RU2784546C1

RU2784546C1 - Six-move spatial manipulator of parallel-serial structure

Info

Publication number: RU2784546C1
Application number: RU2022108249A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Фомин; Даниил Викторович Петелин
Filing date: 2022-03-29
Publication date: 2022-11-28

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, and more specifically, to manipulators. Six-movable spatial manipulator of parallel-series structure includes a rack on which a frame is mounted by means of four kinematic chains, including dyads with rotational hinges, a carriage coupled to the frame by means of translational hinges, and an output link mounted on the carriage. All four kinematic chains between the rack and the frame are made in the form of dyads with rotational hinges. Between adjacent pairs of dyads, rods are installed, which are included with the frame in rotational hinges, and the frame is made sliding. The carriage is associated with a screw mounted on the frame and equipped with a drive. The output link and the carriage form between themselves a rotational hinge, the axis of which is perpendicular to the plane of the frame.

EFFECT: increase in work space.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к механическим системам, применяемым в технике для получения заданного движения выходного звена.The invention relates to mechanical systems used in engineering to obtain a given movement of the output link.

Известен шестиподвижный манипулятор (платформа) Гауфа-Стюарта [Stewart D.A. Platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. 180, pp. 371-378, 1965], имеющий параллельную структуру. Манипулятор включает в свой состав шесть кинематических цепей, каждая из которых снабжена приводом. Недостатком данного манипулятора является относительно небольшое рабочее пространство. Данный недостаток устраняется путем установки на выходном звене дополнительной открытой кинематической цепи [Khalil W., Dombre Е. Introduction to geometric and kinematic modeling of parallel robots. Modeling, Identification and Control of Robots, pp. 171-190, 2002, Fig. 8.2], либо серийного наслоения нескольких манипуляторов друг на друга [Khalil W., Dombre Е. Introduction to geometric and kinematic modeling of parallel robots. Modeling, Identification and Control of Robots, pp. 171-190, 2002, Fig. 8.3]. В обоих случаях указанные манипуляторы имеют избыток приводов, что приводит к усложнению их управления и увеличению стоимости таких конструкций.Known six-moving manipulator (platform) Gauf-Stewart [Stewart D.A. Platform with six degrees of freedom. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Vol. 180, pp. 371-378, 1965], having a parallel structure. The manipulator includes six kinematic chains, each of which is equipped with a drive. The disadvantage of this manipulator is a relatively small working space. This drawback is eliminated by installing an additional open kinematic chain on the output link [Khalil W., Dombre E. Introduction to geometric and kinematic modeling of parallel robots. Modeling, Identification and Control of Robots, pp. 171-190, 2002, Fig. 8.2], or serial layering of several manipulators on top of each other [Khalil W., Dombre E. Introduction to geometric and kinematic modeling of parallel robots. Modeling, Identification and Control of Robots, pp. 171-190, 2002, Fig. 8.3]. In both cases, these manipulators have an excess of drives, which complicates their control and increases the cost of such structures.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является пятиподвижный механизм параллельно-последовательной структуры [Ganiev R.F., Glazunov V.A., Filippov G.S. Urgent problems of machine science and ways of solving them: wave and additive technologies, the machine tool industry, and robot surgery. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Vol. 47, pp. 399-406, 2018, Fig. 11].Closest to the proposed device is a five-moving mechanism of a parallel-series structure [Ganiev R.F., Glazunov V.A., Filippov G.S. Urgent problems of machine science and ways of solving them: wave and additive technologies, the machine tool industry, and robot surgery. Journal of Machinery Manufacture and Reliability, Vol. 47, pp. 399-406, 2018, Fig. eleven].

В данном механизме на четырех кинематических цепях (из которых две цепи имеют структуру ВВВ, а две - ВПВ) установлена прямоугольная рама. Данные цепи обеспечивают раме три степени свободы, а именно, вертикальное и горизонтальное линейные смещения в плоскости цепей ВВВ и ВПВ и поворот вокруг оси, перпендикулярной данной плоскости. На раме установлена каретка с выходным звеном. Каретка имеет возможность линейного смещения вдоль рамы между цепями ВВВ и ВПВ и поворот вокруг оси, перпендикулярной направлению линейного смещения. Таким образом, выходное звено данного механизма имеет пять степеней свободы, которые контролируются шестью приводами.In this mechanism, a rectangular frame is installed on four kinematic chains (of which two chains have the BBB structure, and two have the ERW structure). These chains provide the frame with three degrees of freedom, namely, vertical and horizontal linear displacements in the plane of the VVV and VPV chains and rotation around an axis perpendicular to this plane. A carriage with an output link is installed on the frame. The carriage has the possibility of linear displacement along the frame between the VVV and VPV chains and rotation around an axis perpendicular to the direction of linear displacement. Thus, the output link of this mechanism has five degrees of freedom, which are controlled by six drives.

Данный механизм принимается за прототип предлагаемого манипулятора. Недостаток прототипа заключается в избытке приводов, усложняющих управление данным механизмом; в наличии поступательных шарниров в приводных кинематических цепях, ограничивающих габариты рабочего пространства; в отсутствии поступательных шарниров в продольном габарите рамы, что не обеспечивает ее наклон вокруг оси, лежащей в плоскости цепей ВВВ и ВПВ (такая конструктивная особенность прототипа требует обеспечения одинаковых смещений стороны рамы с цепями ВВВ и стороны рамы с цепями ВПВ).This mechanism is taken as a prototype of the proposed manipulator. The disadvantage of the prototype is the excess of drives that complicate the management of this mechanism; in the presence of translational hinges in the drive kinematic chains, limiting the dimensions of the working space; in the absence of translational hinges in the longitudinal dimension of the frame, which does not ensure its inclination around an axis lying in the plane of the VVV and VPV chains (such a design feature of the prototype requires the provision of identical displacements of the frame side with VVV chains and the side of the frame with VVV chains).

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в усовершенствовании конструкции прототипа путем обеспечения равенства между числом приводов и числом степеней свободы выходного звена; в исключении поступательных шарниров в приводных кинематических цепях; в обеспечении наклона рамы вокруг оси, лежащей в плоскости цепей ВВВ и ВПВ.The technical problem solved by the invention is to improve the design of the prototype by ensuring equality between the number of drives and the number of degrees of freedom of the output link; in the exclusion of translational hinges in the drive kinematic chains; in ensuring the tilt of the frame around an axis lying in the plane of the VVV and VPV chains.

Данная проблема решается тем, что в предлагаемом шестиподвижном пространственном манипуляторе параллельно-последовательной структуры, включающем стойку, на которой установлена рама посредством четырех кинематических цепей, в том числе диад с вращательными шарнирами, каретку, сопряженную с рамой посредством поступательных шарниров, и выходное звено, установленное на каретке, согласно изобретению, все четыре кинематические цепи между стойкой и рамой выполнены в виде диад с вращательными шарнирами, при этом между соседними парами диад установлены штанги, входящие с рамой во вращательные шарниры, причем рама выполнена раздвижной, а каретка сопряжена с винтом, установленным на раме и снабженным приводом, при этом выходное звено и каретка образуют между собой вращательный шарнир, ось которого перпендикулярна плоскости рамы.This problem is solved by the fact that in the proposed six-movable spatial manipulator of a parallel-series structure, including a rack on which the frame is installed by means of four kinematic chains, including dyads with rotational hinges, a carriage associated with the frame by means of translational hinges, and an output link installed on the carriage, according to the invention, all four kinematic chains between the rack and the frame are made in the form of dyads with rotational hinges, while between adjacent pairs of dyads there are rods included with the frame in rotational hinges, the frame is made sliding, and the carriage is associated with a screw installed on the frame and equipped with a drive, while the output link and the carriage form between themselves a rotational hinge, the axis of which is perpendicular to the plane of the frame.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении равенства между числом приводов и числом степеней свободы выходного звена; в наличии исключительно вращательных шарниров в приводных кинематических цепях, что способствует увеличению рабочего пространства; в обеспечении дополнительного наклона рамы. Указанные преимущества способствуют расширению возможностей применения предлагаемого изобретения.The technical result obtained by using the proposed invention is to ensure equality between the number of drives and the number of degrees of freedom of the output link; in the presence of exclusively rotational hinges in the drive kinematic chains, which contributes to an increase in the working space; in providing an additional slope of the frame. These advantages contribute to the expansion of the application of the present invention.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана кинематическая схема шестиподвижного пространственного манипулятора параллельно-последовательной структуры. Манипулятор включает неподвижное звено (стойку) 1, ведущие рычаги 2 с приводами 2', шатуны 3, штанги 4, звенья 5 и 6, образующие раздвижную раму, винт 7 с приводом 7', направляющие 6', жестко установленные на раме 6 и шарнирно сопряженные с элементами 8' каретку 8, выходное звено 9. Звенья 1 и 2, 2 и 3, 3 и 4, 4 и 5, 6 и 7, 8 и 9 образуют вращательные шарниры. Звенья 5 и 6, 6' и 8' образуют поступательные шарниры. Звенья 7 и 8 образуют винтовой шарнир.The invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1 shows a kinematic diagram of a six-movable spatial manipulator of a parallel-series structure. The manipulator includes a fixed link (rack) 1, leading levers 2 with drives 2', connecting rods 3, rods 4, links 5 and 6, forming a sliding frame, a screw 7 with a drive 7', guides 6', rigidly mounted on the frame 6 and hinged coupled with elements 8' carriage 8, output link 9. Links 1 and 2, 2 and 3, 3 and 4, 4 and 5, 6 and 7, 8 and 9 form rotational hinges. Links 5 and 6, 6' and 8' form translational hinges. Links 7 and 8 form a screw joint.

Принцип работы предлагаемого манипулятора заключается в следующем. При повороте ведущих рычагов 2 движение передается на шатуны 3 и далее через штанги 4 на звенья 5 и 6, образующие раму. Рама может линейно смещаться в горизонтальном и вертикальном направлениях в плоскости кинематических цепей звеньев 2-3, а также поворачиваться вокруг осей, перпендикулярных и параллельных данной плоскости. При этом каретка 8 имеет возможность линейного смещения вдоль рамы 6. Она приводится в движение винтом 7 от привода 7'. Выходное звено 9 может поворачиваться вокруг оси, перпендикулярной плоскости рамы 6.The principle of operation of the proposed manipulator is as follows. When the leading levers 2 are turned, the movement is transmitted to the connecting rods 3 and further through the rods 4 to the links 5 and 6, which form the frame. The frame can be linearly displaced in horizontal and vertical directions in the plane of the kinematic chains of links 2-3, as well as rotate around axes perpendicular and parallel to this plane. When this carriage 8 has the possibility of linear displacement along the frame 6. It is driven by a screw 7 from the drive 7'. The output link 9 can be rotated around an axis perpendicular to the plane of the frame 6.

Предлагаемое изобретение может быть применено в технологических процессах по обработке элементов деталей машин в качестве устройства для перемещения исполнительного инструмента, в некоторых медицинских приложениях, а также применениях, требующих полный спектр степеней свободы и значительное линейное смещение в горизонтальном направлении.The proposed invention can be applied in technological processes for processing elements of machine parts as a device for moving an actuating tool, in some medical applications, as well as applications that require a full range of degrees of freedom and a significant linear displacement in the horizontal direction.

Claims

A six-movable spatial manipulator of a parallel-series structure, including a rack on which a frame is mounted by means of four kinematic chains, including dyads with rotational hinges, a carriage coupled to the frame by means of translational hinges, and an output link mounted on the carriage, characterized in that all four kinematic chains between the rack and the frame are made in the form of dyads with rotational hinges, while between adjacent pairs of dyads there are rods included with the frame in rotational hinges, the frame is made sliding, and the carriage is associated with a screw mounted on the frame and equipped with a drive, with In this case, the output link and the carriage form between themselves a rotational hinge, the axis of which is perpendicular to the plane of the frame.