RU2776578C1

RU2776578C1 - Symmetrical platform manipulator with three degrees of freedom

Info

Publication number: RU2776578C1
Application number: RU2021122411A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Пожбелко
Original assignee: Владимир Иванович Пожбелко
Filing date: 2021-07-26
Publication date: 2022-07-22

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mechanical engineering, in particular, to parallel-structure platform mechanisms. Manipulator comprises a support base, by means of a toggle apparatus interlocked with a mobile platform interacting with the working body. The toggle apparatus is made in the form of a set of three structural modules evenly arranged along the perimeter of the movable platform, wherein each of the modules is composed of one three-hinged connecting lever and three two-hinged connecting levers attached thereto, interlocked by means of cylindrical hinges with parallel axes of rotation to assemble the closed multiloop kinematic chain of the manipulator. Each of said structural modules is made in the form of a series assembly with the mobile platform of one three-hinged connecting lever and three two-hinged connecting levers, wherein said levers, between each other and with the support base, form a hinged parallelogram, or a hinged antiparallelogram, or a hinged five-link with a driven rotary or a rectilinear kinematic pair.

EFFECT: structural simplification, expansion of the workspace, and simplification of the control system of the working body due to the separate kinematics of all movements thereof.

5 cl, 9 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, и в частности к платформенным механизмам параллельной структуры, и может найти применение в обрабатывающих центрах, роботах-манипуляторах и автоматических линиях в разных областях техники и хирургической медицине.The invention relates to mechanical engineering, and in particular to platform mechanisms of a parallel structure, and can be used in machining centers, robotic manipulators and automatic lines in various fields of technology and surgical medicine.

Известен платформенный манипулятор, содержащий опорное основание и подвижную платформу, кинематически связанные между собой через многозвенное шарнирное устройство в виде шести приводных стержневых опор (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин», Москва: Высшая школа, 1996, с. 28, рис. 1.20, схема платформенного манипулятора Стюарта) - аналог.Known platform manipulator containing a support base and a movable platform, kinematically interconnected through a multi-link articulated device in the form of six drive rod supports (book Vulfson I.I. and others "Mechanics of Machines", Moscow: Higher School, 1996, p. 28 , Fig. 1.20, scheme of the Stuart platform manipulator) - analogue.

Недостатками известного платформенного манипулятора являются сложность конструкции и системы управления из-за применения 12 сложных сферических шарниров и необходимости управления одновременно 6 приводными двигателями.The disadvantages of the known platform manipulator are the complexity of the design and control system due to the use of 12 complex spherical joints and the need to simultaneously control 6 drive motors.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является платформенный манипулятор с тремя степенями свободы, содержащий опорное основание и шарнирно-рычажное устройство его связи с подвижной платформой в виде шарнирно-сочлененных приводных стержневых опор (статья Мирзаев Р.А. и др., Исследование кинематически манипулятора параллельной структуры (дельта-механизм)// Вестник Сибирского госуд. аэрокосм, ун-та. 2012. Вып. 4, с. 46-50, рис. 1 и рис. 4) - прототип.The closest to the proposed invention is a platform manipulator with three degrees of freedom, containing a support base and an articulated-lever device for its connection with a movable platform in the form of articulated drive rod supports (article Mirzaev R.A. and others, Study of a kinematically parallel structure manipulator (delta mechanism) // Bulletin of the Siberian State Aerospace University, 2012. Issue 4, pp. 46-50, Fig. 1 and Fig. 4) - prototype.

Недостатками указанного платформенного манипулятора являются:The disadvantages of the specified platform manipulator are:

1. Сложность конструкции и ее сборки из-за применения 6 сложных в изготовлении сферических шарниров.1. The complexity of the design and its assembly due to the use of 6 difficult-to-manufacture spherical hinges.

2. Узкая рабочая зона, уменьшающаяся до нуля в форме усеченного конуса (рис. 4 в указанной статье Мирзаева. Р.А.) из-за ограниченного угла поворота сферических шарниров и возникающих неуправляемых мертвых положений подвижной платформы из-за имеющихся зазоров в кинематических парах (статья Пожбелко В.И. Возникновение переменной (изменяемой) структуры и расчет размеров области особых положений механизма с учетом зазоров и вырождения кинематических пар // Журнал «Теория механизмов и машин», СПб: Изд-во СПбГПУ, 2010, т. 8(№2), с. 71-80).2. A narrow working area, decreasing to zero in the form of a truncated cone (Fig. 4 in the specified article by Mirzaev. R.A.) due to the limited angle of rotation of the spherical hinges and the resulting uncontrolled dead positions of the movable platform due to the existing gaps in the kinematic pairs (article Pozhbelko V.I. The emergence of a variable (changeable) structure and the calculation of the dimensions of the region of special positions of the mechanism, taking into account gaps and degeneration of kinematic pairs // Journal "Theory of Mechanisms and Machines", St. Petersburg: SPbGPU Publishing House, 2010, v. 8( No. 2), pp. 71-80).

3. Низкая эксплуатационная эффективность и функциональность из-за возникающего при движении углового поворота подвижной платформы с рабочим органом, нарушающего заданное расположение рабочего органа при его движении в рабочем пространстве манипулятора.3. Low operational efficiency and functionality due to the angular rotation of the movable platform with the working body that occurs during movement, violating the specified location of the working body when it moves in the working space of the manipulator.

4. Сложная система управления одновременно всеми приводными двигателями из-за взаимовлияния степеней свободы и возникающей из-за этого связности разных движений подвижной платформы.4. A complex control system for all drive motors simultaneously due to the mutual influence of degrees of freedom and the resulting connectivity of different movements of the movable platform.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и сборки манипулятора, расширении его рабочей зоны и функциональности, а также точного обеспечения заданной постоянной ориентации рабочего органа при его перемещении.The invention is based on a technical problem, which consists in simplifying the design and assembly of the manipulator, expanding its working area and functionality, as well as accurately ensuring a given constant orientation of the working body when it is moved.

Получение технического результата достигается за счет того, что установленное в платформенном манипуляторе шарнирно-рычажное устройство перемещения выходного звена выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы с рабочим органом трех структурных модулей, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного соединительного рычага и присоединенных к нему трех двухшарнирных соединительных рычагов, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических рычагов с параллельными осями вращения для сборки замкнутой многоконтурной кинематической цепи манипулятора.Obtaining a technical result is achieved due to the fact that the articulated-lever device for moving the output link installed in the platform manipulator is made in the form of a set of three structural modules evenly spaced along the perimeter of the movable platform with the working body, each of which is composed of one three-hinged connecting lever and attached to it three double-hinged connecting levers kinematically interconnected by means of cylindrical levers with parallel axes of rotation to assemble a closed multiloop kinematic chain of the manipulator.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7, фиг. 8 и фиг. 9.The essence of the invention is illustrated by the drawings in Fig. 1, fig. 2, fig. 3, fig. 4, fig. 5, fig. 6, fig. 7, fig. 8 and FIG. 9.

На фиг. 1 изображен общий вид симметричного платформенного манипулятора с тремя степенями свободы, содержащего опорное основание 1, кинематически связанное с подвижной платформой 2 посредством шарнирно-рычажного устройства, которое выполнено в виде набора равномерно расположенных по периметру подвижной платформы 2 трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆, каждый из которых составлен из одного трехшарнирного рычага 3 с вершинами А, В, С и присоединенных к этим вершинам трех двухшарнирных звеньев 4, 5 и 6, кинематически связанных между собой посредством цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения для сборки замкнутой кинематической цепи манипулятора. Подвижная платформа 2 выполнена в виде равностороннего трехшарнирного треугольника с возможностью закрепления на нем подвижного рабочего органа. Структурные модули O₁ABCO₂, O₃ABCO₄ и O₅ABCO с одной стороны кинематически связаны с вершинами J₁, J₂ и J₃ треугольной подвижной платформы 2, а с другой стороны связаны с опорным основанием 1 посредством трех шарнирных параллелограммов O₁ACO₂, O₃ACO₄ и O₅ACO₆ с приводными вращательными кинематическими парами O₁, O₃ и O₅ соответственно.In FIG. 1 shows a general view of a symmetrical platform manipulator with three degrees of freedom, containing a support base 1 kinematically connected to the movable platform 2 by means of a hinged-lever device, which is made in the form of a set of three structural modules O ₁ ABCJ ₁ O _{2 evenly spaced around the perimeter of the movable platform 2} , O ₃ ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ ABCJ ₃ O ₆ , each of which is composed of one three-hinged lever 3 with vertices A, B, C and attached to these vertices three double-hinged links 4, 5 and 6, kinematically interconnected by means of cylindrical hinges with parallel axes of rotation for the assembly of a closed kinematic chain of the manipulator. The movable platform 2 is made in the form of an equilateral three-hinged triangle with the possibility of fixing a movable working body on it. Structural modules O ₁ ABCO ₂ , O ₃ ABCO ₄ and O ₅ ABCO on the one hand are kinematically connected with the vertices J ₁ , J ₂ and J _{3 of} the triangular movable platform 2, and on the other hand are connected with the support base 1 through three articulated parallelograms O ₁ ACO ₂ , O ₃ ACO ₄ and O ₅ ACO ₆ with drive rotary kinematic pairs O ₁ , O ₃ and O ₅ respectively.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором все двухшарнирные соединительные рычаги (например, O₁A, BJ₁ и J₃B, AO₅ и другие) выполнены в виде пластин с отогнутыми обоими концами, которые расположены параллельно между собой для соединения с соответствующим шарниром.In FIG. 2 shows an embodiment of a platform manipulator, in which all double-articulated connecting levers (for example, O ₁ A, BJ ₁ and J ₃ B, AO ₅ and others) are made in the form of plates with both ends bent, which are located parallel to each other for connection with the corresponding hinge.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 одного двухшарнирного соединительного рычага BJ_2,одного трехшарнирного соединительного рычага ABC, двух двухшарнирных соединительных рычагов O₁A и O₂C одинаковой длины O₁A=O₂C, которые образуют между собой и с опорным основанием 1 шарнирные параллелограммы соответственно O₁ACO₂, O₃ACO₄ и O₅ACO₆ с установленной в каждом из них по диагонали приводной поступательной кинематической парой Е, выполненной в виде подвижного пневмоцилиндра или гидроцилиндра 7.In FIG. 3 shows an embodiment of a platform manipulator, in which each of the three structural modules O ₁ ABCJ ₁ O ₂ , O ₃ ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ ABCJ ₃ O ₆ is made in the form of a sequential assembly with a movable platform 2 of one double-articulated connecting lever BJ _2, one three-hinged connecting lever ABC, two double-hinged connecting levers O ₁ A and O ₂ C of the same length O ₁ A=O ₂ C, which form between themselves and with the support base 1 articulated parallelograms, respectively, O ₁ ACO ₂ , O ₃ ACO ₄ and O ₅ ACO ₆ with a diagonal drive translational kinematic pair E installed in each of them, made in the form of a movable pneumatic cylinder or hydraulic cylinder 7.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 трехшарнирного соединительного рычага ABG₁ и трех двухшарнирных соединительных рычагов O₁A, BC и CO_2, образующих между собой и с опорным основанием 1 шарнирный пятизвенник O₁ABCO₂ с установленной на опорном основании 1 приводной вращательной кинематической парой O₁.In FIG. 4 shows an embodiment of a platform manipulator, in which each of the three structural modules O ₁ ABCJ ₁ O ₂ , O ₃ _ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ _ABCJ ₃ O double-hinged connecting levers O ₁ A, BC and CO _2, forming between themselves and with the support base 1 articulated five-link O ₁ ABCO ₂ with a drive rotational kinematic pair O _{1 installed on the support base 1} .

На фиг. 5 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁CAJ₁BO₂ образует с опорным основанием 1 шарнирный пятизвенник O₁CABO₂ с приводной поступательной кинематической парой С, выполненной в виде установленного на опорном основании 1 поворотного пневмоцилиндра или гидроцилиндра 8.In FIG. 5 shows an embodiment of a platform manipulator, in which each of the three structural modules O ₁ CAJ ₁ BO ₂ forms with the support base 1 a hinged five-link O ₁ CABO ₂ with a drive translational kinematic pair C, made in the form of a rotary pneumatic cylinder or hydraulic cylinder mounted on the support base 1 eight.

На фиг. 6 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен в виде последовательной сборки с подвижной платформой 2 двухшарнирного соединительного рычага BJ_1, затем трехшарнирного соединительного рычага ABC с присоединенными к нему двумя скрещивающимися между собой двухшарнирными соединительными рычагами O₁А и О₂С одинаковой длины O₁А=О₂С, которые образуют шарнирный антипараллелограмм O₁ACO₂ с установленной на опорном основании 6 вращательной приводной кинематической парой O₁. In FIG. 6 shows an embodiment of a platform manipulator, in which each of the three structural modules O ₁ ABCJ ₁ O ₂ , O ₃ ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ ABCJ ₃ O ₆ is made in the form of a sequential assembly with a movable platform 2 of a double-articulated connecting lever BJ _1, then three-hinged connecting lever ABC with two crossed between themselves two-hinged connecting levers O ₁ A and O ₂ C of the same length O ₁ A=O ₂ C, which form a hinged anti-parallelogram O ₁ ACO ₂ with a rotational drive kinematic pair mounted on a support base 6 O ₁ .

На фиг. 7 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором каждый из трех структурных модулей O₁ABCJ₁O_2,O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ содержит антипараллелограмм О₁САO₂ со скрещивающимися между собой двухшарнирными соединительными рычагами O₁A и O₂C одинаковой длины O₁A=O₂C, между которыми установлена поступательная приводная кинематическая пара Е, выполненная в виде поворотного относительно опорного основания 1 пневмоцилиндра или гидроцилиндра 9.In FIG. 7 shows an embodiment of a platform manipulator, in which each of the three structural modules O ₁ ABCJ ₁ O _2, O ₃ ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ ABCJ ₃ O ₆ contains an antiparallelogram O ₁ CAO ₂ with double-jointed connecting levers O ₁ A that cross each other and O ₂ C of the same length O ₁ A=O ₂ C, between which a translational drive kinematic pair E is installed, made in the form of a pneumatic cylinder or hydraulic cylinder 9 that is rotary relative to the support base 1.

На фиг. 8 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, в котором трехшарнирный соединительный рычаг выполнен в виде радиально изогнутого упругого трехшарнирного звена ABС для образования при сборке замкнутой кинематической цепи манипулятора полного набора цилиндрических шарниров с беззазорными вращательными кинематическими парами и исключения при работе шарнирного манипулятора неуправляемых мертвых положений подвижной платформы 2 с установленным на ней рабочим органом.In FIG. 8 shows an embodiment of a platform manipulator, in which the three-hinged connecting lever is made in the form of a radially curved elastic three-hinged link ABC to form a complete set of cylindrical hinges with backlash-free rotational kinematic pairs during assembly of the closed kinematic chain of the manipulator and to exclude uncontrolled dead positions of the movable platform 2 during operation of the articulated manipulator with the working body installed on it.

На фиг. 9 представлен вариант выполнения платформенного манипулятора, который снабжен поворотной платформой 10, выполненной с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг вертикальной оси, а опорное основание 1 установлено на упомянутой поворотной платформе 10. Рабочий орган 11 кинематически связан с подвижной платформой 2 манипулятора посредством трех параллельных кривошипов 12, 13 и 14, выполненных одинаковой длины NM=EG=QT, установленных с возможностью осуществления реверсивного поворота вокруг горизонтальной оси для совершения кругового поступательного движения рабочего органа 11 при сохранении его заданной горизонтальной ориентации. При этом трехшарнирный соединительный рычаг ABC в каждом из структурных модулей O₁ABCJ₁O₂, O₃ABCJ₂O₄ и O₅ABCJ₃O₆ выполнен с расположением всех его трех шарниров А, В и С на одной прямой линии «А - В - С» параллельно плоскости опорного основания 1, для образования пространственного шестиопорного (через шарниры О₁, O₂, O₃, O₄, O₅, O₆) платформенного манипулятора с точным позиционированием рабочего органа 11 во всем пространстве его движений с числом степеней свободы, равным W=5.In FIG. 9 shows an embodiment of a platform manipulator, which is equipped with a turntable 10, made with the possibility of reverse rotation around a vertical axis, and the support base 1 is installed on the said turntable 10. The working body 11 is kinematically connected to the movable platform 2 of the manipulator by means of three parallel cranks 12, 13 and 14, made of the same length NM=EG=QT, installed with the possibility of reverse rotation around the horizontal axis to perform a circular translational movement of the working body 11 while maintaining its given horizontal orientation. At the same time, the three-hinged connecting lever ABC in each of the structural modules O ₁ ABCJ ₁ O ₂ , O ₃ ABCJ ₂ O ₄ and O ₅ ABCJ ₃ O ₆ is made with the location of all its three hinges A, B and C on one straight line "A - B - C "parallel to the plane of the support base 1, to form a spatial six-support (through the hinges O ₁ , O ₂ , O ₃ , O ₄ , O ₅ , O ₆ ) platform manipulator with precise positioning of the working body 11 in the entire space of its movements with the number degrees of freedom equal to W=5.

Работа представленного платформенного манипулятора заключается в следующем.The work of the presented platform manipulator is as follows.

Указанные на фиг. 1 - фиг. 9 в разных вариантах выполнения платформенного манипулятора вращательные или поступательные приводные кинематические пары обеспечивают перемещение подвижной платформы в пространстве с тремя степенями свободы, а предлагаемая в варианте на фиг. 9 установка опорного основания на поворотную платформу в сочетании с кинематической связью рабочего органа с подвижной платформой через три параллельных кривошипа позволяют дополнительно увеличить до пяти число степеней свободы рабочего органа.Indicated in FIG. 1 - fig. 9 in different embodiments of the platform manipulator, rotational or translational drive kinematic pairs ensure the movement of the movable platform in space with three degrees of freedom, and the one proposed in the variant in FIG. 9 installation of the support base on the turntable in combination with the kinematic connection of the working body with the movable platform through three parallel cranks allows you to further increase the number of degrees of freedom of the working body to five.

Достигаемый в предлагаемом манипуляторе положительный эффект заключается в упрощении конструкции и ее сборки, расширении рабочего пространства и упрощении системы управления за счет раздельной кинематики всех его движений.The positive effect achieved in the proposed manipulator is to simplify the design and assembly, expand the working space and simplify the control system due to the separate kinematics of all its movements.

Claims

1. A symmetrical platform manipulator with three degrees of freedom, containing a support base kinematically connected by means of a hinged-lever device with a movable platform interacting with the working body, characterized in that the hinge-lever device is made in the form of a set of three structural elements evenly spaced along the perimeter of the movable platform. modules, each of which is composed of one three-hinged connecting lever and three two-hinged connecting levers attached to it, kinematically connected to each other by means of cylindrical hinges with parallel axes of rotation to assemble a closed multiloop kinematic chain of the manipulator, and each of the mentioned structural modules is made in the form of a sequential assembly with a movable platform of one three-hinged connecting lever and three two-hinged connecting levers, which form between themselves and with the support base an articulated parallelogram, or an articulated anti-parallel grams, or a hinged five-link with a drive rotational or translational kinematic pair.

2. The manipulator according to claim 1, characterized in that the movable platform is made in the form of an equilateral three-hinged triangle with the possibility of fixing a movable working body on it, and the structural modules are kinematically connected on one side with the tops of the triangular movable platform, on the other hand, connected to the support base by means of three articulated parallelograms with drive rotational kinematic pairs.

3. The manipulator according to claim 1, characterized in that the two-hinged connecting levers are made in the form of plates with both ends bent, which are parallel to each other for connection with the corresponding hinge.

4. The manipulator according to claim 1, characterized in that the three-hinged connecting lever of each of the three structural modules is made in the form of a radially curved elastic three-hinged link to form, during assembly, a closed kinematic chain of the manipulator of a set of cylindrical hinges with backlash-free rotational kinematic pairs and exclude the articulated manipulator during operation uncontrolled dead positions of the movable platform with the working body installed on it.

5. The manipulator according to claim 1, characterized in that it is equipped with a turntable, made with the possibility of reverse rotation around the vertical axis from a separate rotary engine, the support base is mounted on said turntable, the working body is fixed on an additional translational platform located vertically, which is kinematically connected with the movable platform of the manipulator by means of three parallel cranks of the same length, installed with the possibility of reversing rotation around the horizontal axis to perform a circular translational movement of the working body while maintaining its constant orientation, and the three-hinged connecting lever in each of the structural modules is made with the location of all of its three hinges on one straight line parallel to the plane of the support base, to form a platform manipulator with a six-support movable platform and an increased number of degrees of freedom to five moving working body.