RU2804502C1

RU2804502C1 - Spatial mechanism of relative manipulation with two- and four-move modules of parallel structure

Info

Publication number: RU2804502C1
Application number: RU2023103780A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Фомин; Павел Андреевич Ларюшкин; Даниил Викторович Петелин; Кирилл Сергеевич Мухин
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-10-02

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: mechanical systems of relative manipulation. The spatial mechanism of relative manipulation with two- and four-movable modules of a parallel structure includes a rack and a platform, between which kinematic chains are installed, consisting of guides rigidly fixed on the rack, three-pair sliders and rods. The mechanism is equipped with two-pair sliders, while between each two-pair slider and the platform one rod is installed, and the number of kinematic chains is four. In addition, the mechanism is equipped with a movable plate coupled with three kinematic chains with a circular guide with teeth cut on it, rigidly mounted on a rack, where two kinematic chains are located along the perimeter. These chains include bottom brackets with gears, upper and lower arms and connecting rods. The third chain is located in the centre and includes a fixed rod and a fork, and the geometric axes of the rotational hinges between the movable plate and connecting rods intersect in the centre of the rotational hinge between the fork and the movable plate.

EFFECT: expansion of the scope of application.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к механическим системам относительного манипулирования, применяемым при проведении технологических и исследовательских процедур.The invention relates to mechanical relative manipulation systems used in technological and research procedures.

Известно трехподвижное устройство параллельной структуры «Дельта-робот» [Vischer P., Clavel R. Kinematic calibration of the parallel Delta robot. Robotica, 16(2), pp. 207-218, 1998; Fig. 1]. Устройство включает в свой состав стойку (неподвижное звено) и платформу (выходное звено), между которыми установлены три кинематические цепи, каждая из которых снабжена вращательным приводом. Недостатком данного устройства является отсутствие вращательных степеней свободы выходного звена.A three-moving device of a parallel structure “Delta robot” is known [Vischer P., Clavel R. Kinematic calibration of the parallel Delta robot. Robotica, 16(2), pp. 207-218, 1998; Fig. 1]. The device includes a rack (fixed link) and a platform (output link), between which three kinematic chains are installed, each of which is equipped with a rotational drive. The disadvantage of this device is the lack of rotational degrees of freedom of the output link.

Наиболее близким к предлагаемому механизму является другой тип трехподвижного «Дельта-робота» [Bouri М., Clavel R. The linear Delta: developments and applications. ISR 2010 (41st International Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics), pp.1-8, 2010, Figs. 20, 23]. Он имеет параллельную структуру и состоит из стойки (неподвижного звена) и платформы (выходного звена), между которыми установлены три кинематические цепи, каждая из которых включает линейную направляющую, жестко установленную на стойке, трехпарный (образующий с сопрягаемыми звеньями три кинематические пары) ползун и пару штанг. Каждая кинематическая цепь снабжена линейным приводом, а выходному звену обеспечиваются три поступательные степени свободы.The closest to the proposed mechanism is another type of three-moving “Delta robot” [Bouri M., Clavel R. The linear Delta: developments and applications. ISR 2010 (41st International Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics), pp.1-8, 2010, Figs. 20, 23]. It has a parallel structure and consists of a rack (fixed link) and a platform (output link), between which three kinematic chains are installed, each of which includes a linear guide rigidly mounted on the rack, a three-pair (forming three kinematic pairs with mating links) slider and a couple of rods Each kinematic chain is equipped with a linear drive, and the output link is provided with three translational degrees of freedom.

Данная модель «Дельта-робота» принимается за прототип предлагаемого изобретения. Недостаток прототипа заключается в отсутствии вращательных степеней свободы выходного звена. Данный недостаток ограничивает возможности применения прототипа, в том числе в технологиях по обработке элементов деталей машин.This model of "Delta robot" is taken as a prototype of the proposed invention. The disadvantage of the prototype is the absence of rotational degrees of freedom of the output link. This drawback limits the possibility of using the prototype, including in technologies for processing elements of machine parts.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в создании такого механизма, в котором кроме трех поступательных степеней свободы выходного звена, обеспечивались бы также и три вращательные.The technical problem solved by the proposed invention is to create a mechanism in which, in addition to three translational degrees of freedom of the output link, three rotational ones would also be provided.

Данная проблема решается тем, что в предлагаемом пространственном механизме относительного манипулирования с двух- и четырехподвижным модулями параллельной структуры, включающем стойку и платформу, между которыми установлены кинематические цепи, состоящие из направляющих, жестко зафиксированных на стойке, трехпарных ползунов и штанг, согласно изобретению, механизм снабжен двухпарными ползунами, при этом между каждым двухпарным ползуном и платформой установлено по одной штанге, а число кинематических цепей равно четырем, кроме этого механизм снабжен подвижной плитой, сопряженной тремя кинематическими цепями с круговой направляющей с нарезанными на ней зубьями, жестко установленной на стойке, где две кинематические цепи расположены по периметру и включают каретки с зубчатыми колесами, нижний и верхний рычаги и шатуны, а одна цепь расположена по центру и включает неподвижный стержень и вилку, причем геометрические оси вращательных шарниров между подвижной плитой и шатунами пересекаются в центре вращательного шарнира между вилкой и подвижной плитой.This problem is solved by the fact that in the proposed spatial mechanism for relative manipulation with two- and four-movable modules of a parallel structure, including a rack and a platform, between which kinematic chains are installed, consisting of guides rigidly fixed to the rack, three-pair sliders and rods, according to the invention, the mechanism equipped with two-pair sliders, with one rod installed between each two-pair slider and the platform, and the number of kinematic chains is four, in addition, the mechanism is equipped with a movable plate coupled with three kinematic chains with a circular guide with teeth cut on it, rigidly mounted on a rack, where two kinematic chains are located around the perimeter and include carriages with gears, lower and upper arms and connecting rods, and one chain is located in the center and includes a fixed rod and a fork, and the geometric axes of the rotational joints between the movable plate and the connecting rods intersect at the center of the rotational joint between the fork and a movable plate.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении трех дополнительных вращательных степеней свободы выходного звена. Данное преимущество способствует расширению возможностей практического применения предлагаемого механизма.The technical result obtained when using the proposed invention is to provide three additional rotational degrees of freedom of the output link. This advantage helps to expand the possibilities of practical application of the proposed mechanism.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показана модель пространственного механизма относительного манипулирования с двух- и четырехподвижным модулями параллельной структуры. Механизм включает в свой состав стойку (неподвижное звено) 1 с жестко зафиксированной на ней круговой направляющей 2, по периметру которой нарезаны зубья, и подвижную плиту 10, между которыми установлены две кинематические цепи, состоящие из кареток 4 с зубчатыми колесами 3, нижних 5 и верхних 6 рычагов и шатунов 7, а также одна кинематическая цепь, состоящая из неподвижного стержня 8 и вилки 9. Данные звенья образуют двухподвижный модуль параллельной структуры. Над этим модулем на стойке 1 посредством четырех кинематических цепей установлена платформа 15. Указанные цепи выполнены двух типов. Первые состоят из направляющих 11, жестко установленных на стойке 1, трехпарных (образующих с сопрягаемыми звеньями три кинематические пары) ползунов 12 и штанг 14. Вторые состоят из направляющих 11, двухпарных (образующих с сопрягаемыми звеньями две кинематические пары) ползунов 13 и штанг 14. Данные звенья образуют четырехподвижный модуль параллельной структуры.The invention is illustrated by a drawing, where figure 1 shows a model of a spatial mechanism for relative manipulation with two- and four-movable modules of a parallel structure. The mechanism includes a rack (fixed link) 1 with a circular guide 2 rigidly fixed on it, along the perimeter of which teeth are cut, and a movable plate 10, between which two kinematic chains are installed, consisting of carriages 4 with gears 3, lower 5 and the upper 6 levers and connecting rods 7, as well as one kinematic chain consisting of a fixed rod 8 and a fork 9. These links form a two-moving module of a parallel structure. A platform 15 is installed above this module on the rack 1 by means of four kinematic chains. These chains are made of two types. The first ones consist of guides 11, rigidly mounted on the rack 1, three-pair (forming three kinematic pairs with the mating links) sliders 12 and rods 14. The second consist of guides 11, two-pair (forming two kinematic pairs with the mating links) sliders 13 and rods 14. These links form a four-movable module of a parallel structure.

Зубчатые колеса 3, ползуны 12 и 13 являются приводными звеньями, которым задаются входные движения. Круговая направляющая 2 и зубчатые колеса 3 образуют зубчатое зацепление. Круговая направляющая 2 и каретки 4; каретки 4 и нижние рычаги 5; нижние рычаги 5 и верхние рычаги 6; верхние рычаги 6 и шатуны 7; шатуны 7 и подвижная плита 10; неподвижный стержень 8 и вилка 9; вилка 9 и подвижная плита 10 образуют вращательные шарниры. Ползуны 12 и штанги 14; ползуны 13 и штанги 14; штанги 14 и платформа 15 образуют сферические шарниры. Направляющие 11 и ползуны 12; направляющие 11 и ползуны 13 образуют поступательные шарниры. Геометрические оси вращательных шарниров между шатунами 7 и подвижной плитой 10 пересекаются в центре вращательного шарнира между вилкой 9 и подвижной плитой 10.Gears 3, sliders 12 and 13 are the drive links to which the input movements are specified. The circular guide 2 and the gears 3 form a gearing. Circular guide 2 and carriages 4; carriages 4 and lower arms 5; lower arms 5 and upper arms 6; upper arms 6 and connecting rods 7; connecting rods 7 and movable plate 10; fixed rod 8 and fork 9; fork 9 and movable plate 10 form rotational hinges. Sliders 12 and rods 14; sliders 13 and rods 14; rods 14 and platform 15 form spherical hinges. Guides 11 and sliders 12; guides 11 and sliders 13 form translational hinges. The geometric axes of the rotational joints between the connecting rods 7 and the movable plate 10 intersect in the center of the rotational joint between the fork 9 and the movable plate 10.

Принцип работы предлагаемого механизма заключается в следующем. При задании движения зубчатым колесам 3, каретки 4 смещаются относительно круговой направляющей 2, жестко установленной на стойке 1. Движение от кареток 4 передается нижним 5 и верхним 6 рычагам и далее шатунам 7, ориентирующим подвижную плиту 10. При этом ограничения на движение подвижной плиты 10 накладываются центральной кинематической цепью, которая оставляет ей две вращательных степени свободы: наклон относительно вилки 9 за счет шарнира 9-10 и неограниченный поворот относительно продольной оси неподвижного стержня 8 за счет шарнира 8-9.The operating principle of the proposed mechanism is as follows. When motion is given to the gear wheels 3, the carriages 4 are shifted relative to the circular guide 2, rigidly mounted on the rack 1. The movement from the carriages 4 is transmitted to the lower 5 and upper 6 levers and then to the connecting rods 7, orienting the movable plate 10. At the same time, there are restrictions on the movement of the movable plate 10 are superimposed by a central kinematic chain, which leaves it two rotational degrees of freedom: tilt relative to the fork 9 due to the hinge 9-10 and unlimited rotation relative to the longitudinal axis of the fixed rod 8 due to the hinge 8-9.

При смещении трехпарных и двухпарных ползунов 12 и 13 относительно направляющих 11, жестко установленных на стойке 1, движение передается на штанги 14 и далее на платформу 15. Так обеспечиваются четыре степени свободы платформе 15 (три линейных смещения и одно угловое).When the three-pair and two-pair sliders 12 and 13 are displaced relative to the guides 11, rigidly mounted on the rack 1, the movement is transmitted to the rods 14 and then to the platform 15. This provides four degrees of freedom to the platform 15 (three linear displacements and one angular).

Таким образом, в относительном манипулировании данный механизм имеет шесть степеней свободы.Thus, in relative manipulation, this mechanism has six degrees of freedom.

Предлагаемый механизм может быть применен в процессах по обработке элементов деталей машин, в аддитивных технологиях, а также применениях, требующих шесть степеней свободы с относительным манипулированием, значительное линейное смещение в вертикальном направлении и неограниченный поворот вокруг вертикальной оси.The proposed mechanism can be used in processes for processing machine parts, in additive technologies, as well as applications requiring six degrees of freedom with relative manipulation, significant linear displacement in the vertical direction and unlimited rotation around the vertical axis.

Claims

A spatial mechanism for relative manipulation with two- and four-movable modules of a parallel structure, including a rack and a platform, between which kinematic chains are installed, consisting of guides rigidly fixed on the rack, three-pair sliders and rods, characterized in that the mechanism is equipped with two-pair sliders, while between Each two-pair slider and platform have one rod installed, and the number of kinematic chains is four; in addition, the mechanism is equipped with a movable plate coupled with three kinematic chains to a circular guide with teeth cut on it, rigidly mounted on a stand, where two kinematic chains are located around the perimeter and include carriages with gears, lower and upper arms and connecting rods, and one chain is located in the center and includes a fixed rod and a yoke, and the geometric axes of the rotational joints between the movable plate and the connecting rods intersect at the center of the rotational joint between the yoke and the movable platen.