ITMI20011872A1

ITMI20011872A1 - THREE DEGREE PARALLEL MECHANISM OF LBERTA 'WITH TRANSLATING PLATFORM

Info

Publication number: ITMI20011872A1
Application number: IT2001MI001872A
Authority: IT
Inventors: Mario Carricato; Castelli Vincenzo Parenti
Original assignee: Consiglio Nazionale Ricerche
Priority date: 2001-09-07
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2003-03-07
Also published as: ITMI20011872A0

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

dell’invenzione industriale avente per titolo: of the industrial invention entitled:

La presente invenzione si riferisce ad un meccanismo parallelo a tre gradi di libertà con piattaforma traslante, in particolare ad un robot a cinematica parallela. The present invention refers to a parallel mechanism with three degrees of freedom with a translating platform, in particular to a robot with parallel kinematics.

Sono generalmente conosciuti nello stato della tecnica dei robot a cinematica parallela, cioè robot comprendenti più gambe articolate poste in parallelo e connesse ad una base o telaio da un lato e ad una piattaforma alla quale è associato generalmente un utensile dall'altro lato. Tali gambe sono composte da più bracci accoppiati tra di loro opportunamente mediante mezzi di movimentazione che ne consentono la traslazione e/o la rotazione nello spazio in risposta ad una movimentazione desiderata dell'utensile. In the state of the art, parallel kinematics robots are generally known, ie robots comprising several articulated legs placed in parallel and connected to a base or frame on one side and to a platform to which a tool is generally associated on the other side. These legs are composed of several arms suitably coupled to each other by means of movement which allow their translation and / or rotation in space in response to a desired movement of the tool.

Una macchina a cinematica parallela con tre gradi di libertà traslazionali è descritta in D A parallel kinematic machine with three translational degrees of freedom is described in D.

, Tale macchina è composta da un telaio fisso a cui sono connesse tre gambe a lunghezza variabile, generalmente costituite da mezzi telescopici. Le tre gambe convergono in ima piattaforma mobile e sono collegate ad essa. Le gambe sono fissate al telaio ed alla piattaforma tramite giunti cardanici che consentono l'orientazione di ciascuna gamba nello spazio ma ne bloccano la rotazione rispetto al proprio asse. Variando opportunamente la lunghezza delle gambe viene conferito alla piattaforma mobile un moto di pura traslazione. In tal modo la piattaforma può muoversi sul cosiddetto spazio di lavoro. This machine is composed of a fixed frame to which three legs of variable length are connected, generally consisting of telescopic means. The three legs converge in a mobile platform and are connected to it. The legs are fixed to the frame and to the platform by cardan joints that allow the orientation of each leg in space but block its rotation with respect to its axis. By suitably varying the length of the legs, a pure translational motion is given to the mobile platform. In this way the platform can move on the so-called working space.

In vista dello stato della tecnica descritto, uno scopo della presente invenzione è quello di provvedere ad un meccanismo a cinematica parallela avente tre gambe che connettono una base fissa con una piattaforma mobile che sia di più semplice realizzazione. In view of the state of the art described, an object of the present invention is to provide a parallel kinematic mechanism having three legs which connect a fixed base with a mobile platform which is simpler to manufacture.

In accordo con la presente invenzione, questi ed altri scopi vengono raggiunti mediante un meccanismo a cinematica parallela avente tre gambe che connettono una base fissa con una piattaforma mobile; ognuna di dette gambe comprende un primo, un secondo, un terzo ed un quarto giunto rotativo ed un quinto giunto; detto primo e detto secondo giunto rotativo hanno gli assi di rotazione paralleli tra di loro e orientati lungo una prima direzione; detto terzo e detto quarto giunto rotativo hanno gli assi di rotazione paralleli tra di loro e orientati lungo una seconda direzione; l'angolo compreso tra detta prima direzione e detta seconda direzione è diverso da π e suoi multipli. In accordance with the present invention, these and other objects are achieved by means of a parallel kinematic mechanism having three legs which connect a fixed base with a mobile platform; each of said legs comprises a first, a second, a third and a fourth rotary joint and a fifth joint; said first and said second rotary joint have their rotation axes parallel to each other and oriented along a first direction; said third and said fourth rotary joint have their rotation axes parallel to each other and oriented along a second direction; the angle between said first direction and said second direction is different from π and its multiples.

Grazie alla presente invenzione è possibile realizzare un meccanismo a cinematica parallela avente tre gambe che utilizzano giunti di semplice realizzazione. Thanks to the present invention it is possible to realize a parallel kinematic mechanism having three legs which use joints which are simple to make.

Le caratteristiche ed i vantaggi della presente invenzione risulteranno evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di una sua forma di realizzazione pratica, illustrata a titolo di esempio non limitativo negli uniti disegni, nei quali: The characteristics and advantages of the present invention will become evident from the following detailed description of a practical embodiment thereof, illustrated by way of non-limiting example in the accompanying drawings, in which:

la figura 1 mostra una rappresentazione schematica di una prima forma di realizzazione del meccanismo in accordo alla presente invenzione; Figure 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the mechanism according to the present invention;

la figura 2 mostra una rappresentazione schematica di una prima forma di realizzazione di una gamba del meccanismo in accordo alla presente invenzione; figure 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a leg of the mechanism according to the present invention;

la figura 3 mostra una rappresentazione schematica di una seconda forma di realizzazione di una gamba del meccanismo in accordo alla presente invenzione. Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a leg of the mechanism according to the present invention.

Riferendosi ora alla figura 1 è mostrato un meccanismo a cinematica parallela 1 in accordo ad una prima forma di realizzazione della presente invenzione comprendente una base fissa 2 ed una piattaforma mobile 3 connesse tra di loro per mezzo di tre gambe, topologicamente simili tra di loro, aventi i riferimenti rispettivamente 4, 5 e 6. Referring now to figure 1, a parallel kinematic mechanism 1 is shown according to a first embodiment of the present invention comprising a fixed base 2 and a mobile platform 3 connected to each other by means of three legs, topologically similar to each other, having the references 4, 5 and 6 respectively.

In figura 2 è mostrato una rappresentazione schematica di una possibile forma di realizzazione di una gamba del meccanismo in accordo alla presente invenzione che comprende quattro giunti rotativi aventi i riferimenti rispettivamente 11, 12, 13 e 14. Il giunto rotativo 11 è connesso da un lato alla piattaforma 3 e dall'altro lato ad una estremità di una asta 21. L'altra estremità dell’asta 21 è connessa ad un lato del giunto rotativo 12 il quale dall'altro lato e connesso ad una estremità di una asta 22. L'altra estremità dell’asta 22 è connessa ad un lato del giunto rotativo 13 il quale dall'altro lato e connesso ad una estremità di una asta 23. L'altra estremità dell’asta 23 è connessa ad un lato del giunto rotativo 14 il quale dall'altro lato e connesso ad una estremità di una asta 24. L'altra estremità dell’asta 24 è connessa ad un lato del giunto prismatico 25 il quale dall'altro lato e connesso alla base 2. Figure 2 shows a schematic representation of a possible embodiment of a leg of the mechanism according to the present invention which comprises four rotary joints having the references 11, 12, 13 and 14 respectively. The rotary joint 11 is connected on one side to the platform 3 and on the other side to one end of a rod 21. The other end of the rod 21 is connected to one side of the rotary joint 12 which on the other side is connected to one end of a rod 22. L The other end of the rod 22 is connected to one side of the rotary joint 13 which on the other side is connected to one end of a rod 23. The other end of the rod 23 is connected to one side of the rotary joint 14 the which on the other side is connected to one end of a rod 24. The other end of the rod 24 is connected to one side of the prismatic joint 25 which on the other side is connected to the base 2.

Nella forma di realizzazione di figura 2 il giunto prismatico 25 è stato posto preferibilmente tra la base 2 ed il giunto 14, ma può essere disposto in una qualunque posizione della gamba; ad esempio posto adiacente ad uno qualsiasi degli altri giunti rotanti oppure anche tra il giunto 11 e la piattaforma mobile 3. Inoltre preferibilmente il giunto prismatico 25 ha la funzione di attuatore ed è quindi motorizzato con un motore, non mostrato in figura, in alternativa, può essere motorizzato uno qualunque dei giunti rotativi della gamba. In the embodiment of Figure 2, the prismatic joint 25 has been preferably placed between the base 2 and the joint 14, but can be arranged in any position of the leg; for example placed adjacent to any of the other rotating joints or also between the joint 11 and the mobile platform 3. Furthermore, preferably the prismatic joint 25 acts as an actuator and is therefore motorized with a motor, not shown in the figure, alternatively, any of the rotary joints of the leg can be motorized.

In figura 3 è mostrato una rappresentazione schematica di una seconda forma di realizzazione di una gamba del meccanismo in accordo alla presente invenzione che comprende, in questo caso cinque giunti rotativi. Infatti il giunto prismatico 25 di figura 2, è stato sostituito con un giunto rotativo 30, che da un lato è connesso all'asta 24 e dall'altro lato è connesso alla base 2. Preferibilmente il giunto rotativo 30 è motorizzato con un motore, non mostrato in figura, in alternativa, può essere motorizzato uno qualunque degli altri giunti rotativi della gamba. Motorizzando il giunto prismatico 25 o il giunto rotativo 30 si ha il vantaggio che il motore può essere posizionato sulla base 2. Figure 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a leg of the mechanism according to the present invention which comprises, in this case five rotary joints. In fact, the prismatic joint 25 of figure 2 has been replaced with a rotary joint 30, which on one side is connected to the rod 24 and on the other side is connected to the base 2. Preferably the rotary joint 30 is motorized with a motor, not shown in the figure, alternatively, any of the other rotary joints of the leg can be motorized. By motorizing the prismatic joint 25 or the rotary joint 30 there is the advantage that the motor can be positioned on the base 2.

Nel caso della seconda forma di realizzazione riportata in figura 3 il giunto rotativo 30 è stato connesso preferibilmente alla base 2, con qualsiasi orientamento dell'asse di rotazione, ma può essere disposto tra i giunti 11 e 12 e avente l'asse di rotazione parallelo a quello dei giunti 11 e 12, oppure può essere posto tra i giunti 13 e 14 e avente l'asse di rotazione parallelo a quello dei giunti 13 e 14. Esso può essere anche posto tra il giunto 11 e la base 3, o tra i giunti 12 e 13 con qualsiasi orientamento dell'asse di rotazione. In the case of the second embodiment shown in Figure 3, the rotary joint 30 has been preferably connected to the base 2, with any orientation of the rotation axis, but can be arranged between the joints 11 and 12 and having the parallel rotation axis to that of joints 11 and 12, or it can be placed between joints 13 and 14 and having the axis of rotation parallel to that of joints 13 and 14. It can also be placed between joint 11 and base 3, or between joints 12 and 13 with any orientation of the rotation axis.

Per garantire un moto puramente traslatorio della piattaforma mobile 3 è necessario che ognuna delle tre gambe 3, 4 e 5 soddisfi le seguenti condizioni. Gli assi di rotazione dei giunti rotativi 11 e 12 devono essere tra di loro paralleli, gli assi di rotazione dei giunti rotativi 13 e 14 devono essere tra di loro paralleli e l'angolo compreso tra gli assi di rotazione dei giunti 11 e 13 (oppure tra 12 e 14) deve essere diverso da π e suoi multipli. In particolare tale angolo è preferibilmente compreso tra π/4 e 3/4π. To ensure a purely translational motion of the mobile platform 3, each of the three legs 3, 4 and 5 must satisfy the following conditions. The rotation axes of the rotary joints 11 and 12 must be parallel to each other, the rotation axes of the rotary joints 13 and 14 must be parallel to each other and the angle between the rotation axes of the joints 11 and 13 (or between 12 and 14) must be different from π and its multiples. In particular, this angle is preferably comprised between π / 4 and 3 / 4π.

Ogni gamba del meccanismo 1 impedisce la rotazione della piattaforma 3 intorno alla retta di minima distanza tra gli assi di rotazione dei giunti 12 e 13, direzione individuata dall'asta 22. Se le direzioni delle tre aste 22 delle tre gambe sono linearmente indipendenti, risulta impedita qualunque rotazione ed il moto è puramente traslatorio. In particolare si dimostra che, durante il movimento, la rotazione relativa intorno all'asse del giunto 13 è uguale ed opposta alla rotazione relativa intorno all'asse di rotazione del giunto 14, così come la rotazione relativa intorno all'asse del giunto 11 è uguale ed opposta alla rotazione relativa intorno all'asse di rotazione del giunto 12. In altre parole, le rotazioni intorno agli assi di rotazione delle coppie di giunti paralleli 11, 12 e 13, 14 si compensano a vicenda. Ne consegue che gli orientamenti della piattaforma 3, degli assi delle coppie dei giunti e delle direzioni delle tre aste 22 non cambiano durante il movimento. Ciò implica che, se le direzioni delle tre aste 22 sono linearmente indipendenti in fase di assemblaggio, rimangono tali anche durante il moto, per cui il meccanismo non presenta singolarità di rotazione, ossia configurazioni in cui acquisisce gradi di libertà di rotazione. Each leg of the mechanism 1 prevents the rotation of the platform 3 around the straight line of minimum distance between the rotation axes of the joints 12 and 13, the direction identified by the rod 22. If the directions of the three rods 22 of the three legs are linearly independent, it is any rotation is prevented and the motion is purely translational. In particular, it is shown that, during the movement, the relative rotation around the axis of the joint 13 is equal and opposite to the relative rotation around the axis of rotation of the joint 14, just as the relative rotation around the axis of the joint 11 is equal and opposite to the relative rotation around the rotation axis of the joint 12. In other words, the rotations around the rotation axes of the pairs of parallel joints 11, 12 and 13, 14 compensate each other. It follows that the orientations of the platform 3, of the axes of the coupling pairs and of the directions of the three rods 22 do not change during movement. This implies that, if the directions of the three rods 22 are linearly independent during the assembly phase, they remain so also during the motion, so that the mechanism does not have rotation singularities, ie configurations in which it acquires degrees of freedom of rotation.

Il meccanismo in accordo alla presente in invenzione ha interesse ogni qualvolta vi sia la necessità di realizzare un movimento relativo di traslazione tra due corpi. Alcuni tipici campi di applicazione possono essere l'assemblaggio automatico, la movimentazione di oggetti ad orientamento costante, le macchine utensili, gli strumenti di misura, i sensori di coppia, i sensori di posizione, ecc. The mechanism according to the present invention is of interest whenever there is the need to realize a relative translation movement between two bodies. Some typical fields of application can be automatic assembly, handling of objects with constant orientation, machine tools, measuring instruments, torque sensors, position sensors, etc.

In particolare, il meccanismo in accordo alla presente in invenzione offre svariati vantaggi rispetto ai meccanismi noti, quali una bassa inerzia, un elevato carico pagante rispetto al peso del meccanismo, considerevole rigidezza ed alte prestazioni dinamiche. A questi vantaggi si aggiunge la semplicità e la praticità di impiegare esclusivamente giunti rotativi, la possibilità di installare i motori direttamente sulla base 2, e l'assenza di singolarità di traslazione. In particular, the mechanism according to the present invention offers various advantages with respect to known mechanisms, such as a low inertia, a high payload with respect to the weight of the mechanism, considerable stiffness and high dynamic performance. To these advantages are added the simplicity and practicality of using exclusively rotary joints, the possibility of installing the motors directly on the base 2, and the absence of translation singularities.

Claims

CLAIMS 1. Parallel kinematic mechanism having three legs connecting a fixed base with a mobile platform; each of said legs comprises a first, a second, a third and a fourth rotary joint and a fifth joint; said first and said second rotary joint have their rotation axes parallel to each other and oriented along a first direction; said third and said fourth rotary joint have their rotation axes parallel to each other and oriented along a second direction; the angle between said first direction and said second direction is different from π and its multiples.

2. Mechanism according to claim 1 characterized in that each of said legs has one of said motorized joints.

3. Mechanism according to claim 1 characterized in that said fifth joint is directly connected to said fixed base and is motorized.

4. Mechanism according to claim 1 characterized in that said fifth joint is a prismatic joint.

5. Mechanism according to claim 1 characterized in that said fifth joint is a rotary joint.

6. Mechanism according to claim 1 characterized in that said fifth joint is a rotary joint having an axis of rotation oriented along said first direction and adjacent to said first or second rotary joint.

7. Mechanism according to claim 1 characterized in that said fifth joint is a rotary joint having an axis of rotation oriented along said second direction and adjacent to said third or fourth rotary joint.

8. Mechanism according to claim 1 characterized by the fact that said fifth joint is a rotary joint connected to said fixed base.

9. Mechanism according to claim 1 characterized by the fact that said fifth joint is a rotary joint connected to said mobile platform.

10. Mechanism according to claim 1 characterized by the fact that said mechanism guarantees a translating motion only with three degrees of freedom with said mobile platform.

11. Parallel kinematic robot comprising a mobile platform having a single translating motion with three degrees of freedom characterized by the fact that it comprises a mechanism according to claim 1.