, kde:

obr. 1 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí pohonů v paralelních ramenech, obr. 2 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí výsuvných pohonů v paralelních ramenech, obr. 3 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí výsuvných průchozích pohonů v paralelních ramenech, obr. 4 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený m sférický pohyb pomocí posuvných pohonů v paralelních ramenech, obr. 5 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí rotačních pohonů v paralelních ramenech obr. 6 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem, který je vůči pohybujícímu se tělesu umístěn na stopce, a konajícího řízený sférický pohyb pomocí různých typů pohonů v paralelních ramenech obr. 7 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem, s natočením tělesa o více než 90° od základní polohy, obr. 8 znázorňuje v půdorysu jedno z možných uspořádání ovládacích paralelních ramen, obr. 9 znázorňuje v nárysu uspořádání ovládacích paralelních ramen podle obr. 8, obr. 10 znázorňuje v půdorysu jedno z dalších možných uspořádání ovládacích paralelních ramen, obr. 11 znázorňuje v nárysu uspořádání ovládacích paralelních ramen podle obr. 10.

obr. 12 znázorňuje obdobné uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem, s natočením tělesa o více než 90° od základní polohy, jak je patrné na obr. 7 avšak s altemativ25 ním spojením ovládacích paralelních ramen s tělesem, obr. 13 znázorňuje uspořádání tělesa připojeného k rámu sférickým kloubem a prostřednictvím výsuvné stopky, a obr. 14 znázorňuje v nárysu další možné uspořádání ovládacích paralelních ramen.

Příklady provedení technického řešení

Jak je patrné na obr. 1, těleso 1 je připojeno k rámu 5 prostřednictvím stopky, sestávající z pevné stopky 9 pevně spojené s rámem 5 a pohyblivé stopky 10 pevně spojené s tělesem 1. Pevná stopka 9 může případně tvořit jeden díl s rámem 5 a pohyblivá stopka 10 jeden díl s tělesem I. Obě stopky 9, JO jsou spolu spojeny sférickým kloubem 2, který umožňuje pohyb tělesa I vzhledem krámu 5. Těleso 1 a rám 5 jsou spolu propojeny paralelními ovládacími rameny 3, které jsou opatřeny pohony 4 pro výsuvný pohyb ovládacích ramen 3. Tato paralelní ramena 3 s výsuvnými pohony 6 mohou být realizována pohybovými šrouby nebo teleskopickými pohybovými šrouby připojenými na těleso a ráin sférickými nebo univerzálními klouby. Změnou délky jednotlivých ovládacích ramen 3 je docilován řízený sférický pohyb tělesa i. Počet paralelních ramen £ s pohony 4 je redundantní. To znamená, že počet paralelních ovládacích ramen 3 s pohony je větší než počet stupňů volnosti tělesa I, takže počet paralelních ovládacích ramen 3 je alespoň čtyři, viz obr. 6, 8 až 11, 14, neboť znázorněný mechanismus, tvořený sférickým kloubem 2 má tři stupně volnosti (rotace kolem tří os). S ohledem na vyloučení vzniku singulárních poloh v pracovním prostoru sférického pohybu tělesa! je výhodné, pokud počet paralelních ramen 3 s pohony 4 je alespoň pět. Použití alespoň pěti paralelních ovládacích ramen 3 navíc umožňuje zvýšení

-3CZ 23772 Ul přesnosti jak vlastní sainokalibracc, tak následně umožňuje zvýšenou přesnost polohování tělesa I v pracovním prostoru.

Použití dělené stopky složené z pevné a pohyblivé stopky 9, jO umožňuje natočení tělesa 1 o více než 90°. Pro docílení takovéhoto natočení je délka pevné stopky 9 připevněné k rámu 5 větší než vzdálenost okraje tělesa 1 od místa uchycení pohyblivé stopky 10 k tělesu 1. Délkou pohyblivé stopky 10 lze docílit různého rozsahu úhlu natočení tělesa! nad 90°.

Způsob řízeného natáčení tělesa l_ pomocí ovládacích paralelních ramen 3 je docilován pomocí pohonů, kterými je buď měněna délka ovládacích paralelních ramen 3, nebojsou ovládací paralelní ramena 3 přestavována vzhledem k rámu 5, případně je možno využít kombinaci různých io pohonů pro změnu délky nebo posuv ovládacích paralelních ramen 3. Tak na obr. 2 je použito výsuvných pohonů 6 pro změnu délky ovládacích polohovacích ramen 3, na obr. 3 je použito výsuvných průchozích pohonů H pro posuv ovládacích paralelních ramen 3 vzhledem k rámu 5, na obr. 4 je použito posuvných pohonů 7 pro posuv spodních konců ovládacích paralelních ramen 3 na rámu 5, na obr. 5 je použito rotačních pohonů 8 pro natáčení dělených ovládacích paralelních ramen 3, kdy natáčením jednotlivých částí ovládacích paralelních ramen 3 dochází k prodlužování nebo zkracování příslušných vzdáleností mezi tělesem 1_ a rámem 5. Na obr. 6 je pak patrné možné použití kombinace výše uvedených typů pohonů u jednoho zařízení, tedy výsuvného/ých pohonu/ů 6 kombinovaného/ých s rotačním/i pohonem/y 8, výsuvným/i průchozím/i pohonem/y ί 1 a posuvným/i pohonem/y 7. Rotačním kloubem může být i prostřední kloub ovládacího paralelního ramene spojujícího jej s tělesem I nebo kloub ovládacího paralelního ramene s tělesem L Výhoda umístění rotačního kloubu 8 na rám 5 je, že hmotnost rotačního pohonu nemusí být přemísťována s pohybem ramene.

Na obr. 7 je patrné sklopení tělesa 1 ve tvaru rovinné desky o více než 90° vzhledem k jeho základní vodorovné poloze, jak je znázorněno na předešlých obrázcích. Druh pohonů není pod25 statný a rovněž není omezen na výše uvedené pohony.

Místa spojení ovládacích paralelních ramen 3 jednak s rámem 5 a jednak s tělesem Ije možno volit prakticky libovolně, výhodné je symetrické uspořádání těchto spojovacích míst, jak je patrné v půdorysném pohledu na obr. 8, kde je pro řízení sférického pohybu tělesa 1 použito šesti ovládacích paralelních ramen 3 s pohony 4, přičemž jsou vždy kloubově spojeny vrchní konce sousedních ovládacích paralelních ramen 3 a jejich spodní konce jsou spojeny s konci sousedních ovládacích paralelních ramen 3 na opačných stranách. Toto uspořádání ovládacích paralelních ramen 3 je pak v nárysném pohledu znázorněno na obr. 9. Soustava takto uspořádaných ovládacích paralelních ramen 3 tvoří souvislou řadu šesti trojúhelníků.

Obdobné symetrické uspořádání rozložení ovládacích paralelních ramen 3 a jejich spojení s rá35 mem 5 a tělesem 1 s uspořádáním podle obr. 8 a 9 je patrné na obr. 10, ze kterého je patrné, že jednotlivé konce sousedních ovládacích paralelních ramen 3 směřují k sobě, jejich spojení s rámem 5 a s tělesem I není však společné v jednom místě, spojovací místa jsou od sebe oddělena. Na obr. 11 je znázorněn nárys uspořádání ovládacích paralelních ramen 3 podle obr. 10.

Jedno z dalších možných provedení zařízení s alternativním spojením ovládacích ramen 3 s těle40 sem i je znázorněno na obr. 12, které odpovídá provedení zařízení ve sklopené poloze podle obr. 7 s tím, že uchycení konců ovládacích paralelních ramen 3 s tělesem Ije prostřednictvím distanční stopky j_2 tělesa I a ramenního sférického kloubu J_4, který distanční stopku 12 spojuje s ovládacím paralelním ramenem 3.

Na obr. 13 je patrné alternativní uspořádání zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa, kde některá část stopky spojující těleso I s rámem 5 je opatřena kromě sférického kloubu 2 nastavovacím pohonem 13, zde uspořádaném na pevné stopce 9. Nastavovací pohon 13 slouží pro nastavení polohy sférického kloubu 2, např. jeho vzdálenosti od rámu 5 a je zvláště výhodný při použití zařízení sloužící pro řízení sférického pohybu výměnných těles i s různou velikostí, příp. v závislosti na potřebě různých velikostí vychýlení tělesa 1 ze své základní polohy. Nastavovací pohon 13 rovněž umožňuje lepší manipulaci, případně přepravu zařízení.

-4CZ 23772 Ul

Obr. 14 znázorňuje v nárysu další možné uspořádání ovládacích paralelních ramen 3, kde ovládací paralelní ramena 3 jsou vedena symetricky po obvodu rámu 5 a tělesa 1 tak, že jejich spodní konce leží pod vrchními konci sousedních ovládacích polohovacích ramen 3.

Claims (9)

1. Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa (1) spojeného s rámem (5) sférickým kloubem (2) uspořádaném na stopce (9, 10) spojující těleso (1) s rámem (5) a prostřednictvím ovládacích ramen (3) s pohony (4), vyznačené tím, že stopka je dělená a sférický kloub (2) je uspořádán mezi pevnou stopkou (9), která je pevně uchycena k rámu (5), a pohyblivou stopkou (10), která je pevně uchycena k tělesu (1), přičemž počet ovládacích ramen (3) s pohony (4) je vyšší než počet stupňů volnosti tělesa (1) vůči rámu (5).

2. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle nároku I, vyznačené tím, že počet ovládacích ramen (3) s pohony (4) je alespoň pět.

3. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že délka pevné stopky (9) připevněné k rámu (5) je větší než vzdálenost okraje tělesa (1) od místa uchycení pohyblivé stopky (10) k tělesu (1).

4. Zařízení pro sférický pohyb tělesa(I) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že ovládací ramena (3) jsou opatřena výsuvným pohonem (6) nebo výsuvným průchozím pohonem (11) nebo posuvným pohonem (7) nebo rotačním pohonem (8).

5. Zařízení pro sférický pohyb tělesa(1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že ovládací ramena (3) jsou spojena s tělesem (1) přes rainenní sférický kloub (14) a distanční stopku (12) tělesa (I).

6. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (I) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že pevná stopka (9) je opatřena pohonem (13) pro změnu polohy sférického kloubu (2) .

7. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že počet ovládacích ramen (3) je šest a jsou vedena ze tří bodů na rámu (5) do tří bodů na tělese (1).

8. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že v základní poloze jsou ovládací ramena (3) vedena z bodů na rámu (5) Šikmo do bodů na tělese (1).

9. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle nároku 10, vyznačené tím, že v základní poloze leží vrchní konec jednoho ovládacího ramene (3) nad spodním koncem sousedního ovládacího ramene (3).