CZ33763U1

CZ33763U1 - Manipulator robotic arm balancing system

Info

Publication number: CZ33763U1
Application number: CZ2018-35710U
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: 2020-02-25

Description

Vyvažovači systém robotického ramene manipulátoruBalancing system of the robotic arm of the manipulator

Oblast technikyField of technology

Technické řešení se týká vyvažovacího systému robotického ramene manipulátoru, průběžného vyvažování robotického ramene, které může měnit svou konfiguraci natáčením jednotlivých kloubů.The technical solution concerns the balancing system of the robotic arm of the manipulator, the continuous balancing of the robotic arm, which can change its configuration by turning the individual joints.

Dosavadní stav technikyPrior art

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.Balancing systems are mainly used for crane assemblies. Spring and weight systems are also used in large industrial robots. In most cases, both systems have one main axis of rotation, thanks to which they can load or move the work tool in space. If the system were not balanced, the load-bearing structure would be overloaded. Sizing machines constructed in this way would be very difficult and bulky.

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 CZ patentové přihlášce PV 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.For cranes, the balancing system is very simple. The weight on the opposite side of the arm is selected according to the load capacity of the crane. The weight and the load are always in line with the main axis of rotation of the crane. This system has been described, for example, in patent documents US 6568547 B1, US 4494906. A similar system has been described in surface mining machines, for example in CZ patent application PV 1980-316. In the vast majority of cases, industrial robots use a mechanically oversized base, including supporting members, which are able to transfer moments to the base with the prescribed load capacity of the robot. Due to this design, the load of the robots in relation to their weight is very small, counterweights are very rarely used in robots.

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. Při velkých rozměrech takového manipulátoru by docházelo k nadměrnému zatížení strojní konstrukce vlastního rotačního uložení.In industrial applications, a special kinematic structure called SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) structure is also used. This structure is used primarily in areas where the vast majority of movement takes place in the horizontal plane. Only the end technology head moves in the vertical axis, thus minimizing changes in potential energy. The movement in the horizontal plane is ensured by two rotatably mounted members, so that the drives of these two members are not statically stressed, as is the case with the robots described above. E.g. in the case of an articulated structure, if the arm is to be stretched, the second and third joints must rotate, which leads to changes in the potential energies of the respective robot cells, which are relatively massive. In addition, even when stopped, the drives and gears of these two members are permanently loaded. This is not the case with the SCARA structure. Therefore, the structure is used not only in the electrical industry in the production of printed circuit boards, but also in areas where it is necessary to work with very heavy objects (carrying and storing truck engines, etc.). In this sense, the SCARA structure is close to the classic Cartesian structure in terms of its load-bearing capacity, but its advantage is a significantly lower weight. If the system is extended by another member, a robot with better manipulability in space is obtained. If all members are in one axis, the configuration can be likened to a crane. In this case, the support arm can change its position relative to the main axis of rotation in the other two joints. Because of this, the center of gravity of the arm also changes. This problem cannot be solved by a counterweight that moves only linearly with respect to the main axis of rotation of the entire manipulator. With the large dimensions of such a manipulator, there would be an excessive load on the machine structure of the rotary bearing itself.

Cílem předloženého technického řešení 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 naThe aim of the presented technical solution is to actively balance the effects of tilting moments at the location of the main axis of rotation at different distances of the load (eg printhead) from this axis and thanks to the counterweight shift of this system to balance both tilting moments dimensioning of the construction of the central column at the place of the axis of rotation for lower loads and consequent economic savings during production and subsequent applications of a lighter machine. Another goal is less space required for handling and taking into account

- 1 CZ 33763 U1 možnost 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 předloženého řešení s ohledem na možnost posuvu vyvažovacího ramene je použití protizávaží s nižší hmotností oproti klasickému jeřábovému systému vyvažování a snížení přepravní hmotnosti.- 1 CZ 33763 U1 the possibility of reducing the balancing arm with a counterweight to allow a greater range of movement of the robot in limited spaces, in which the robot must very often move during the gradual printing of buildings. Finally, the aim of the presented solution with regard to the possibility of moving the balancing arm is to use counterweights with a lower weight compared to the classic crane system of balancing and reducing the transport weight.

Podstata technického řešeníThe essence of the technical solution

Předmětem technického řešení 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.The subject of the technical solution is a balancing system of a robotic arm of a manipulator, with at least one counterweight situated on the counterweight arm above the base, which is mounted on a web passing through the main first joint of the robotic arm, connected via the first arm and the second joint to a series of adjoining arms corresponding joints of at least one robotic arm.

Podstata technického řešení 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.The essence of the technical solution lies in the fact that the counterweight has two degrees of freedom for the linear movement of the weight on the arm of the counterweight and at the same time for the rotational movement of the weight around the vertical axis of rotation of the main first joint.

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.Alternatively, the counterweight has two degrees of freedom for the linear movement of the weight on the counterweight arm and at the same time for the rotational movement of the weight relative to the base through the joint of the rotational movement of the counterweight.

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.The articulated arms and / or counterweights are preferably a total of three. The counterweight arm is preferably provided with a linear actuator for controlled changes of the position of the counterweight in the radial direction relative to the main first joint.

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.The counterweight arm may advantageously be alternatively provided with a rotary actuator with pinion and toothed rack for controlled changes of the counterweight position rotationally and slidably linearly relative to the main first joint, with varying system balancing force depending on rotation of the counterweight arm relative to the base.

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.Continuous balancing of the robotic arm can change its configuration by rotating the individual joints, the counterweight balancer currently changes its position so that its center of gravity is on the opposite half-axis than the half-axis formed by the first axis of rotation of the robot and the resulting center of gravity of the robot arm.

Cíle technického řešení 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 poloho vání protizávaží dovoluje nalézt optimální polohu vůči aktuální konfiguraci nosného ramene tak, aby silové účinky v místě uložení hlavní rotace byly minimální. Díky tomu je možné celou konstrukci manipulátoru odlehčit.The goal of the technical solution is thus achieved by means of a counterweight, which has two degrees of freedom. The weight can move linearly perpendicular to the main axis of rotation of the first joint, at the same time it is possible to rotate the weight around this main axis of rotation of the manipulator. This counterweight positioning system makes it possible to find the optimal position relative to the current configuration of the support arm so that the force effects at the location of the main rotation are minimal. Thanks to this, it is possible to lighten the entire construction of the manipulator.

Objasnění výkresůExplanation of drawings

Příkladné provedení vyvažovacího systému podle tohoto technického řešení 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.Exemplary embodiments of a balancing system according to this technical solution are shown in the attached Figures 1 to 5b. Figures 1 to 4 show various configurations of the adjustment of the arms of the robotic manipulator, which correspond to the rotation and displacement of the counterweights on the counterweight arm, so as to minimize radial forces in the axis of the main first joint of the system. Figures 5a and 5b show two different embodiments for handling counterweights.

-2CZ 33763 U1-2CZ 33763 U1

Příklady uskutečnění technického řešeníExamples of technical solution

Technické řešení je určeno pro zařízení rotující kolem hlavní osy rotace prvního kloubu Π. Na jedné straně jsou osy kloubů J4-J3 a ramena A1-A3, která mohou zaujímat v rovině X, Y různé polohy vůči ose prvního kloubu Π. Na protilehlé straně se nachází rameno Λ4 protizávaží, na kterém je umístěno protizávaží M, které se může pohybovat rotačně atranslačně vůči ose prvního kloubu Π. Na obr. 1 až 4 jsou zobrazeny různé konfigurace nastavení ramen Λ1-Λ3. Těmto konfiguracím odpovídá natočení a posun závaží na rameni Λ4 protizávaží tak, aby byly minimalizovány radiální síly v ose prvního kloubu Π.The technical solution is intended for devices rotating around the main axis of rotation of the first joint Π. On one side are the axes of the joints J4-J3 and the arms A1-A3, which can occupy different positions in the X, Y plane with respect to the axis of the first joint Π. On the opposite side there is an arm Λ4 of counterweight, on which a counterweight M is placed, which can move in a rotationally expansionary relation to the axis of the first joint Π. Figures 1 to 4 show different configurations of arm settings Λ1-Λ3. The rotation and displacement of the weights on the arm Λ4 of the counterweight corresponds to these configurations so that the radial forces in the axis of the first joint Π are minimized.

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.In general, a system can be defined as an assembly of a sequence of arms and joints. Likewise, a balancing system could consist of a multi-arm system with multiple weights. However, such a system would be very difficult to manage.

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 Π.Figures 5a and 5b show two different embodiments for handling weights. The first solution in Fig. 5a uses a linear drive to position the counterweight M in the radial direction on the axis of the first joint J1. The counterweight M does not change its height relative to the axis of the first joint JI and always acts on the same arm relative to the axis of the first joint Π.

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.The second solution according to Fig. 5b uses a rotational movement about the axis JM of the rotational movement of the counterweight to position the counterweight M in the radial direction on the axis of the first joint J1. By means of rotation, the counterweight M moves linearly with respect to the axis of the first joint Π, situated on the web above the base S. This achieves a similar effect as in the first case. In the solution in Fig. 5b, the magnitude of the balancing force also changes depending on the rotation of the arm A4 of the counterweight relative to the base 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 je v 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.The balancing system is designed as electro-mechanical. It consists of a rotary and a linear actuator (the second drive can also be rotary with a pinion and a rack). Based on the current rotation of the support arm joints, the control system calculates the optimal position of the balancing system at each time point. The movement of the arm and the balancing system is continuous over time in order to avoid the excitation of vibrations of the whole mechanical arrangement. In general, other types of drives, such as hydraulic or pneumatic, can be used to position all parts of the designed system.

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.If the manipulator system is very large, with an arm length of eg 20 m, it is advisable to choose hydraulic servomotors for handling the weight. For smaller assemblies, on the other hand, it is more advantageous to choose electric drives that do not require an additional source of energy, which in hydraulic systems is a hydraulic unit. Oil can be a barrier to use in some applications.

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.The total number of robotic arms of the extended SCARA structure is not limited. In general, it is possible to extend the structure according to the needs of the application. However, with the growing number of support arm members, the complexity of the control algorithms increases, and this must be taken into account when designing the system.

Claims

CLAIMS FOR PROTECTION

A balancing system of a robotic arm of a manipulator, with at least one counterweight (M) situated on an arm (A4) of a counterweight above a base (S) mounted on a web, passing through a main first joint (JI) of a robotic arm connected via a first arm (AI) and a second joint (J2) on a series of adjoining arms, mutually connected via corresponding joints of at least one robotic arm, characterized in that the counterweight (M) has two degrees of freedom for linear movement of weights on the counterweight arm (A4) and simultaneously for rotational movement of weights about the vertical axis of rotation of the main first joint (JI).

2. Balancing system of the robotic arm of the manipulator, with at least one counterweight (M) situated on the arm (A4) of the counterweight above the base (S) mounted on the web, passing through the main first joint (JI) of the robotic arm connected via the first arm (AI) and a second joint (J2) on a series of adjoining arms, mutually connected via corresponding joints of at least one robotic arm, characterized in that the counterweight (M) has two degrees of freedom for linear movement of weights on the counterweight arm (A4) and simultaneously for rotational movement of weights to the base (S) via the joint (JM) of the rotational movement of the counterweight (M).

Balancing system according to Claim 1 or 2, characterized in that there are three articulated or counterweight arms.

Balancing system according to claim 1 or 2, characterized in that the counterweight arm (A4) is provided with a linear actuator for controlled changes of the position of the counterweight (M) in the radial direction relative to the main first joint (JI).

Balancing system according to Claim 1 or 2, characterized in that the counterweight arm (A4) is provided with a rotary actuator with pinion and toothed rack for controlled changes in the position of the counterweight (M) rotationally and slidably linearly relative to the main first joint (JI). by changing the size of the balancing force of the system depending on the rotation of the arm (A4) of the counterweight relative to the base