PL237990B1

PL237990B1 - Monolithic reducer of limited angular movement

Info

Publication number: PL237990B1
Application number: PL427774A
Authority: PL
Inventors: Grzegorz Tora
Original assignee: Politechnika Krakowska Im Tadeusza Kosciuszki
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2021-06-28
Also published as: PL427774A1

Abstract

Monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego zawierający ruchome ogniwa i przewężenia, charakteryzuje się tym, że wejściowe ogniwo (1) reduktora, na którego jednym końcu znajduje się ustalone pierwsze przewężenie (A) reduktora, drugim końcem jest połączone drugim przewężeniem (B) reduktora z ruchomym łącznikiem (2) reduktora. Ruchomy łącznik (2) reduktora jest połączony z trzecim przewężeniem (C) reduktora, które z kolei połączone jest z ruchomym ogniwem wyjściowym (3) reduktora. Natomiast ruchome ogniwo wyjściowe (3) reduktora jest natomiast połączone czwartym przewężeniem (D) reduktora z nieruchomą podstawą (5) reduktora. Z kolei z ruchomym wejściowym ogniwem (1) reduktora za pomocą pierwszego przewężenia (A) reduktora połączone jest ruchome ogniwo nastawcze (4) reduktora, które jest połączone piątym przewężeniem (E) reduktora z podstawą (5) reduktora.A monolithic reducer of limited angular movement containing movable links and constrictions, characterized by the fact that the input link (1) of the reducer, at one end of which there is a fixed first constriction (A) of the reducer, at the other end is connected to the second constriction (B) of the reducer with a movable connector (2) reducer. The movable connector (2) of the reducer is connected to the third constriction (C) of the reducer, which in turn is connected to the movable output link (3) of the reducer. However, the movable output link (3) of the reducer is connected by the fourth narrowing (D) of the reducer with the stationary base (5) of the reducer. In turn, the movable adjusting link (4) of the reducer is connected to the movable input link (1) of the reducer via the first constriction (A) of the reducer, which is connected to the base (5) of the reducer by the fifth constriction (E) of the reducer.

Description

Przedmiotem wynalazku jest monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego, przeznaczony do manipulatorów wykonujących mikroruchy.The subject of the invention is a monolithic limited angular movement reducer, intended for manipulators that perform micromovements.

Manipulatory wykonujące mikroruchy wykorzystywane są do prac mikroskopowych w różnych dziedzinach nauki i techniki, w tym w szczególności w biologii, medycynie, elektronice czy mikromechanice. Głównym problemem w konstrukcji mikromanipulatorów jest zapewnienie powtarzalności precyzji ruchu takiego urządzenia. Precyzja ta zależy m.in. od luzów w przegubach, temperatury, tarcia, drgań czy przyjętego sposobu sterowania.Micromovement manipulators are used for microscopic work in various fields of science and technology, including in particular biology, medicine, electronics and micromechanics. The main problem in the construction of micromanipulators is to ensure the repeatability of the precision of the movement of such a device. This precision depends, among others, on from play in joints, temperature, friction, vibrations or the adopted method of control.

Redukcję ruchu kątowego o niewielkim zakresie, z wykorzystaniem mechanizmów dźwigniowych, można zrealizować przez układ zawierający dźwignię dwu lub jednostronną. Rozwiązanie to charakteryzuje się praktycznie stałym przełożeniem jednak, bez możliwości jego zmiany dla konstrukcji monolitycznych.The small extent reduction of angular movement using lever mechanisms can be accomplished by a system including a two-way or a single lever. This solution is characterized by a practically constant ratio, however, without the possibility of changing it for monolithic structures.

Innym znanym rozwiązaniem jest czworobok przegubowy pracujący w pobliżu położenia osobliwego. Wartość przełożenia reduktora opartego na czworoboku zależy od tego jak blisko położenia osobliwego znajduje się czworobok i może osiągać duże wartości jednak jest zmienne w realizowanym zakresie pracy.Another known solution is an articulated quadrilateral operating near singularity. The value of the gear ratio of the reducer based on the quadrilateral depends on how close the quadrilateral is to the singular position and can reach high values, however, it is variable in the realized range of work.

Znanym rozwiązaniem mechanizmu manipulatora do realizacji mikroruchów jest mechanizm monolityczny, składający się z jednego lub większej ilości elementów połączonych sztywno ze sobą. Ruch w takim mechanizmie polega na odkształceniu w przewężeniach, które pracują, w zależności od kształtu, podobnie jak przeguby obrotowe lub kuliste. Maksymalny zakres ruchu w przewężeniu jest ograniczony wykorzystywaniem odkształceń w zakresie sprężystym materiału. Podstawową zaletą mechanizmów monolitycznych jest brak luzów, co pozytywnie wpływa na dokładność pracy urządzenia. Przykładem takiego manipulatora do realizacji mikroruchów jest znana konstrukcja monolityczna, której głównym elementem jest sześcian, wykonujący przemieszczenia w trzech prostopadłych kierunkach. Sześcian poprzez dwanaście łączników jest podłączony do trzech napędów piezoelektrycznych. Ruch napędów deformuje łączniki, powodując planowane przemieszczenie wierzchołków sześcianu.A known solution of the manipulator mechanism for the implementation of micromovements is a monolithic mechanism, consisting of one or more elements rigidly connected to each other. Movement in such a mechanism is based on deformation in the constrictions, which work, depending on the shape, like pivot or ball joints. The maximum range of motion in the constriction is limited by the use of elastic deformations of the material. The main advantage of monolithic mechanisms is the lack of play, which positively affects the accuracy of the device. An example of such a manipulator for the implementation of micromovements is the known monolithic structure, the main element of which is a cube, performing displacements in three perpendicular directions. The cube is connected to three piezoelectric drives via twelve connectors. The movement of the drives deforms the connectors, causing the planned displacement of the cube vertices.

Innym znanym rozwiązaniem jest monolityczny manipulator do realizacji mikroruchów, ujawniony w opisie wynalazku SU590536 (A1). Składa się on z płaskiej platformy pozycjonowanej przez trzy elastyczne elementy, przy czym każdy z nich poruszany jest przez napęd krzywkowy. Jeden napęd służy do wstępnej regulacji ustawienia, zaś dwa pozostałe służą do przemieszczania punktu obserwacji w płaszczyźnie.Another known solution is a monolithic manipulator for realizing micromovements, disclosed in the description of the invention SU590536 (A1). It consists of a flat platform positioned by three flexible elements, each moved by a cam drive. One drive is used to pre-adjust the setting, the other two are used to move the observation point in the plane.

Celem wynalazku jest stworzenie monolitycznego reduktora ograniczonego ruchu kątowego, o niewielkich wymiarach gabarytowych. Ponadto dodatkowym celem jest aby monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego miał znaczne, nastawialne, a jednocześnie jak najbardziej zbliżone do stałego, przełożenie.The aim of the invention is to create a monolithic limited angular movement reducer with small overall dimensions. In addition, an additional objective is that the monolithic limited angular movement reducer has a significant, adjustable, and at the same time as close to a fixed ratio as possible.

Monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego według wynalazku zawierający ruchome ogniwa i przewężenia, charakteryzuje się tym, że wejściowe ogniwo reduktora, na którego jednym końcu znajduje się ustalone pierwsze przewężenie reduktora, drugim końcem jest połączone drugim przewężeniem reduktora z ruchomym łącznikiem reduktora. Ruchomy łącznik reduktora jest połączony z trzecim przewężeniem reduktora, które z kolei połączone jest z ruchomym ogniwem wyjściowym reduktora. Ruchome ogniwo wyjściowe reduktora jest natomiast połączone czwartym przewężeniem reduktora z nieruchomą podstawą reduktora. Z kolei z ruchomym ogniwem wejściowym reduktora za pomocą pierwszego przewężenia reduktora połączone jest ruchome ogniwo nastawcze reduktora, które jest połączone piątym przewężeniem reduktora z podstawą reduktora.The monolithic limited angular movement reducer according to the invention, comprising movable links and constrictions, is characterized in that the reducer input link, at one end of which there is a predetermined first reducer of the reducer, is connected at the other end by the second reducer of the reducer to the movable connecting piece of the reducer. The movable link of the reducer is connected to the third throat of the reducer, which in turn is connected to the movable output link of the reducer. The movable output link of the reducer is connected by the fourth throat of the reducer to the fixed base of the reducer. The movable setting link of the reducer is connected to the movable input link of the reducer by means of the first restriction of the reducer, which is connected by the fifth restriction of the reducer with the reducer base.

Kątowy ruch roboczy monolitycznego reduktora ograniczonego ruchu kątowego wywołuje wejściowe ogniwo reduktora, które obraca się wokół ustalonego pierwszego przewężenia reduktora. Ruchomy łącznik reduktora wykonuje ruch płaski i powoduje zredukowany ruch kątowy ogniwa wyjściowego reduktora.The angular operating movement of the monolithic limited angular travel reducer causes the reducer input link to rotate about a predetermined first throat of the reducer. The movable linkage of the reducer moves flat and causes reduced angular movement of the reducer output link.

Przełożenie monolitycznego reduktora ograniczonego ruchu kątowego zależy od odległości pomiędzy przewężeniami reduktora trzecim i czwartym oraz od nastawianej odległości pomiędzy przewężeniami reduktora pierwszym i trzecim, którą można ustalać przez unieruchomienie ogniwa nastawczego reduktora w wybranej pozycji.The ratio of the monolithic limited angular movement reducer depends on the distance between the throat of the third and fourth reducer and the adjustable distance between the throat of the first and third reducer, which can be set by locking the adjusting link of the reducer in a selected position.

Przełożenie monolitycznego reduktora ograniczonego ruchu kątowego jest definiowane jako stosunek przemieszczenia kątowego wejściowego ogniwa reduktora Δα1 do przemieszczenia kątowego ruchomego ogniwa wyjściowego reduktora Δα3. Ponieważ zwroty tych przemieszczeń kątowych zawszeThe ratio of the monolithic limited angular movement reducer is defined as the ratio of the angular displacement of the reducer input link Δα1 to the angular displacement of the moving output link of the reducer Δα3. Because the returns of these angular displacements always

PL 237 990 B1 są przeciwne, znak przełożenia jest ujemny. Wartość przełożenia jest prawie stała i jest w przybliżeniu równa stosunkowi stałej odległości pomiędzy trzecim i czwartym przewężeniami reduktora b nastawianej odległości pomiędzy pierwszym i trzecim przewężeniami reduktora aAre the opposite, the gear ratio is negative. The ratio value is almost constant and is approximately equal to the ratio of the constant distance between the third and fourth reducers of the reducer b the adjustable distance between the first and third reducers of the reducer and

Przykładowo dla b = 100 mm i czterech wartości: a = 5, 4, 2, 1 mm, uzyskuje się odpowiednio cztery wartości przełożeń: k.. = -20, -25, -50, -100.For example, for b = 100 mm and four values: a = 5, 4, 2, 1 mm, four values of gear ratios are obtained, respectively: k .. = -20, -25, -50, -100.

Dzięki konstrukcji monolitycznego reduktora ograniczonego ruchu kątowego według wynalazku, możliwa jest redukcja ruchu kątowego i liniowego z dużym przełożeniem na pojedynczym stopniu. Ponadto monolityczna budowa eliminuje szkodliwe luzy i skokowe zmiany siły tarcia przy zmianie zwrotów względnych prędkości elementów monolitycznego reduktora ruchu kątowego.Due to the design of the monolithic limited angular movement reducer according to the invention, it is possible to reduce the angular and linear movement with a large ratio in a single stage. In addition, the monolithic structure eliminates harmful clearances and abrupt changes in the friction force when changing the relative returns of the speed of the elements of the monolithic angular motion reducer.

Monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego, pokazano w przykładach realizacji na schematycznym rysunku, na który Fig. 1 przedstawia monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego, zaś Fig. 2 przedstawia monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego jako element manipulatora do realizacji mikroruchów.The monolithic limited angular motion reducer is shown in the embodiments in the schematic drawing in which Fig. 1 shows the monolithic limited angular motion reducer and Fig. 2 shows the monolithic limited angular motion reducer as part of the manipulator for realizing micromovements.

Monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego według wynalazku składa się w przykładzie wykonania z wejściowego ogniwa 1 reduktora, na którego jednym końcu znajduje się ustalone pierwsze przewężenie A reduktora, drugim końcem wejściowe ogniwo 1 jest połączone drugim przewężeniem B reduktora z ruchomym łącznikiem 2 reduktora. Ruchomy łącznik 2 reduktora jest połączony z trzecim przewężeniem C reduktora, które z kolei połączone jest z ruchomym ogniwem wyjściowym 3 reduktora. Ruchome ogniwo wyjściowe 3 reduktora jest połączone czwartym przewężeniem D reduktora z nieruchomą podstawą 5 reduktora. Ponadto pierwsze ogniowo 1 reduktora jest połączone pierwszym przewężeniem A reduktora z ogniwem nastawczym 4 reduktora, zaś ogniwo nastawcze 4 reduktora jest połączone za pomocą piątego przewężenia E reduktora z podstawą 5 reduktora.The monolithic limited angular travel reducer according to the invention consists in the embodiment of the reducer input link 1, at one end of which there is a predetermined first restriction A of the reducer, with the other end of the input link 1 connected by the second restriction B of the reducer to the movable link 2 of the reducer. The movable link 2 of the reducer is connected to the third restriction C of the reducer, which in turn is connected to the movable output link 3 of the reducer. The movable output link 3 of the reducer is connected by the fourth throat D of the reducer with the fixed base 5 of the reducer. Moreover, the first link 1 of the reducer is connected by the first restriction A of the reducer to the setting link 4 of the reducer, and the linking link 4 of the reducer is connected by the fifth restriction E of the reducer to the base 5 of the reducer.

Manipulator do realizacji mikroruchów, zawierający monolityczny reduktor ograniczonego ruchu kątowego, w przykładzie wykonania składa się z pierwszego przewężenia 6 manipulatora, z którym z jednej strony połączone jest pierwsze ogniwo 7 manipulatora. Pierwsze ogniowo 7 manipulatora swoim drugim końcem połączone jest przez drugie przewężenie 8 manipulatora z ogniwem wejściowym 9 pierwszego reduktora. Ogniwo wejściowe 9 pierwszego reduktora jest połączone trzecim przewężeniem 12 z ogniwem nastawczym 10 pierwszego reduktora, które z kolei jest połączone czwartym przewężeniem 11 z podstawą 17 manipulatora. Ogniwo wejściowe 9 pierwszego reduktora jest połączone piątym przewężeniem 13 z łącznikiem 14 pierwszego reduktora, który z kolei jest połączony szóstym przewężeniem 15 z ogniwem wyjściowym 16 pierwszego reduktora. Siódme przewężenie 20 łączy podstawę 17 z ogniwem wyjściowym 16 pierwszego reduktora, które z kolei jest połączone ósmym przewężeniem 18 z drugim ogniwem 19. Drugie ogniwo 19 jest połączone dziewiątym przewężeniem 21 z platformą 23. Dziesiąte przewężenie 22 łączy trzecie ogniwo 25 z platformą 23, która z kolei jest połączona jedenastym przewężeniem 26 z czwartym ogniwem 28. Trzecie ogniwo 25 jest połączone dwunastym przewężeniem 27 z podstawą 17. Czwarte ogniwo 28 jest połączone trzynastym przewężeniem 29 z ogniwem wyjściowym 31 drugiego reduktora, które z kolei jest połączone czternastym przewężeniem 30 z podstawą 17. Ogniwo wyjściowe 31 drugiego reduktora jest połączone piętnastym przewężeniem 32 z łącznikiem 33 drugiego reduktora, który z kolei jest połączony szesnastym przewężeniem 34 z ogniwo wejściowym 35 drugiego reduktora. Ogniwo wejściowe 35 drugiego reduktora jest połączone siedemnastym przewężeniem 36 z ogniwem nastawczym 37 drugiego reduktora, które z kolei jest połączone osiemnastym przewężeniem 38 z podstawą 17. Ogniwo wejściowe 35 drugiego reduktora jest połączone dziewiętnastym przewężeniem 39 z piątym ogniwem 40, które z kolei jest połączone pierwszym przewężeniem 6 z pierwszym ogniwem 7. Środki przewężeń dziewiątego 21, dziesiątego 22, jedenastego 26 oraz koniec narzędzia roboczego manipulatora 24 wyznaczają wierzchołki kwadratu. Trzecie ogniwo 25 jest prostopadłe do przekątnej kwadratu, która znajduje się na osi symetrii manipulatora.A manipulator for implementing micromovements, comprising a monolithic limited angular movement reducer, in an exemplary embodiment consists of a first manipulator constriction 6 to which, on one side, the first link 7 of the manipulator is connected. The first link 7 of the manipulator is connected with its second end by the second neck 8 of the manipulator to the input link 9 of the first reducer. The input link 9 of the first reducer is connected by a third reducer 12 to the setting link 10 of the first reducer which in turn is connected by the fourth reducer 11 to the base 17 of the manipulator. The input link 9 of the first reducer is connected by a fifth restriction 13 to the connector 14 of the first reducer which in turn is connected by the sixth restriction 15 to the output link 16 of the first reducer. The seventh neck 20 connects the base 17 to the output link 16 of the first reducer, which in turn is connected by the eighth neck 18 to the second link 19. The second link 19 is connected by the ninth neck 21 to the platform 23. The tenth neck 22 connects the third link 25 to the platform 23 which is in turn, it is connected by the eleventh restriction 26 to the fourth link 28. The third link 25 is connected by a twelfth restriction 27 to the base 17. The fourth link 28 is connected by a thirteenth restriction 29 to the output link 31 of the second reducer, which in turn is connected by the fourteenth restriction 30 to the base 17. The output link 31 of the second reducer is connected by a fifteenth restriction 32 to the connecting piece 33 of the second reducer, which in turn is connected by the sixteenth restriction 34 to the input link 35 of the second reducer. The input link 35 of the second reducer is connected by a seventeenth restriction 36 to the setting link 37 of the second reducer which in turn is connected by the eighteenth restriction 38 to the base 17. Input link 35 of the second reducer is connected by the nineteenth restriction 39 to the fifth link 40 which in turn is connected to the first link. throat 6 with first link 7. Throat centers of the ninth 21, tenth 22, eleventh 26 and the end of the manipulator tool 24 define the vertices of the square. The third link 25 is perpendicular to the diagonal of the square which is on the axis of symmetry of the manipulator.

Claims

1. A monolithic limited angular movement reducer comprising movable links and reducers, characterized in that the input link (1) of the reducer, at one end of which there is a predetermined first restriction (A) of the reducer, is connected by the other end by the second restriction (B) of the reducer to the movable reducer. link (2) of the reducer, while the movable link (2) of the reducer is connected with the third restriction (C) of the reducer, which in turn is connected with the movable output link (3) of the reducer, while the movable output link (3) of the reducer is connected with the fourth restriction (D) of the reducer with the fixed base (5) of the reducer, and with the movable input link (1) of the reducer, the movable setting link (4) of the reducer is connected by means of the first restriction (A) of the reducer, which is connected by the fifth restriction (E) of the reducer with the basis (5) reducer.