PL216454B1

PL216454B1 - Parallel manipulator

Info

Publication number: PL216454B1
Application number: PL385247A
Authority: PL
Inventors: Daniel Prusak; Tadeusz Uhl
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica
Priority date: 2008-05-21
Filing date: 2008-05-21
Publication date: 2014-04-30
Also published as: PL385247A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest manipulator równoległy, znajdujący zastosowanie jako urządzenie do zadań montażowych i manipulacyjnych w mikro- i nano- technologiach, biologii molekularnej, neurochirurgii; a także w okulistyce.The subject of the invention is a parallel manipulator, applicable as a device for assembly and manipulation tasks in micro- and nano-technologies, molecular biology, neurosurgery; and also in ophthalmology.

Znany z opisu patentowego nr P-377752 manipulator zawiera trzy ramiona o długości nastawialnej za pomocą siłowników liniowych, które są połączone przegubowo między podstawą a uchwytem. Uchwyt ma konstrukcję potrójnego przegubu obrotowego o osi głównej prostopadłej do płaszczyzny wyznaczonej osiami obrotu trzech przegubów obrotowych o 1-nym stopniu swobody, z którymi połączone są ramiona. Przeguby łączące ramiona z podstawą są przegubami o 2-ch stopniach swobody i o nieprzecinających się osiach obrotu, przy czym odległość między tymi osiami jest równa i równoległa do odległości między osią główną uchwytu a osią obrotu przegubu o 1-nym stopniu swobody łączącego ramię manipulatora z jego uchwytem.The manipulator known from the patent description No. P-377752 includes three arms of length adjustable by means of linear actuators, which are articulated between the base and the handle. The handle has a structure of a triple pivot joint with a principal axis perpendicular to the plane defined by the axes of rotation of three pivot joints with a 1st degree of freedom to which the arms are connected. The joints connecting the arms with the base are joints with 2 degrees of freedom and non-intersecting axes of rotation, the distance between these axes being equal and parallel to the distance between the main axis of the handle and the axis of rotation of the joint with the 1st degree of freedom connecting the manipulator arm with its axis of rotation. handle.

Znany z opisu patentowego nr US 5656905 mechanizm o wielu stopniach swobody zawiera mechanizm do manipulacji pozycją, który zawiera trzy identyczne człony połączone przegubowo z ruchomą platformą i nieruchomą bazą. Każdy człon składa się z górnego ramienia i przedramienia. Każde przedramię jest pojedynczym elementem, a każde górne ramię zawiera płaski równoległobok, którego osie obrotu są równoległe względem siebie, a długości naprzeciwległych elementów są sobie równe. Równoległobok i przedramię są połączone ze sobą oraz połączone do platformy ruchomej i nieruchomej bazy przez trzy równoległe obrotowe przeguby o osiach prostopadłych do osi równoległoboku. Korzystnie jest jeśli ramiona rozłożone są co 120° w punktach połączenia z platformą ruchomą.The multi-degrees-of-freedom mechanism known from US Patent No. 5,656,905 includes a position manipulation mechanism that includes three identical members articulated to a movable platform and a fixed base. Each segment consists of an upper arm and a forearm. Each forearm is a single piece, and each upper arm contains a flat parallelogram, the axes of rotation of which are parallel to each other and the lengths of the opposing elements are equal to each other. The parallelogram and the forearm are connected to each other and connected to the moving platform and the fixed base by three parallel rotary joints with axes perpendicular to the axis of the parallelogram. Preferably, the arms are spread every 120 ° at the points of connection with the movable platform.

Manipulator, według wynalazku, równoległy zawierający wyposażone w sterowane napędy liniowe co najmniej trzy ramiona zmiennej długości połączone przegubowo z podstawą i platformą roboczą w układzie przestrzennym wzdłuż krawędzi ostrosłupa, a przeguby łączące jedne końce ramion z platformą roboczą są przegubami obrotowymi o 1-nym stopniu swobody, przy czym platforma robocza ma konstrukcję wieloprzegubowego elementu o przegubach obrotowych, a jej oś główna jest prostopadła do płaszczyzny wyznaczonej osiami obrotu przyłączonych przegubów obrotowych o 1-nym stopniu swobody, zaś drugie końce ramion połączone są z drugimi przegubami obrotowymi charakteryzuje się tym, że z drugimi przegubami obrotowymi połączone są jedne końce przedramion, przy czym drugie przeguby obrotowe są przegubami o 1-nym stopniu swobody, a drugie końce przedramion połączone są z napędami obrotowymi, z którymi połączone są przeguby obrotowe podstawy, przy czym przeguby obrotowe podstawy są przegubami o 1-nym stopniu swobody i o osiach obrotu prostopadłych do płaszczyzny wyznaczonej przez osie napędów obrotowych. Odległość między nieprzecinającymi się osiami napędów obrotowych i osiami przegubów podstawy jest równa i równoległa do odległości między osiami pierwszych przegubów obrotowych połączonych z platformą roboczą a jej osią główną.A parallel manipulator, according to the invention, comprising at least three arms of variable length, equipped with controlled linear drives, articulated with the base and the working platform in a spatial arrangement along the edge of the pyramid, and the joints connecting one arm ends with the working platform are rotating joints with the 1st degree of freedom , wherein the working platform is constructed as a multi-articulated pivot element, and its major axis is perpendicular to the plane defined by the rotation axes of the associated 1st degree-of-freedom pivot joints, and the second ends of the arms are connected to the second pivot joints characterized in that the second pivot joints are connected to one of the ends of the forearms, the second pivot joints are joints of the 1st degree of freedom, and the other ends of the forearms are connected to the rotary drives to which the base swivels are connected, the base swivel joints being 1 degree of freedom - a degree of St. periphery and with axes of rotation perpendicular to the plane defined by the axes of rotary drives. The distance between the non-intersecting axes of the slewing drives and the axes of the base joints is equal to and parallel to the distance between the axes of the first slewing joints connected to the build plate and its main axis.

Ponadto jako napędy obrotowe albo jako napędy liniowe albo jako napędy obrotowe i napędy liniowe stosuje się napędy piezoelektryczne.Furthermore, piezoelectric drives are used as rotary drives, either as linear drives or as rotary drives and linear drives.

Manipulator równoległy, według wynalazku, zapewnia dużą przestrzeń roboczą przy małych gabarytach. Zastosowanie dwuczłonowego elementu łączącego platformę roboczą i podstawę oraz napędu obrotowego w podstawie z równoczesnym zachowaniem równych i równoległych względem siebie odległości między określonymi osiami obrotu w podstawie i platformie roboczej istotnie upraszcza modelowanie i sterowanie. Zastosowanie zaś napędów piezoelektrycznych w podstawie do napędu przedramion oraz na ramionach do regulacji ich długości zwiększa odpowiednio precyzję pozycjonowania w zadanym punkcie przestrzeni oraz umożliwia korekcję luzów montażowych.The parallel manipulator, according to the invention, provides a large working space with small dimensions. The use of a two-part element connecting the build plate and the base and a rotary drive in the base, while maintaining equal and parallel distances between the defined rotation axes in the base and the build platform significantly simplifies modeling and control. On the other hand, the use of piezoelectric drives in the base to drive the forearms and on the arms to adjust their length increases the positioning precision at a given point in space and allows for the correction of assembly clearances.

Rozwiązanie, według wynalazku, przedstawione jest w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu kinematycznego manipulatora, a fig. 2 - izometryczny widok manipulatora rzeczywistego.The solution according to the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of the kinematic system of the manipulator, and Fig. 2 - an isometric view of the real manipulator.

Manipulator, według wynalazku, zawiera trzy ramiona 1 o zmiennej długości połączone przegubowo z podstawą 2 i platformą roboczą 3 rozmieszczone co 120° względem siebie w układzie przestrzennym wzdłuż krawędzi ostrosłupa. Każde z ramion 1 wyposażone jest w sterowane napędy liniowe 4. Jedne końce ramion 1 połączone są z platformą roboczą 3 pierwszymi przegubami obrotowymi 5 o 1-nym stopniu swobody. Platforma robocza 3 ma konstrukcję wieloprzegubowego elementu o przegubach obrotowych, a jej oś główna Oś1 jest prostopadła do płaszczyzny wyznaczonej osiami obrotu Oś2 przyłączonych przegubów obrotowych 5 o 1-nym stopniu swobody. Drugie końce ramion 1 połączone są poprzez drugie przeguby obrotowe 6 z jednymi końcami przedramion 7, przy czym drugie przeguby obrotowe 6 sąThe manipulator according to the invention comprises three arms 1 of variable length articulated to the base 2 and the working platform 3 spaced at 120 ° to each other in a spatial pattern along the edge of the pyramid. Each of the arms 1 is equipped with controlled linear drives 4. One ends of the arms 1 are connected to the working platform 3 by first pivot joints 5 with a 1st degree of freedom. The working platform 3 has the structure of a multi-articulated pivot element, and its major axis Axis 1 is perpendicular to the plane defined by the axes of rotation Axis 2 of the connected pivot joints 5 with a 1st degree of freedom. The other ends of the arms 1 are connected via second pivot joints 6 to one end of the forearms 7, the other pivot joints 6 being

PL 216 454 B1 przegubami o 1-nym stopniu swobody. Drugie końce przedramion 7 połączone są z napędami obrotowymi 8, z którymi połączone są przeguby obrotowe 9 podstawy 2, przy czym przeguby obrotowe 9 podstawy 2 są przegubami o 1-nym stopniu swobody i o osiach obrotu Oś3 prostopadłych do płaszczyzny wyznaczonej przez osie obrotu Oś4 napędów obrotowych 8. Odległość A między nieprzecinającymi się osiami Oś4 napędów obrotowych 8 i osiami Oś3 przegubów 9 podstawy 2 jest równa i równoległa do odległości między osiami Oś2 pierwszych przegubów 5 połączonych z platformą roboczą 3 a główną osią Oś1 platformy 3. Zastosowane napędy liniowe 4 i napędy obrotowe 8 są napędami piezoelektrycznymi.PL 216 454 B1 joints with a 1st degree of freedom. The second ends of the forearms 7 are connected to rotary drives 8 to which the pivot joints 9 of the base 2 are connected, while the pivot joints 9 of the base 2 are 1-degree-of-freedom joints with axes of rotation Axis 3 perpendicular to the plane defined by the axes of rotation Axis 4 of the rotary drives 8. Distance A between non-intersecting axes Axis 4 of rotary drives 8 and axes Axis 3 of joints 9 of base 2 is equal and parallel to the distance between axes Axis 2 of the first joints 5 connected to the work platform 3 and the main axis Axis 1 of the platform 3. Linear drives 4 and rotary drives used 8 are piezoelectric drives.

Manipulator, według wynalazku, utworzony przez odpowiednio dobrana strukturę kinematyczną napędzany jest przez piezoelektryczne napędy obrotowe 8 oraz piezoelektryczne napędy liniowe 4 umieszczone odpowiednio przy podstawie 2 i w jego ramionach 1. Napędy obrotowe 8 wprawiają w ruch obrotowy przedramiona 7, które poprzez drugie obrotowe przeguby 6, ramiona 1 i pierwsze przeguby obrotowe 5 oddziałują równolegle na platformę roboczą 3 zmieniając jej pozycję w przestrzeni /bez zmiany orientacji/, a główna oś Oś1 platformy roboczej 3 pozostaje niezmiennie prostopadła do podstawy 2. Napędy liniowe 4 powodują zmianę długości ramion 1 w ich osiach działania. Całość stanowi zamknięty równoległy łańcuch kinematyczny i zmiana położenia dowolnego przedramienia 7 oraz zmiana długości dowolnego z ramion 1 powoduje zmianę położenia platformy roboczej 3 w przestrzeni. Napęd obrotowy 8 jest napędem o dużym zakresie ruchu i jest napędem głównym ustalającym zgrubnie pozycję platformy roboczej 3 manipulatora, według wynalazku, w zadanym punkcie przestrzeni, zaś napęd liniowy 4 jest napędem o małym zakresie ruchu i jest napędem pomocniczym o dużej precyzji ruchu, przy pomocy którego korygowana jest pozycja platformy roboczej 3 manipulatora w zadanym punkcie przestrzeni. Napędy liniowe 4 umożliwiają również korygowanie błędów odwzorowania trajektorii ruchu manipulatora w zależności od zastosowanych algorytmów sterowania.The manipulator according to the invention, formed by an appropriately selected kinematic structure, is driven by piezoelectric rotary drives 8 and piezoelectric linear drives 4 located at the base 2 and its arms 1, respectively. The rotary drives 8 rotate the forearms 7, which through the second pivot joints 6, the arms 1 and the first pivot joints 5 act parallel to the work platform 3 changing its position in space (without changing its orientation), and the main axis 1 of the work platform 3 remains perpendicular to the base 2. Linear drives 4 cause a change in the length of the arms 1 in their axes of operation . The whole is a closed parallel kinematic chain and a change in the position of any forearm 7 and a change in the length of any of the arms 1 causes a change in the position of the working platform 3 in space. The rotary drive 8 is a drive with a large range of motion and is the main drive coarse setting the position of the manipulator working platform 3 according to the invention at a given point in space, while the linear drive 4 is a drive with a small range of motion and is an auxiliary drive with high precision of motion by means of the position of the manipulator's work platform 3 at a given point in space is corrected. The linear drives 4 also enable the correction of errors in mapping the manipulator's trajectory depending on the control algorithms used.

Claims

Patent claims

1. A parallel manipulator comprising at least three arms of variable length, equipped with controlled linear drives, articulated with the base and the working platform in a spatial arrangement along the edge of the pyramid, and the joints connecting one arm's ends with the working platform are rotary joints with the 1st degree of freedom, and the working platform has the structure of a multi-articulated pivot element, and its main axis is perpendicular to the plane defined by the rotation axes of the connected 1st degree of freedom pivot joints, while the other ends of the arms are connected to the second pivot joints, characterized in that with the second pivot joints pivoting (6), one ends of the forearms (7) are connected, while the other pivot joints (6) are joints of the 1st degree of freedom, and the other ends of the forearms (7) are connected to the rotary drives (8) to which they are connected swivel joints (9) of the base (2), while the swivel joints (9) of the base (2) are 1- degree of freedom and with the axes of rotation (Axis3) perpendicular to the plane defined by the axes (Axis4) of rotary actuators (8), and the distance (A) between non-intersecting axes (Axis4) of rotary actuators (8) and axes (OŚ3) of joints (9) the base (2) is equal to and parallel to the distance (A ') between the axes (Axis2) of the first pivot joints (5) connected to the build plate (3) and its main axis (Axis1).

2. The three-arm manipulator according to claim 1, The method of claim 1, characterized in that piezoelectric drives are used as rotary drives (8).

3. The three-arm manipulator according to claim 1. A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that piezoelectric drives are used as linear drives (4).