CZ304674B6

CZ304674B6 - Redundantní manipulátor

Info

Publication number: CZ304674B6
Application number: CZ2012-799A
Authority: CZ
Inventors: Michael Valášek; Václav Bauma
Original assignee: ÄŚVUT v Praze, Fakulta strojnĂ
Priority date: 2012-11-16
Filing date: 2012-11-16
Publication date: 2014-08-27
Also published as: EP2732928B1; EP2732928A1; CZ2012799A3

Abstract

Vynález se týká redundantního Delta manipulátoru s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů a s nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platformou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou rotačními klouby a sférické klouby (4) pro spojení s platformou (2) sousedních paralelogramů (3) leží v různých rovnoběžných rovinách, přičemž rotační klouby (7) ramen leží ve stejné rovině nebo v různých rovinách. Sférické klouby (4) pro spojení s platformou (2) protilehlých paralelogramů (3) leží ve stejné rovnoběžné rovině a rotační klouby (7) protilehlých ramen leží ve stejné rovnoběžné rovině. Rovnoběžné roviny pro uložení sférických kloubů (4) paralelogramů (3) pro spojení s platformou (2) jsou případně od sebe vzdáleny o stejnou hodnotu jako rovnoběžné roviny pro spojení rotačních ramen (6) rotačními klouby (7) s rámem (1).

Description

Redundantní manipulátor

Oblast techniky

Vynález se týká redundantního Delta manipulátoru s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů a s nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platformou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou rotačními klouby.

Dosavadní stav techniky

Je stále požadováno urychlení manipulace objektů v průmyslové výrobě. Vedle tradičních průmyslových robotů a manipulátorů se sériovou kinematickou strukturou byl navržen manipulátor Delta s paralelní kinematickou strukturou (US 4976582). Má tři rotační nebo posuvné pohony ovládající tři paralelogramy, na nichž je zavěšena platforma, a provádí posuvný pohyb s manipulovaným objektem ve třech kartézských souřadných osách x, y, z. K němu je přidáván čtvrtý pohon pro natáčení platformy s manipulovaným objektem kolem osy kolmé na rovinu uchycení na rámu, který je realizován bud natáčením celého uchycení pohonů k rámu nebo lanovým torsním pohonem z rámu na platformu. Delta manipulátor má shodný počet pohonů jako stupňů volnosti (tři nebo čtyři).

Byl navržen (EP 1870214, Al) manipulátor Quattro Delta, který má čtyři rotační pohony na rámu ovládající čtyři paralelogramy nesoucí platformu. Platforma není tuhá, ale pohyblivá a její natočení je ovládáno čtvrtým přidaným paralelogramem. Quattro Delta manipulátor má shodný počet pohonů jako stupňů volnosti (čtyři).

Byla navržena redundantně poháněná verze Delta manipulátoru (Corbel, D. et al.: Towards 100G with PKM. Is actuation redundancy a good solution for pick-and-place?, In: Proč. of 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage Convention District, May 3-8, 2010, Anchorage, Alaska, USA, pp. 4675-4682). Tento manipulátor má čtyři rotační pohony na rámu ovládající čtyři paralelogramy nesoucí platformu, která vykonává jen posuvný pohyb s manipulovaným objektem ve třech kartézských souřadných osách x, y, z. Případné natáčení je zajištěno lanovým torsním pohonem z rámu na platformu. Tento manipulátor je redundantně poháněný a má větší počet pohonů (čtyři) než stupňů volnosti (tři). Jeho problémem může být velikost pracovního prostoru kvůli kolizím čtyř paralelogramů oproti jen třem paralelogramům u původního manipulátoru Delta.

Problémem všech manipulátorů typu Delta je, že mají malou ohybovou tuhost platformy vůči ose otáčení ležící v rovině platformy a že odměřování je prováděno rameny, která jsou deformována silami, jež realizují pohyb platformy. Problémem uvedených manipulátorů typu Delta se čtyřmi paralelogramy je zvýšené nebezpečí kolizí paralelogramů.

Cílem tohoto vynálezu je zlepšení mechanických vlastností tuhosti platformy manipulátoru Delta, snížení nebezpečí kolizí jejich paralelogramů a dále zpřesnění odměřování polohy platformy manipulátoru.

Podstata vynálezu

Podstata redundantního Delta manipulátoru s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů a s nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platformou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou

- 1 CZ 304674 B6 rotačními klouby spočívá podle vynálezu v tom, že sférické klouby pro spojení s platformou sousedních paralelogramů leží v různých rovnoběžných rovinách, přičemž rotační klouby ramen leží ve stejné rovině nebo různých rovinách.

Sférické klouby pro spojení s platformou protilehlých paralelogramů leží ve stejné rovině rovnoběžné k rovinám tvořeným ostatními sférickými klouby pro spojení s platformou a rotační klouby protilehlých ramen leží ve stejné rovnoběžné rovině.

Rovnoběžné roviny pro uložení sférických kloubů paralelogramů pro spojení s platformou jsou od sebe vzdáleny o stejnou hodnotu jako rovnoběžné roviny pro spojení rotačních ramen rotačními klouby s rámem.

Alespoň jeden paralelogram je spojen s rámem posuvným vozíkem.

Jedna dvojice protilehlých paralelogramů je případně spojena s rámem posuvnými vozíky a druhá dvojice protilehlých paralelogramů je spojena s rotačními rameny bez posuvného vedení, přičemž jejich rotační klouby leží v rovině rovnoběžné s rovinou sférických kloubů pro spojení těchto paralelogramů s platformou.

Alternativně je jedna dvojice sousedních paralelogramů spojena s rámem posuvnými vozíky a druhá dvojice sousedních paralelogramů je spojena s rotačními rameny bez posuvného vedení, přičemž jejich rotační klouby leží v rovnoběžných rovinách vzdálených o shodnou vzdálenost jako rovnoběžné roviny tvořené jejich sférickými klouby pro spojení těchto paralelogramů s platformou.

Počet pohonů a paralelogramů je větší než tři nebo čtyři.

Paralelogram je případně tvořen dvěma Kardanovými klouby.

Souběžně s paralelogramy je mezi rámem a platformou uspořádána měřicí nezatížená souběžná konstrukce.

Výhodou zařízení redundantního Delta manipulátoru je zvýšená ohybová tuhost platformy manipulátoru. Dále výhodou je zmenšení nebezpečí kolizí paralelogramů. Další výhodou je měření na nezatížené mechanické konstrukci, a tak zpřesnění určení polohy platformy manipulátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněn redundantní Delta manipulátor podle vynálezu, kde obr. 1 až 4 znázorňují možná alternativní provedení a obr. 5 další provedení manipulátoru doplněné o měřicí paralelní strukturu.

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je znázorněno základní provedení redundantního manipulátoru Delta, který se skládá z platformy 2 nesené čtyřmi paralelogramy 3a až 3d, které jsou poháněny pomocí čtyř rotačních ramen 6a až 6d a čtyř rotačních pohonů 7a až 7d upevněných na rámu i. Každý paralelogram 3a, 3b, 3c, 3d se skládá ze dvou rovnoběžných a stejně dlouhých ramen 5al a 5a2; 5b 1 a 5b2; 5ci

-2CZ 304674 B6 a 5c2; 5dl a 5d2, připevněných na rotační rameno 6a, 6b, 6c, 6d pomocí sférických kloubů 4al, 4a2, 4a3, 4a4; 4bl, 4b2, 4b3, 4b4; 4cl, 4c2, 4c3, 4c4; 4dl, 4d2, 4d3, 4d4.

Sférické klouby 4 mohou mít dva a více stupňů volnosti, například jsou-li tvořeny kulovými klouby, pak mají tři stupně volnosti, jsou-li tvořeny Kardanovými klouby, pak mají dva stupně volnosti, jsou-li tvořeny dvojicemi Kardanových kloubů, pak mají čtyři stupně volnosti pro větší pohyblivost, přičemž jeden stupeň volnosti může být řízené blokován. Hlavní odlišností provedení manipulátoru Delta podle vynálezu oproti běžným řešením je uchycení sférických kloubů 4 paralelogramů 3 na platformě 2 v různých rovinách, které na obrázku I jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost hi. To přináší zvýšení momentu, kterým mohou paralelogramy 3 působit na platformu 2, což se projeví zvýšením tuhosti a dynamiky zařízení. Aby nedošlo ke zhoršení manipulovatelnosti, jsou také rotační pohony 7 upevněny na rámu i v různých rovinách, které na obrázku 1 jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost h₂. Optimální volba je hi=h₂ a paralelogramy 3 mají shodnou délku a rotační ramena 6 mají shodnou délku, ale variant může být více počínaje h₂=0. Uchycení paralelogramů v různých rovinách také snižuje nebezpečí jejich kolizí během pohybu. Shodná délka paralelogramů 3 a shodná délka rotačních ramen 6 umožňují shodný silový účinek rotačních pohonů 7 na pohyb platformy 2.

Určení polohy platformy v kartézském souřadnicovém systému rámu probíhá výpočtem z hodnot relativních pohybů v rotačních kloubech 7a až 7d s pohony, případně v dalších kloubech 4al až 4d4. Odměřování relativních rotačních pohybů v těchto kloubech probíhá pomocí instalovaných čidel v těchto kloubech.

Na obr. 2 je znázorněno další provedení redundantního manipulátoru Delta podle vynálezu. Redundantní manipulátor Delta se skládá z platformy 2 nesené čtyřmi paralelogramy 3a až 3d, kde paralelogramy 3b a 3d jsou poháněny pomocí dvou rotačních ramen 6b a 6d a dvou rotačních pohonů 7b a 7d upevněných na rámu i a paralelogramy 3a a 3c pomocí dvou posuvných vozíků 8a a 8c se dvěma posuvnými pohony 9a a 9c upevněných na rámu i. Skladba paralelogramů 3 a sférických kloubů 4 je shodná jako na obr. 1. Hlavní odlišností provedení manipulátoru Delta podle vynálezu oproti běžným řešením je také zde uchycení sférických kloubů 4 paralelogramů 3 na platformě 2 v různých rovinách, které na obrázku 2 jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost hj. To opět přináší zvýšení momentu, kterým mohou paralelogramy 3 působit na platformu 2, což se projeví zvýšením tuhosti a dynamiky zařízení podle vynálezu. Aby nedošlo ke zhoršení manipulovatelnosti, jsou také zde rotační pohony 7 upevněny na rámu 1 v různých rovinách, které na obrázku 2 jsou vzdáleny o vzdálenost h₂. Optimální volba zde je h₂=0, protože sférické klouby 4b3. 4b4 paralelogramů 3b a sférické klouby 4d3.4d4 paralelogramů 3d leží na obr. 2 ve shodné rovině a paralelogramy 3 mají shodnou délku a rotační ramena 6 mají shodnou délku, ale variant může být více.

Určení polohy platformy v kartézském souřadnicovém systému rámu probíhá také u tohoto provedení výpočtem z hodnot relativních pohybů v rotačních kloubech 7b, 7d s pohony a v posuvných vedeních vozíků 8a, 8c s pohony, případně v dalších kloubech 4a 1 až 4d4. Odměřování relativních rotačních a posuvných pohybů v těchto kloubech probíhá pomocí instalovaných čidel v těchto kloubech.

Na obr. 3 je znázorněna varianta provedení redundantního manipulátoru Delta podle vynálezu k provedení na obr. 2. Redundantní manipulátor Delta zde má pohony pomocí rotačních ramen 6a a 6d uspořádány vedle sebe oproti provedení na obr. 2, kde jsou pohony rotačními rameny 6b a 6d uspořádány proti sobě. Pak jsou také pohony pomocí dvou posuvných vozíků 8b a 8c dvěma posuvnými pohony 9b a 9c uspořádány vedle sebe oproti provedení na obr. 2, kde jsou pohony pomocí dvou posuvných vozíků 8a a 8c dvěma posuvnými pohony 9a a 9c uspořádány proti sobě. Optimální volba je hi=h₂, aby paralelogramy 3 měly shodnou délku a rotační ramena 6 měla shodnou délku, ale variant může být více počínaje h₂=0. Ostatní části provedení jsou shodné jako na obr. 2.

-3 CZ 304674 B6

Na obr. 4 je schematicky znázorněno řešení odměřování pohybu a polohy manipulátorů Delta podle vynálezu. Jeho podstatou je, že vedle paralelogramů 3 na rotačních ramenech 6 a/nebo posuvných vozíkách 8, které přenášejí síly pohonů 7 a/nebo 9 na platformu 2, je vedena z rámu souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta, která obsahuje jen čidla. Protože tato souběžná (paralelní) struktura je minimálně namáhána silami, je odměřování v čidlech na ní umístěných přesnější, než u běžného odměřování jen v pohonech. To vede k přesnějšímu polohování manipulátoru Delta a k možnosti zvýšení jeho tuhosti zpětnovazebním řízením. Na obr. 4 je znázorněn manipulátor Delta podle vynálezu v provedení z obr. 1. Na provedení znázorněném na obr. 4 je mezi rámem i a platformou 2 vedeno rameno H) souběžné (paralelní) konstrukce připevněná k rámu I rotačním (sférickým s dvěma stupni volnosti - Hookeovým) kloubem 11 souběžné konstrukce a k platformě 2 připevněná posuvným vedením 12 a rotačním (sférickým se třemi stupni volnosti) kloubem 11 souběžné konstrukce. Čidla jsou umístěna v rotačních kloubech 11 a posuvných vedeních 12 souběžné konstrukce a jejich počet je šest, což je více než tři stupně volnosti pohybu platformy 2.

Postup možného řízení manipulátoru Delta s odměřováním na souběžné konstrukci je následující. Pohony 7 a /nebo 9 manipulátoru jsou vybaveny čidly relativního pohybu a tato čidla jsou použita pro stabilizaci pohonů prostřednictvím rychlostní zpětné vazby. Znalost o poloze platformy 2 získaná měřením na souběžné konstrukci je užita pro polohovou zpětnou vazbu. Vzhledem k tomu, že ramena 10 souběžné konstrukce nejsou silově namáhána pohony, nejsou tedy těmito silami deformována, poskytuje měření v rotačních kloubech 11 a/nebo posuvných vedeních 12 přesnější údaje o poloze platformy 2 a její užití při řízení vede k přesnějšímu polohování platformy 2.

Na obr. 5 je schematicky znázorněno řešení odměřování pohybu a polohy platformy u manipulátorů Delta podle vynálezu. Jde o schematický rovinný průmět manipulátoru Delta. Vedle paralelogramů 3 na rotačních ramenech 6 a/nebo posuvných vozíkách 8, které přenášejí síly pohonů 7 a/nebo 9 na platformu 2, je vedena z rámu I souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta, která obsahuje jen Čidla. Protože tato souběžná (paralelní) struktura je minimálně namáhána silami, je odměřování v čidlech rotace a/nebo posuvu na ní umístěných přesnější, než u běžného odměřování jen v pohonech. To vede k přesnějšímu polohování platformy 2 manipulátoru Delta a k možnosti zvýšení jeho tuhosti zpětnovazebním řízením. Souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta je tvořena dvěma řetězci ramen složených z ramene 10a a 10b spojených rotačním (sférickým se dvěma stupni volnosti - Hookeovým) kloubem 1 lb. Otočné rameno 10a je připevněno k rámu i rotačním kloubem 1 la. Rameno 10b je připevněno k platformě 2 rotačním (nebo sférickým) kloubem 11c. Rameno 10b může být realizováno jako paralelogram podobně jako paralelogram 3. Čidla rotace jsou umístěna v kloubech 11a. 1 lb a Hc. Jejich počet může být různý. Rotační čidla v kloubech 1 la a 1 lc tvoří čtyři čidla pro tři stupně volnosti platformy 2. Rotační čidla ve všech kloubech 1 la, 11b, 1 lc tvoří osm čidel pro tři stupně volnosti platformy 2. S výhodou se užívá redundantní počet čidel, tedy větší počet čidel, než má manipulátor stupňů volnosti, pro zvýšení přesnosti měření, pro kalibraci manipulátoru, samo-kalibraci souběžné konstrukce s čidly nebo pro on-line měření a kompenzování teplotních deformací.

Jsou možná další různá uspořádání tvořená kombinacemi uvedených variant.

Paralelogramy uvedené u provedení popsaných výše mohou být nahrazeny ramenem spojeným s navazujícími částmi manipulátoru na obou koncích Kardanovým kloubem.

Popisovaná provedení manipulátoru jsou symetrická, jsou však možné varianty i s nesymetrickým uspořádáním.

-4CZ 304674 B6

Zvýšení momentu vyvinutého pohony na platformu 2 a tuhosti platformy 2 zařízení podle vynálezu se dá s výhodou použít i u neredundantní verze manipulátoru Delta pouze se třemi paralelogramy a třemi pohony.

Počet ramen s rotačním pohonem a počet ramen s posuvným pohonem může být proměnný a kombinovaný. Například všechny pohony jsou rotační nebo posuvné anebo je možná jejich kombinace.

Počet pohonů může být větší než čtyři, u uvedených provedení jsou vždy jen čtyři paralelogramy poháněné čtyřmi pohony.

Popisovaná provedení manipulátoru Delta užívají nadbytečný počet pohonů, tedy více pohonů než stupňů volnosti manipulátoru. To umožňuje zvýšit a zrovnoměmit silové působení pohonů na platformu 2 v celém pracovním prostoru a/nebo umožňuje použít dalších pokročilých způsobů řízení pomocí redundantních pohonů, např. protivůlové řízení.

Rovněž pak popisovaná provedení měření na manipulátoru Delta užívají nadbytečný počet čidel, tedy více čidel než stupňů volnosti. Užití redundantního počtu čidel, tedy většího počtu čidel, než má manipulátor stupňů volnosti, je výhodné pro zvýšení přesnosti měření, pro kalibraci manipulátoru, samo-kalibraci souběžné konstrukce s čidly nebo pro on-line měření a kompenzování teplotních deformací. Zvláště výhodné je, když počet čidel je alespoň o dvě větší než počet stupňů volnosti.

Popisované odměřování pohybu a polohy platformy 2 u manipulátorů Delta na souběžné (paralelní) struktuře nenamáhané silami pohonů se dá s výhodou použít u všech druhů manipulátorů Delta.

Manipulátory Delta lze užít vedle manipulace i pro výrobní operace a/nebo měření tak, že platforma 2 nese příslušný nástroj (např. vřeteno s frézou, svařovací hlavici, měřicí sondu).

Veškeré uvedené varianty provedení se mohou dále libovolně kombinovat. Řízení pohybu manipulátorů je provedeno počítačem.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Redundantní manipulátor s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů a s nimi spojených ramen nebo vozíků, přičemž paralelogramy jsou spojeny kloubově sférickými klouby jak s platformou, tak s rameny nebo s vozíky, a ramena jsou otočně spojena s rámem, nebo vozíky jsou posuvně spojeny s rámem, vyznačený tím, že ramena (6) jsou opatřena rotačními klouby s pohony (7) a/nebo posuvné vozíky (8) jsou opatřeny posuvnými pohony (9), přičemž počet pohonů je větší než počet stupňů volnosti manipulátoru a sférické klouby (4) pro spojení s platformou (2) sousedních paralelogramů (3) leží v různých rovnoběžných rovinách, přičemž rotační klouby (7) ramen leží ve stejné rovině nebo různých rovinách.
2. Redundantní manipulátor podle nároku 1, vyznačený tím, že sférické klouby (4) pro spojení s platformou (2) protilehlých paralelogramů (3) leží ve stejné rovině rovnoběžné k rovinám tvořeným ostatními sférickými klouby (4) pro spojení s platformou (2) a rotační klouby (7) protilehlých ramen leží v rovině rovnoběžné s rovinou, v níž leží rotační klouby (7) sousedních protilehlých ramen.

-5CZ 304674 B6
3. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že rovnoběžné roviny pro uložení sférických kloubů (4) paralelogramů (3) pro spojení s platformou (2) jsou od sebe vzdáleny o stejnou hodnotu h, jako jsou od sebe vzdáleny rovnoběžné roviny pro spojení rotačních ramen (6) rotačními klouby (7) s rámem (1).
4. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že jedna dvojice z protilehlých paralelogramů (3a, 3c) je spojena s rámem (1) posuvnými vozíky (8) a druhá z dvojice protilehlých paralelogramů (3b, 3d) je spojena s rámem rameny (6), přičemž rotační klouby (7) pro spojení s rámem (1) leží v rovině rovnoběžné s rovinou sférických kloubů (4) pro spojení s platformou (2).
5. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že jedna dvojice sousedních paralelogramů (3b, 3c) je spojena s rámem (1) posuvnými vozíky (8) a druhá dvojice sousedních paralelogramů (3a, 3d) je spojena s rámem (1) rameny (6) s rotačními klouby (7), přičemž rotační klouby (7) sousedních ramen (6) leží v rovnoběžných rovinách vzdálených od sebe o stejnou hodnotu h jako vzdálenost rovnoběžných rovin, v nichž leží sférické klouby (4) pro spojení pro spojení paralelogramů (3a, 3d) s platformou (2).
6. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačené tím, že počet pohonů a paralelogramů (3) je větší než tři nebo čtyři.
7. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že paralelogram je tvořen dvěma Kardanovými klouby.
8. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že souběžně s paralelogramy (3) je mezi rámem (1) a platformou (2) uspořádána měřicí nezatížená souběžná konstrukce.