RU2455147C2

RU2455147C2 - Spatial mechanism having four degrees of freedom and kinematic decoupling

Info

Publication number: RU2455147C2
Application number: RU2010107006/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Аркадьевич Глазунов (RU); Виктор Аркадьевич Глазунов; Константин Андреевич Шалюхин (RU); Константин Андреевич Шалюхин; Сергей Владимирович Левин (RU); Сергей Владимирович Левин
Original assignee: Виктор Аркадьевич Глазунов; Константин Андреевич Шалюхин; Сергей Владимирович Левин
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2010-02-25
Publication date: 2012-07-10
Also published as: RU2010107006A

Abstract

FIELD: physics, robotics.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, particularly spatial handling mechanisms of robots with four degrees of freedom with kinematic decoupling. The spatial mechanism comprises three parallel kinematic schemes. The first scheme comprises motors for rotational and translational movement and parallel link mechanisms. The input link of the second parallel link is the output link of the first parallel link, and the output link of the second parallel link is rigidly interfaced with the final link of the mechanism. In the second and third kinematic schemes, the motors are in form of rotational movement motors vertically mounted on a base and interfaced with the final link by two vertically mounted hinges and intermediate links. Cylindrical hinges of the second and third kinematic schemes interfaced with the final link are rotational-translational and have a common axis coinciding with the final link.

EFFECT: high technical and operational efficiency of handlers in space.

1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с четырьмя степенями свободы с кинематической развязкой. Робот совершает три поступательные движения и вращения вокруг произвольной вертикальной оси.The invention relates to mechanical engineering, in particular to robotics, and in particular to spatial manipulation mechanisms of robots with four degrees of freedom with kinematic isolation. The robot makes three translational movements and rotations around an arbitrary vertical axis.

Целью изобретения является повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки. При этом приводы поступательного перемещения должны обеспечивать соответствующие поступательные перемещения конечного звена, а привод вращательного движения должен обеспечивать вращение конечного звена вокруг вертикальной оси.The aim of the invention is to increase the technical and operational efficiency of manipulation devices in space in four coordinates based on kinematic decoupling. In this case, the translational displacement drives must provide the corresponding translational displacements of the final link, and the rotational motion drive must ensure the rotation of the final link around the vertical axis.

Известно устройство - пространственный механизм (R.Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space", US Patent No. 4,976,582, December 11), включающий основание, конечное звено, связанное с установленными на основании двигателями вращательного перемещения посредством цилиндрических вращательных кинематических пар и промежуточных звеньев.A device is known - a spatial mechanism (R. Clavel, 1990, "Device for movement and displacing of an element in space", US Patent No. 4,976,582, December 11), including a base, an end link associated with rotational displacement motors installed on the base by cylindrical rotational kinematic pairs and intermediate links.

Недостатком данного устройства является отсутствие кинематической развязки между вертикальным перемещением и перемещениями в плоскости.The disadvantage of this device is the lack of kinematic isolation between vertical movement and movement in the plane.

За прототип взято устройство - пространственный механизм (Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot comprising means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies", Patent No. WO 2006/021629 A1, 02.03.2006), включающий основание, конечное звено, связанное посредством трех идентичных кинематических цепей, выполненных в виде вертикально установленного параллелограммного механизма и цилиндрической зубчатой передачи с тремя вертикально установленными на основании двигателями вращательного движения, осуществляющими движение конечного звена в плоскости, параллельной основанию, и его поворот вокруг вертикальной оси. Вертикальное перемещение конечного звена осуществляется вертикально установленным на основании двигателем поступательного движения, сопряженным со звеньями шарнирных параллелограммов через горизонтально расположенные штанги и связанные с ними вертикальные звенья, имеющие возможность только вертикального перемещения.The prototype is a spatial mechanism (Arakelyan V., Maurine P., Briot S., Pion E., 2005, "Parallel robot means means for setting in motion a mobile element split in two separate subassemblies", Patent No. WO 2006 / 021629 A1, 02.03.2006), including a base, an end link connected by three identical kinematic chains made in the form of a vertically mounted parallelogram mechanism and a cylindrical gear transmission with three vertically mounted rotational motion engines based on the base, which move the final link in the plane, parallel base uw, and its rotation about a vertical axis. The vertical movement of the final link is carried out vertically mounted on the base of the translational motion engine, coupled with the links of the articulated parallelograms through horizontally arranged rods and associated vertical links, with the possibility of only vertical movement.

Недостатком данного устройства является то, что в нем отсутствует полная кинематическая развязка между степенями свободы. Движение конечного звена в плоскости и его вращение вокруг вертикальной оси требуют согласованной работы всех трех вращательных двигателей. Это повышает сложность управления и снижает надежность устройства. Независимым является только движение по вертикали, осуществляемое сдельным двигателем.The disadvantage of this device is that it does not have a complete kinematic isolation between the degrees of freedom. The movement of the final link in the plane and its rotation around the vertical axis require the coordinated operation of all three rotational motors. This increases control complexity and reduces device reliability. Only vertical movement by a piece engine is independent.

Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по четырем координатам на базе кинематической развязки всех возможных движений.The technical result is the elimination of these shortcomings and increase the technical and operational efficiency of manipulation devices in space in four coordinates based on the kinematic decoupling of all possible movements.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве - пространственном механизме, включающем основание, конечное звено, вертикально установленный на основании двигатель вращательного перемещения, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения одной из кинематических цепей, сопряженным через начальное звено с шарнирным параллелограммом, который шарнирно связан с конечным звеном, вторая и третья кинематические цепи содержат двигатели вращательного перемещения, связанные с конечным звеном посредством цилиндрических шарниров, новым является то, что в кинематическую цепь, содержащую двигатель вращательного перемещения и двигатель поступательного перемещения, шарнирный параллелограмм, установленный горизонтально и жестко сопряженный своим начальным звеном с двигателем поступательного перемещения, включен второй шарнирный параллелограммом, входное звено которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма, а выходное звено второго параллелограмма жестко сопряжено с конечным звеном механизма, во второй и третьей кинематических цепях, содержащих два цилиндрических шарнира и промежуточное звено, выходные цилиндрические шарниры выполнены вращательно-поступательными и имеют общую ось, совпадающую с конечным звеном.The technical result is achieved by the fact that in the known device - a spatial mechanism comprising a base, an end link, a rotational displacement motor vertically mounted on the base, coupled to a vertically mounted translational displacement motor of one of the kinematic chains, coupled through an initial link with a hinged parallelogram, which is articulated with a final link, the second and third kinematic chains contain rotational displacement motors associated with the final link By means of cylindrical hinges, it is new that in the kinematic chain containing a rotational displacement engine and a translational displacement motor, a hinged parallelogram mounted horizontally and rigidly conjugated by its initial link with the translational displacement motor, a second hinged parallelogram is included, the input link of which is an output link the first articulated parallelogram, and the output link of the second parallelogram is rigidly interfaced with the final link of the mechanism, in watts swarm and third kinematic chains containing two cylindrical hinge and an intermediate, cylindrical hinges output rotational-translational formed and have a common axis coinciding with the end link.

Устройство - пространственный механизм (Рис.1) - включает основание 1, конечное звено 2, вертикально установленный двигатель вращательного перемещения 3 одной из кинематических цепей, сопряженный с вертикально установленным двигателем поступательного перемещения 4, жестко сопряженным через начальное звено 5 с шарнирным параллелограммом 6. Шарнирный параллелограмм 6 установлен горизонтально. Данная кинематическая цепь снабжена вторым шарнирным параллелограммом 7, входное звено 8 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 6, а выходное звено 9 жестко сопряжено с конечным звеном 2 механизма. Вторая и третья кинематические цепи содержат вертикально установленные двигатели вращательного перемещения 3', 3'', сопряженные с соответствующими начальными звеньями 5', 5'', которые связанны с конечным звеном 2 посредством двух шарниров - соответственно 10, 11 и 10', 11', и промежуточных звеньев 12 и 12' соответственно. Шарниры 10, 11 и 10', 11' установлены вертикально и параллельно оси соответствующего двигателя, причем выходные цилиндрические шарниры 11 и 11' являются вращательно-поступательными и сопряжены с конечным звеном 2, которое является их общей осью.The device - a spatial mechanism (Fig. 1) - includes a base 1, an end link 2, a vertically mounted rotational displacement motor 3 of one of the kinematic chains, coupled to a vertically mounted translational displacement motor 4, rigidly conjugated through an initial link 5 with a hinged parallelogram 6. Hinged parallelogram 6 is installed horizontally. This kinematic chain is equipped with a second hinged parallelogram 7, the input link 8 of which is the output link of the first hinged parallelogram 6, and the output link 9 is rigidly interfaced with the final link 2 of the mechanism. The second and third kinematic chains contain vertically mounted rotational displacement motors 3 ', 3' ', mated to the corresponding initial links 5', 5 '', which are connected to the final link 2 through two hinges - 10, 11 and 10 ', 11', respectively , and intermediates 12 and 12 ', respectively. The hinges 10, 11 and 10 ', 11' are mounted vertically and parallel to the axis of the corresponding engine, and the output cylindrical hinges 11 and 11 'are rotational-translational and are conjugated with the final link 2, which is their common axis.

Устройство - пространственный механизм - работает следующим образом.The device is a spatial mechanism - works as follows.

Относительно основания 1 конечное звено 2 перемещается поступательно вертикально посредством вертикально установленного двигателя поступательного перемещения 4, вращение вокруг вертикальной оси происходит посредством вертикально установленного двигателя вращательного перемещения 3, эти движения передаются через начальное звено 5 на жестко сопряженное с ним входное звено горизонтально установленного шарнирного параллелограмма 6, затем движение передаются на второй шарнирный параллелограмм 7, входное звено 8 которого является выходным звеном первого шарнирного параллелограмма 6, после этого с выходного звена 9 второго шарнирного параллелограмма 7 движение передается на конечное звено 2 механизма, причем цилиндрические шарниры 11 и 11' выполнены вращательно-поступательными и допускают вертикальное перемещение конечного звена 2. Во второй и третьей кинематических цепях двигатели вращательного перемещения 3' и 3'' установлены вертикально и передают движение соответствующим начальным звеньям 5'и 5'', затем движение передается последовательно на два шарнира соответственно 10, 11 и 10', 11', промежуточные звенья 12 и 12', а затем на конечное звено 2. Поскольку шарниры 11 и 11' имеют общую вертикальную ось и сопряжены с конечным звеном 2, то вращение двигателя 3 передается через шарнирные параллелограммы 6 и 7 на конечное звено 2 с передаточным отношением, равным единице. Тем самым осуществлена кинематическая развязка степеней свободы.With respect to the base 1, the final link 2 is moved translationally vertically by means of a vertically mounted translational displacement motor 4, rotation around the vertical axis is carried out by means of a vertically mounted rotational displacement motor 3, these movements are transmitted through the initial link 5 to the input link of the horizontally mounted hinged parallelogram 6, then the movement is transmitted to the second articulated parallelogram 7, the input link 8 of which is the output the first link of the first articulated parallelogram 6, then from the output link 9 of the second articulated parallelogram 7 the movement is transmitted to the final link 2 of the mechanism, and the cylindrical hinges 11 and 11 'are rotational-translational and allow vertical movement of the final link 2. In the second and third kinematic chains rotational movement motors 3 'and 3' 'are installed vertically and transmit the movement to the corresponding initial links 5'and 5' ', then the movement is transmitted sequentially to two hinges, respectively 1 0, 11 and 10 ', 11', intermediate links 12 and 12 ', and then to the final link 2. Since the hinges 11 and 11' have a common vertical axis and are paired with the final link 2, the rotation of the engine 3 is transmitted through the hinged parallelograms 6 and 7 to the final link 2 with a gear ratio equal to one. Thus, the kinematic decoupling of the degrees of freedom was carried out.

Claims

A spatial mechanism including a base, an end link, a vertically mounted rotational displacement motor coupled to a vertically mounted translational displacement engine of one of the kinematic chains, coupled through an initial link with a hinged parallelogram, which is pivotally connected to the final link, the second and third kinematic chains being vertically installed on the basis of the engines, each of which is paired with a corresponding initial link, characterized in that in an inematic circuit comprising a translational displacement engine and a rotational displacement engine, the articulated parallelogram is horizontally mounted and its input link is rigidly coupled to the corresponding initial link of the kinematic chain, said kinematic chain having a second articulated parallelogram, the input link of which is simultaneously the output link of the first articulated parallelogram, and the output link of the second parallelogram is rigidly coupled to the final link of the mechanism, while in W swarm kinematic chains and a third motor associated with the final stage by means of two vertically mounted cylindrical hinges and the intermediate member and the output of these circuits cylindrical hinges made rotationally translational and have a common axis coinciding with the end link.