PL213839B1

PL213839B1 - Three-arm parallel manipulator with closed kinematic Delta type chain of three degrees of freedom

Info

Publication number: PL213839B1
Application number: PL394237A
Authority: PL
Inventors: Pawel Laski; Jakub Takosoglu; Ilona Grzegorczyk; Sławomir Błasiak
Original assignee: Politechnika Swietokrzyska
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2013-05-31
Also published as: PL394237A1

Abstract

Manipulator charakteryzuje się, że elementy napędzane (R), zakończone są dźwigniami, korzystnie dwuramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody w których osadzone są zakończenia umocowań siłowników liniowych (A), zaś drugie zakończenia siłowników umocowane są do podstawy (1), zespolonej z kolumną (6), na której umocowana jest platforma podstawy (2). Siłowniki liniowe stanowią siłowniki pneumatyczne, korzystnie muskuły pneumatyczne (A). Z wałkami przegubowych połączeń elementów napędzanych (R) z platformą podstawy (2) sprzężone są przetworniki położeń kątowych (5).The manipulator is characterized in that the driven elements (R) are ended with levers, preferably double-armed, equipped with rotary joints with one degree of freedom in which the ends of the linear actuators (A) are embedded, and the other ends of the actuators are attached to the base (1), combined with the column (6) on which the base platform (2) is fixed. The linear actuators are pneumatic actuators, preferably pneumatic muscles (A). The angular position transducers (5) are coupled with the shafts of the articulated joints of the driven elements (R) with the base platform (2).

Description

Przedmiotem wynalazku jest manipulator równoległy trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody, przeznaczony do programowalnego wykonywania czynności manipulacyjnych, zwłaszcza w automatyzacji produkcji, elastycznym montażu, selekcji i dynamicznej segregacji.The subject of the invention is a three-arm parallel manipulator with a closed kinematic chain of the Delta type, with three degrees of freedom, intended for programmable handling, especially in production automation, flexible assembly, selection and dynamic segregation.

Znane są manipulatory równoległe z ramionami o stałej długości, w których jako jednostki napędowe stosowane są silniki elektryczne lub hydrauliczne.Parallel manipulators with fixed-length arms are known in which electric or hydraulic motors are used as drive units.

Z opisu patentowego US 4,976.582 znany jest manipulator, który posiada nieruchomą bazę i ruchomą platformę roboczą połączone ze sobą trzema ramionami. Napędzające części ramion są sztywno połączone z wałkiem. Trzy zespoły, z których każdy składa się z wałka i ramienia są napędzane przez silniki, które zamontowane są na stałej bazie i stanowią jej integralne elementy. Ramię napędzane połączone jest za pomocą przegubu z elementem wykonawczym ramienia. Element wykonawczy ramienia połączony jest z ruchomą platformą roboczą za pomocą obrotowej pary kinematycznej.From the patent description US 4,976,582 a manipulator is known, which has a fixed base and a movable working platform connected to each other by three arms. The driving arm parts are rigidly connected to the shaft. Three units, each consisting of a shaft and an arm, are driven by motors that are mounted on a fixed base and constitute its integral parts. The powered arm is connected by a joint to the arm's actuator. The arm actuator is connected to the movable working platform by means of a rotating kinematic pair.

W manipulatorach przemysłowych często spotykanym warunkiem kinematycznym jest równoległość przestrzennego przemieszczania bazy uchwytu, co jest realizowane przy wykorzystaniu mechanizmów równoległowodowych cechujących się niską sztywnością.In industrial manipulators, a common kinematic condition is the parallelism of spatial displacement of the handle base, which is realized with the use of parallelogram mechanisms characterized by low stiffness.

Manipulator równoległy, trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody, zawierający trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych, połączonych przegubowo jednym końcem z platformą podstawy oraz elementów wykonawczych połączonych z platformą roboczą przegubami obrotowymi, przy czym elementy napędzane i wykonawcze połączone są ze sobą także przegubowo, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elementy napędzane, od strony platformy podstawy, zakończone są dźwigniami, korzystnie dwuramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody w których osadzone są zakończenia umocowań siłowników liniowych, zaś drugie zakończenia siłowników umocowane są do podstawy, zespolonej z kolumną na której umocowana jest wspomniana platforma podstawy. Siłowniki liniowe stanowią siłowniki pneumatyczne, korzystnie muskuły pneumatyczne. Siłownikami liniowymi mogą też być siłowniki hydrauliczne lub elektryczne.A parallel, three-arm manipulator with a closed kinematic chain Delta type, with three degrees of freedom, containing three identical arms consisting of powered elements articulated at one end with the base platform and actuators connected to the working platform by rotary joints, with the driven and actuators connected are also articulated with each other, according to the invention, the driven elements, from the base platform side, end with levers, preferably two-armed, equipped with rotary joints with one degree of freedom in which the ends of linear actuators are mounted, and the other ends of the actuators are fixed they are to a base, fixed to the column on which said base platform is fixed. The linear actuators are pneumatic actuators, preferably pneumatic muscles. Linear actuators can also be hydraulic or electric actuators.

W przypadku elementu napędzanego zakończonego dźwignią dwuramienną jeden z siłowników liniowych może stanowić sprężyna a drugi muskuł pneumatyczny.In the case of a driven element terminated with a two-armed lever, one of the linear actuators may be a spring and the other a pneumatic muscle.

Z wałkami przegubowych połączeń elementów napędzanych z platformą podstawy sprzężone są przetworniki położeń kątowych.Angular position transducers are coupled to the articulated shafts of connections of the driven elements with the base platform.

W alternatywnym rozwiązaniu, elementy napędzane ramion zakończone są dźwigniami jednoramiennymi z przegubem obrotowym, w którym osadzone jest zakończenie siłownika liniowego, korzystnie w postaci muskułu pneumatycznego oraz sprężyną. Muskuły pneumatyczne oraz sprężyny drugimi końcami umocowane są do podstawy.In an alternative solution, the driven elements of the arms end with one-armed levers with a pivot joint in which the end of a linear actuator is mounted, preferably in the form of a pneumatic muscle, and a spring. Pneumatic muscles and springs are attached to the base with their other ends.

Trzy ramiona manipulatora o stałej długości, połączone są w układzie przestrzennym krawędzi bocznych dwóch ściętych ostrosłupów mających wspólną podstawę znajdującą się w przestrzeni pomiędzy platformą podstawy, a platformą roboczą. Przeguby łączące elementy napędowe ramion z elementami wykonawczymi oraz przeguby łączące elementy wykonawcze ramion z platformą ruchomą są przegubami kulowymi z ograniczeniami ruchu obrotowego wokół dwóch osi, natomiast wokół trzeciej osi została zachowana możliwość obrotu o kąt 360°. Trzpienie przegubów znajdują się w otworach mocujących, gdzie wzajemne położenie dwóch trzpieni jest koncentryczne. Napęd liniowy, zwłaszcza pneumatyczny elastyczny napęd ciągnący zbudowany w oparciu o muskuły pneumatyczne gwarantuje łagodny start jak i zatrzymanie, dużą dynamikę pracy manipulatora oraz wysoką przeciążalność.Three fixed-length manipulator arms are connected in a spatial arrangement of the side edges of two truncated pyramids having a common base located in the space between the base platform and the working platform. The joints connecting the driving elements of the arms with the actuators and the joints connecting the actuators of the arms with the movable platform are ball joints with rotational movement limitations around two axes, while the possibility of rotation by 360 ° has been maintained around the third axis. The pins of the joints are located in the mounting holes where the mutual position of the two pins is concentric. Linear drive, especially pneumatic flexible pulling drive built on the basis of pneumatic muscles, guarantees smooth start and stop, high dynamics of manipulator operation and high overload capacity.

Układ o zamkniętym łańcuchu kinematycznym realizuje warunek równoległego przemieszczania platformy roboczej względem platformy podstawy oraz cechuje się wysoką sztywnością konstrukcji.The system with a closed kinematic chain fulfills the condition of parallel displacement of the working platform in relation to the base platform and is characterized by high rigidity of the structure.

Istotne jest by pary elementów ramion napędowych i wykonawczych miały jednakową budowę oraz długość, a także ich zespoły były pod względem budowy i długości - jednakowe. Ważne jest też by układy dźwigniowe były rozmieszczone na planie trójkąta równobocznego, dotyczy to mocowań z platformą podstawy jak i podstawą manipulatora. Wzajemna koncentryczność trzpieni przegubów kulowych w układach mocujących eliminuje niekorzystny wpływ naprężeń gnących.It is important that the pairs of elements of the driving and operating arms have the same structure and length, and that their assemblies are the same in terms of structure and length. It is also important that the lever systems are arranged on an equilateral triangle plan, this applies to the mounts with the base platform and the manipulator base. The mutual concentricity of the pins of the ball joints in the fastening systems eliminates the negative influence of bending stresses.

PL 213 839 B1PL 213 839 B1

Dzięki zastosowaniu układu dźwigniowego masowe obciążenie narzędzia roboczego w dużej mierze jest przenoszone z napędu na konstrukcję nośną, co ma swe odzwierciedlenie w szybkości jego działania.Due to the use of a lever system, the mass load of the working tool is largely transferred from the drive to the supporting structure, which is reflected in the speed of its operation.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia manipulator z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych w widoku perspektywicznym, fig. 2 - manipulator z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, fig. 3 - manipulator z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, fig. 4 - schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych, fig. 5 schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, a fig. 6 - schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn.The subject of the invention is presented in the drawing, in which fig. 1 shows a manipulator with driven elements ending with two-armed levers with actuators in the form of pneumatic muscles in a perspective view, fig. 2 - manipulator with actuators in the form of pneumatic muscles and springs, fig. 3 - manipulator with driven elements ending with one-armed levers with actuators in the form of pneumatic muscles and springs, fig. 4 - kinematic diagram of the manipulator with driven elements ending with two-armed levers with actuators in the form of pneumatic muscles, actuators in the form of pneumatic muscles and springs, and Fig. 6 - kinematic diagram of the manipulator with driven elements ending with one-armed levers with actuators in the form of pneumatic muscles and springs.

Z podstawą 1 manipulatora zespolona jest kolumna 6 na której umocowana jest platforma podstawy 2. Na platformie podstawy 2 osadzone są obrotowo elementy napędzane R, R.1 połączone przegubowo z elementami wykonawczymi PR, których drugie końce połączone są przegubowo z platformą roboczą 7. Podstawa 1 manipulatora, platforma podstawy 2 oraz platforma robocza 7 posiadają zarys trójkątów równobocznych.The column 6 is connected to the manipulator's base 1, on which the base platform 2 is attached. The R, R.1 driven elements are rotatably mounted on the base platform 2, articulated with the PR actuators, the other ends of which are articulated with the working platform 7. Base 1 manipulator, base platform 2 and working platform 7 have the outline of equilateral triangles.

W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 1 oraz schemacie kinematycznym na fig. 4, elementy napędzane R zakończone są dźwigniami dwuramiennymi wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody, w których osadzone są zakończenia umocowań muskułów pneumatycznych A. Drugie końce par muskułów umocowane są do podstawy 1. Na wałkach obrotowych 3 oraz w obudowach 4 elementów napędzanych R osadzone są łożyska stanowiące osie obrotu elementów napędzanych. Obudowy 4 są umocowane do platformy podstawy 2 a z wałkami 3 sprzężone są przetworniki położeń kątowych 5.In the solution shown in Fig. 1 and in the kinematic diagram in Fig. 4, the driven elements R end with two-armed levers equipped with rotary joints with one degree of freedom, in which the ends of the pneumatic muscles A are mounted. The other ends of the pairs of muscles are fastened to the base 1 On the rotating shafts 3 and in the housings 4 of the driven elements R, there are mounted bearings constituting the axes of rotation of the driven elements. The housings 4 are fixed to the base platform 2 and the angular position transducers 5 are coupled to the shafts 3.

Manipulator posiada trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych R połączonych odpowiednio z trzema identycznymi elementami wykonawczymi PR. Elementy napędzane ramion oraz elementy wykonawcze ramion posiadają podwójną konstrukcję. Dla zwiększenia sztywności elementu napędzającego wprowadzono do ich konstrukcji łączniki w postaci tulei dystansowych.The manipulator has three identical arms consisting of driven elements R connected respectively with three identical actuators PR. The powered elements of the arms and the actuators of the arms have a double structure. To increase the stiffness of the driving element, connectors in the form of spacer sleeves were introduced into their structure.

Układy dźwigniowe są rozmieszczone na platformie podstawy 2 z rozstawem 120° wokół osi symetrii „a. Podstawa 1 zespolona jest z platformą podstawy 2 kolumną 6. Funkcję kolumny może spełniać także zespół elementów w postaci prętów lub profili zamkniętych łączących podstawę 1 z platformą podstawy 2. Elementy wykonawcze ramion PR połączone są z elementami napędzanymi ramion R, R.1 za pomocą układu składającego się z dwóch przegubów kulowych. Każdy z układów przegubów C, D, E, posiada trzy stopnie swobody, z trzema przecinającymi się osiami obrotu „b”, „c”, „d. Mocowanie elementów wykonawczych ramienia do platformy roboczej 7 składa się z układu dwóch przegubów. Każdy układ przegubów C., D., E. posiada trzy stopnie swobody i trzy osie obrotu „b., „c', „d'. W położeniu wyjściowym podstawa 1 manipulatora, platforma podstawy 2 oraz platforma robocza 7 zorientowane są równolegle względem siebie, oraz w położeniu prostopadłym do osi symetrii „a”. Zmiany długości kolejnych mięśni, w parach napędowych, realizowane przez układ sterujący kształtują trajektorię przemieszczenia dla efektora 8 przymocowanego do platformy roboczej 7. Efektor 8 może być umocowany do platformy roboczej 7 po jednej lub drugiej stronie platformy 7.The lever arrangements are arranged on the base platform 2 with a spacing of 120 ° around the axis of symmetry "a. The base 1 is integrated with the base platform 2 by column 6. The column function can also be performed by a set of elements in the form of bars or closed profiles connecting the base 1 with the base platform 2. The operating elements of the PR arms are connected with the driven elements of the R, R.1 arms by means of a system consisting of two ball joints. Each of the joint systems C, D, E has three degrees of freedom, with three intersecting axes of rotation "b", "c", "d. The fastening of the actuators of the arm to the work platform 7 consists of a system of two joints. Each joint system C., D., E. has three degrees of freedom and three axes of rotation "b.," C "," d ". In the starting position, the manipulator base 1, the base platform 2 and the work platform 7 are oriented parallel to each other and in a position perpendicular to the axis of symmetry "a". Changes in the length of successive muscles, in the drive pairs, carried out by the control system shape the trajectory of displacement for the effector 8 attached to the work platform 7. The effector 8 may be attached to the work platform 7 on one or the other side of the platform 7.

W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 2 oraz schemacie kinematycznym na fig. 4 manipulator wyposażony jest w siłowniki w postaci muskułów pneumatycznych A łączących jedno ramię dźwigni elementów napędzanych R z podstawą 1 manipulatora. Drugie ramiona tych dźwigni połączone są z podstawą 1 sprężynami B.In the embodiment shown in Fig. 2 and the kinematic diagram in Fig. 4, the manipulator is equipped with actuators in the form of pneumatic muscles A connecting one lever arm of the driven elements R to the manipulator base 1. The other arms of these levers are connected to the base 1 by springs B.

Na fig. 3 oraz schemacie kinematycznym na fig. 5 przedstawiono przykład wykonania manipulatora z elementami napędzanymi R.1 zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe. W przegubach dźwigni jednoramiennych umocowane siłowniki w postaci m uskułów pneumatycznych A oraz sprężyn B połączonych drugimi końcami z podstawą 1.Fig. 3 and the kinematic diagram in Fig. 5 show an embodiment of a manipulator with driven elements R.1 terminated with one-armed levers, equipped with pivot joints. In the articulated joints of the single-arm levers there are mounted actuators in the form of pneumatic arms A and springs B connected with the other ends to the base 1.

W porównaniu ze znanymi rozwiązaniami, manipulator według wynalazku wyróżnia się przede wszystkim rodzajem napędu gdzie zastosowano elastyczny, pneumatyczny, napęd ciągnący. W przypadku zastosowania jako napędu muskułów pneumatycznych, dodatkową zaletą jest łagodny start i łagodne zatrzymanie. Ponadto posiada dużą odporność na przeciążenia oraz charakteryzuje się dwoma wariantami lokalizacji przestrzeni roboczej.Compared to the known solutions, the manipulator according to the invention is distinguished primarily by the type of drive where a flexible, pneumatic, pulling drive is used. When used as a drive for pneumatic muscles, an additional advantage is a soft start and a gentle stop. In addition, it has high resistance to overload and is characterized by two variants of the location of the workspace.

Claims

1.Parallel, three-arm manipulator with a closed kinematic chain Delta type, with three degrees of freedom, containing three identical arms consisting of driven elements articulated at one end with the base platform and actuators connected to the work platform by rotary joints, while the driven and actuators are also articulated with each other, characterized in that the driven elements (R1, R1) are terminated with levers, preferably two-armed ones, equipped with rotary joints with one degree of freedom in which the ends of the linear actuators (A, B) are mounted, and the other ends of the actuators are fixed to the base (1), combined with the column (6) on which the base platform (2) is attached.

2. The manipulator according to claim A method as claimed in claim 1, characterized in that the linear actuators are pneumatic cylinders, preferably pneumatic muscles (A).

3. The manipulator according to claim The method of claim 1, wherein the linear actuators are hydraulic actuators.

4. The manipulator according to claim 1 The method of claim 1, wherein the linear actuators are electric actuators.

5. The manipulator according to claim 1 The method according to claim 1, characterized in that one of the linear actuators of the double-armed lever of the driven element (R) is a pneumatic muscle (A) and the other a spring (B).

6. The manipulator according to claim 1 The method of claim 1, characterized in that angular position transducers (5) are coupled to the articulated shafts of connections of the driven elements (R, R.1) with the base platform (2).

7. The manipulator according to claim 1 A method as claimed in claim 1, characterized in that the driven elements (R.1) end with one-armed levers with a pivot joint in which a linear actuator is mounted, preferably in the form of a pneumatic muscle (A) and springs (B) fixed with other ends to the base (1).