RU2780824C1

RU2780824C1 - Folding lifting manipulator of parallel structure

Info

Publication number: RU2780824C1
Application number: RU2021131622A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Пожбелко
Original assignee: Владимир Иванович Пожбелко
Filing date: 2021-10-27
Publication date: 2022-10-04

Abstract

FIELD: robotics.

SUBSTANCE: invention relates to robotics and can be used in assembly stands, mine hoists and ammunition supply mechanisms, drone launch installations and lifts, mainly long-length loads. The manipulator contains a support base and a movable load platform connected to each other by means of a closed drive kinematic chain made in the form of a double crank parallelogram mechanism interlocked with repeatedly interconnected hinge rhombuses forming parallel assemblies of intersecting three-hinged connecting levers for driving the load platform.

EFFECT: invention ensures, while maintaining a given horizontal orientation of long-length loads, the compactness of the manipulator in the non-working position without disassembling and assembling it during transportation and storage.

7 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, и в частности к шарнирным манипуляторам и роботам с механизмами параллельной структуры, и может найти применение в сборочных технологических стендах, в строительстве и автоматических линиях, шахтных подъемниках и механизмах подачи боеприпасов, складывающихся установках запуска беспилотных летательных аппаратов, а также в грузовых морских портах и подъемниках грузов из трюма на палубу корабля для подъема и двух координатного перемещения, преимущественно длинномерных грузов с точным сохранением их заданной горизонтальной ориентации во всем рабочем пространстве манипулятора. The invention relates to the field of mechanical engineering, and in particular to articulated arms and robots with parallel structure mechanisms, and can be used in assembly process stands, in construction and automatic lines, mine hoists and ammunition supply mechanisms, folding installations for launching unmanned aerial vehicles, as well as in cargo seaports and cargo lifts from the hold to the deck of the ship for lifting and two-coordinate movement, mainly long-length cargo with the exact preservation of their given horizontal orientation throughout the entire working space of the manipulator.

Известен шарнирный грузоподъемный манипулятор, содержащий установленное на опорном основании шарнирно-рычажное устройство замкнутой кинематической цепи с шарнирным подвесом груза, которая выполнена в виде кинематически связанных между собой двух разных кривошипных механизмов и одного двух коромыслового механизма, составленных из различных звеньев различной конфигурации (Енчев К.И., Стойкое С.Б. «Совмещение экстремального и оптимизационного синтеза при проектировании направляющего механизма портального крана»//журнал «Теория механизмов и машин». №2(12), 2008 год, Том б. - Изд-во СПбГПУ - с. 38, рис. 3 (www.tmm.spbstu.ru) - аналог.Known articulated hoisting manipulator containing installed on the support base articulated-lever device of a closed kinematic chain with articulated load suspension, which is made in the form of kinematically interconnected two different crank mechanisms and one two rocker mechanism, composed of various links of different configurations (Enchev K. I., Stoykoye S.B. "Combination of extreme and optimization synthesis in the design of the guiding mechanism of a portal crane" // journal "Theory of mechanisms and machines". No. 2 (12), 2008, Volume b. - Publishing House of St. 38, Fig. 3 (www.tmm.spbstu.ru) - analogue.

Недостатками известного грузоподъемного манипулятора являются сложность конструкции и системы управления, большие габариты в нерабочем положении и возникающие угловые перекосы и колебания переносимого длинномерного груза, нарушающие его заданную горизонтальную ориентацию во всем рабочем пространстве.The disadvantages of the known hoisting manipulator are the complexity of the design and control system, large dimensions in the non-working position and the resulting angular distortions and fluctuations of the portable long load, violating its given horizontal orientation in the entire working space.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому изобретению является платформенный манипулятор параллельной структуры, содержащий опорное основание и подвижную грузовую платформу, кинематически связанные между собой посредством шести параллельно установленных между собой замкнутых кинематических цепей раздвижных стержневых опор ног, содержащих 12 сложных сферических шарниров и 6 приводных подвижных гидроцилиндров для подъема грузовой платформы (книга Вульфсон И.И. и др. «Механика машин: Учебное пособие для втузов» - М.: Высшая школа, 1996 г., с. 28, рис. 1.20) - прототип.The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed invention is a platform manipulator of a parallel structure, containing a support base and a movable cargo platform, kinematically interconnected by means of six parallel closed kinematic chains of sliding rod leg supports, containing 12 complex spherical hinges and 6 driven movable hydraulic cylinders for lifting the loading platform (book by Vulfson I.I. et al. “Mechanics of Machines: Textbook for Higher Schools” - M .: Higher School, 1996, p. 28, Fig. 1.20) - prototype.

Недостатками указанного манипулятора являются:The disadvantages of this manipulator are:

1. Сложная конструкция и система управления, требующая для подъема грузовой платформы одновременного согласованного привода всех шести приводных гидроцилиндров.1. A complex design and control system that requires simultaneous coordinated drive of all six drive hydraulic cylinders to lift the loading platform.

2. Большие габариты в нерабочем положении, затрудняющие складирование и доставку манипулятора, например, в космос на МКС (что требует его предварительной и трудоемкой разборки и сборки всех сложных узлов кинематической цепи манипулятора).2. Large dimensions in the non-working position, which make it difficult to store and deliver the manipulator, for example, into space to the ISS (which requires its preliminary and laborious disassembly and assembly of all complex components of the kinematic chain of the manipulator).

3. При нарушении согласованной работы всех шести приводных гидроцилиндров опорных ног возникает неизбежный угловой перекос грузовой платформы с длинномерным грузом, что нарушает его заданную постоянную горизонтальную ориентацию.3. If the coordinated operation of all six driving hydraulic cylinders of the support legs is disturbed, an inevitable angular misalignment of the loading platform with a long load occurs, which violates its given constant horizontal orientation.

4. Ограниченная малая высота подъема грузовой платформы, равная только ограниченному гидроцилиндрами ходу их поршней при раздвигании стержневых опор ног.4. Limited low lifting height of the loading platform, equal only to the stroke of their pistons limited by the hydraulic cylinders when the leg rods are extended.

5. Нельзя реализовать двухкоординатное перемещение и подъем длинномерного груза без его углового раскачивания.5. It is impossible to implement two-coordinate movement and lifting of a long load without its angular swing.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции и системы управления, снижении габаритов и компактности в нерабочем положении (без разборки узлов манипулятора), многократном увеличении высоты подъема и хода грузовой платформы (при заданном перемещении приводного гидроцилиндра), а также в обеспечении двухкоординатного подъема и перемещения длинномерных и крупногабаритных грузов при гарантированном постоянстве их, например, горизонтальной ориентации во всем рабочем пространстве.The invention is based on a technical problem, which consists in simplifying the design and control system, reducing the size and compactness in the non-working position (without disassembling the manipulator units), multiply increasing the lifting height and stroke of the loading platform (with a given displacement of the drive hydraulic cylinder), as well as providing two-coordinate lifting and moving long and bulky loads with guaranteed constancy of them, for example, horizontal orientation throughout the workspace.

Получение технического результата достигается за счет того, что замкнутая кинематическая цепь грузоподъемного манипулятора выполнена в виде установленного на опорном основании параллелограммного механизма, кривошипы которого сблокированы с многократно соединенными между собой шарнирными ромбами, образующими параллельные между собой сборки пересекающихся трехшарнирных соединительных рычагов для привода грузовой платформы.Obtaining a technical result is achieved due to the fact that the closed kinematic chain of the load-lifting manipulator is made in the form of a parallelogram mechanism mounted on a support base, the cranks of which are interlocked with hinged rhombuses repeatedly connected to each other, forming parallel assemblies of intersecting three-hinged connecting levers to drive the loading platform.

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

На фиг. 1 представлен общий вид и рабочее положение складывающегося грузоподъемного манипулятора параллельной структуры, содержащего опорное основание 1 и подвижную грузовую платформу 13 с грузом 15, которые связаны между собой посредством замкнутой кинематической цепи из рычажных звеньев и цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения. Упомянутая замкнутая кинематическая цепь выполнена в виде установленного на опорном основании 1 двухкривошипного параллелограммного механизма O₁ABO₂, кривошип 2 и 3 которого взаимосвязаны через шатун 4 и сблокированы с последовательно установленными и многократно соединенными между собой одинаковыми шарнирными ромбами, составленными из пересекающихся между собой трехшарнирных соединительных рычагов 5 и 6, 7 и 8, 9 и 10, 11 и 12 с расположением в каждом из них всех трех шарниров O₃,O₄,O_s (для рычага 5) и шарниров O₇,O₄,O₆ (для рычага 6) на одной прямой линии O₃O₅ (для рычага 5) и на линии O₆O₇ (для рычага 6). Все трехшарнирные соединительные рычаги выполнены одинаковой длины

, равной

и образуют параллельные между собой сборки, одна из которых составлена из рычагов 5 и 6, 7 и 8, и также двухшарнирного звена EO₉длиной

а другая сборка составлена из рычагов 9 и 10, 11 и 12 с двухшарнирным звеном GH длиной

In FIG. 1 shows a general view and working position of a folding load-lifting manipulator of a parallel structure, containing a support base 1 and a movable cargo platform 13 with a load 15, which are interconnected by means of a closed kinematic chain of lever links and cylindrical hinges with parallel axes of rotation. Said closed kinematic chain is made in the form of a two-crank parallelogram mechanism O ₁ ABO ₂ installed on the support base 1, the

crank

2 and 3 of which are interconnected through the connecting rod 4 and interlocked with identical hinged rhombuses installed in series and repeatedly connected to each other, made up of intersecting three-hinged connecting

levers

5 and 6, 7 and 8, 9 and 10, 11 and 12 with the location in each of them of all three hinges O ₃ , O ₄ , O _s (for lever 5) and hinges O ₇ , O ₄ , O ₆ (for lever 6) on one straight line O ₃ O ₅ (for lever 5) and on the line O ₆ O ₇ (for lever 6). All three-hinged link arms are the same length

equal to

and form assemblies parallel to each other, one of which is made up of

levers

5 and 6, 7 and 8, and also a double-hinged link EO ₉ with a length

and the other assembly is made up of

levers

9 and 10, 11 and 12 with a double-hinged link GH with a length

Шатун 4 параллелограммного механизма O₁ABO₂ и грузовая платформа 13 выполнены в виде четырехшарнирных соединительных рычагов с расположением у них всех четырех шарниров A,O₇,B,C (для рычага 4) и шарниров D,E,F,G (для грузовой платформы 13) на одной прямой линии АС (для шатуна 4) и линии DG (для грузовой платформы 13), а упомянутые четырехшарнирные соединительные рычаги сблокированы с раздельными сборками шарнирных ромбов. Противоположно расположенные стороны параллелограммного механизма O₁ABO₂выполнены одинаковой длины, равной О₁А=BO₂ и O₁O₂=АВ. Манипулятор на фиг. 1 снабжен поворотной платформой 14, выполненной с возможностью полного реверсивного поворота от вращательного двигателя, а опорное основание 1 установлено на упомянутой поворотной платформе 14. Двухкривошипный параллелограммный механизм O₁ABO₂снабжен приводной вращательной кинематической парой O₁, расположенной на опорном основании 1 - между ним и кривошипом 2 и выполненной с приводом от вращательного двигателя.The connecting rod 4 of the parallelogram mechanism O ₁ ABO ₂ and the cargo platform 13 are made in the form of four-hinged connecting levers with all four hinges A, O ₇ , B, C (for lever 4) and hinges D, E, F, G (for cargo platforms 13) on the same straight line AC (for connecting rod 4) and line DG (for loading platform 13), and said four-hinged connecting arms are interlocked with separate assemblies of hinged diamonds. The opposite sides of the parallelogram mechanism O ₁ ABO ₂ are made of the same length, equal to O ₁ A=BO ₂ and O ₁ O ₂ =AB. The manipulator in Fig. ₁ is equipped with a turntable 14, made with the possibility of full reverse rotation from a rotary engine, and the support base ₁ is installed _on the said turntable 14. and crank 2 and made driven by a rotary engine.

На фиг. 2 представлен грузоподъемный манипулятор в складывающемся (без разборки его замкнутой кинематической цепи) нерабочем положении, где для перехода в рабочее положение (на фиг. 1) не требуется повторная сборка его кинематической цепи.In FIG. 2 shows a lifting manipulator in a folding (without disassembling its closed kinematic chain) non-working position, where reassembly of its kinematic chain is not required to move to the working position (in Fig. 1).

На фиг. 3 представлено двухкоординатное линейное перемещение грузовой площадки 13 с грузом 15 (подъем по оси у и горизонтальное смещение по оси х), происходящее с точным сохранением ее заданной горизонтальной ориентации вместе с расположенным на ней грузом.In FIG. 3 shows the two-coordinate linear movement of the cargo area 13 with the load 15 (lifting along the y-axis and horizontal displacement along the x-axis), occurring with the exact preservation of its given horizontal orientation together with the load located on it.

На фиг. 4 представлен вариант выполнения складывающегося грузоподъемного манипулятора параллельной структуры, привод которого выполнен в виде раздельно сблокированных с кривошипами 2 и 3 параллелограммного механизма O₁ABO₂ двух зубчатых колес 16 и 17 с одинаковым числом зубьев (Z₁₆=Z₁₇), которые связаны между собой через установленное на опорном основании 1 промежуточное зубчатое колесо 18, а колесо 16 выполнено с приводом от вращательного двигателя.In FIG. 4 shows an embodiment of a folding load-lifting manipulator of a parallel structure, the drive of which is made in the form _of two gear wheels 16 and 17 with the same number of teeth (Z ₁₆ =Z ₁₇ ) separately interlocked with cranks ₂ and 3, which are interconnected through the intermediate gear wheel 18 mounted on the support base 1, and the wheel 16 is driven by a rotary engine.

На фиг. 5 представлен вариант выполнения складывающегося грузоподъемного манипулятора параллельной структуры, привод которого выполнен в виде кривошипно-шатунного механизма, кривошип 19 которого выполнен меньшей длины O₁₀N по сравнению с длиной O₁M кривошипа 2 параллелограммного механизма (O₁₀N<O₁M), а его шатун 20 шарнирно соединен с кривошипом 2 упомянутого параллелограммного механизма.In FIG. 5 shows an embodiment of a folding load-lifting manipulator of a parallel structure, the drive of which is made in the form of a crank mechanism, the crank 19 of which is made of a shorter length O ₁₀ N compared to the length O ₁ M of the crank 2 of the parallelogram mechanism (O ₁₀ N<O ₁ M), and its connecting rod 20 is pivotally connected to the crank 2 of said parallelogram mechanism.

На фиг. 6 представлен вариант выполнения складывающегося грузоподъемного манипулятора параллельной структуры, в котором двухкривошипный параллелограммный механизм снабжен приводной поступательной кинематической парой, выполненной в виде подвижного гидроцилиндра или пневмоцилиндра 21, установленного по диагонали упомянутого параллелограммного механизма и соединенного с ним через два двойных цилиндрических шарнира с осями O₁ и В.In FIG. 6 shows a variant of a folding load-lifting manipulator of a parallel structure, in which a two-crank parallelogram mechanism is equipped with a drive translational kinematic pair, made in the form of a movable hydraulic cylinder or pneumatic cylinder 21, mounted diagonally on the mentioned parallelogram mechanism and connected to it through two double cylindrical hinges with axes O ₁ and AT.

Работа представленного складывающегося грузоподъемного манипулятора параллельной структуры заключается в следующем.The work of the presented folding load-lifting manipulator of parallel structure is as follows.

Заданное движение ведущего звена манипулятора (на фиг. 1-6 показано стрелкой) преобразуется в угловой поворот обоих кривошипов параллелограммного механизма, что приводит к согласованному многократному вытягиванию (или, наоборот сжатию) всех шарнирных ромбов и соответствующему подъему (или опусканию) грузоподъемной платформы при точном сохранении ее горизонтальной ориентации.The given movement of the leading link of the manipulator (in Fig. 1-6 is shown by an arrow) is converted into an angular rotation of both cranks of the parallelogram mechanism, which leads to a coordinated multiple extension (or, conversely, compression) of all hinged rhombuses and the corresponding lifting (or lowering) of the lifting platform with accurate maintaining its horizontal orientation.

Достигаемый в предлагаемом манипуляторе параллелей структуры положительный эффект заключается в упрощении конструкции и ее сборки (за счет применения простых цилиндрических шарниров и всех одинаковых шарнирных ромбов), упрощении системы управления (за счет привода только от одного двигателя), многократном увеличении хода грузовой платформы по сравнению с ходом поршня гидроцилиндра (равном числу шарнирных ромбов) при сохранении заданной горизонтальной ориентации длинномерного груза, а также возможности его быстрого и легкого складывания и раскладывания без его разборки и сборки для компактности в нерабочем положении при его транспортировке.The positive effect achieved in the proposed structure parallel manipulator lies in the simplification of the design and its assembly (due to the use of simple cylindrical hinges and all identical hinged rhombuses), the simplification of the control system (due to the drive from only one engine), a multiple increase in the stroke of the loading platform compared to stroke of the hydraulic cylinder piston (equal to the number of hinged rhombuses) while maintaining a given horizontal orientation of a long load, as well as the possibility of its quick and easy folding and unfolding without disassembling and assembling it for compactness in a non-working position during its transportation.

Claims

1. A folding load-lifting manipulator of a parallel structure, mainly for two-coordinate movement of long loads, containing a support base and a movable loading platform, which are interconnected by means of a closed kinematic drive chain of lever links and cylindrical hinges with parallel axes of rotation, characterized in that the closed kinematic chain made in the form of a two-crank parallelogram mechanism mounted on a support base, the cranks of which are interconnected through a connecting rod and interlocked with identical hinged rhombuses installed in series and repeatedly connected to each other, made up of intersecting three-hinged connecting levers with the location in each of them of all three hinges on one straight line lines, and the mentioned hinged diamonds form parallel assemblies of the mentioned three-hinged connecting levers with a length

closed on the cargo platform by means of double-articulated levers with a length

2. The manipulator according to claim 1, characterized in that the connecting rod of the parallelogram mechanism and the loading platform are made in the form of four-hinged connecting levers with all four hinges located on each of them in one straight line, and the said four-hinged connecting levers are interlocked with separate assemblies of hinged rhombuses.

3. The manipulator according to claim 1, characterized in that the two-crank parallelogram mechanism is equipped with a rotary kinematic drive pair located on the support base between it and one of the cranks and is driven by a rotary engine.

4. The manipulator according to claim 1, characterized in that the drive of the manipulator is made in the form of two gears with the same number of teeth separately interlocked with the cranks of the parallelogram mechanism, which are interconnected through an intermediate gear mounted on the support base, and one of the two gears wheels are driven by a rotary engine.

5. The manipulator according to claim 1 or 2, characterized in that the manipulator drive is made in the form of a crank mechanism mounted on a support base, the crank of which is made of a shorter length compared to the length of the crank of the parallelogram mechanism, and its connecting rod is pivotally connected to one of the cranks parallelogram mechanism.

6. The manipulator according to claim 1 or 2, characterized in that the two-crank parallelogram mechanism is equipped with a drive translational kinematic pair, made in the form of a movable hydraulic cylinder or pneumatic cylinder, mounted diagonally on the said parallelogram mechanism and connected to it through two double cylindrical hinges.

7. The manipulator according to any one of paragraphs. 1-6, characterized in that it is equipped with a turntable, made with the possibility of full reverse rotation from a rotary engine, and the support base is installed on the said turntable.