RU2804666C1

RU2804666C1 - Six-movable spatial device of parallel structure of relative manipulation

Info

Publication number: RU2804666C1
Application number: RU2023103781A
Authority: RU
Inventors: Алексей Сергеевич Фомин; Кирилл Сергеевич Мухин
Filing date: 2023-02-20
Publication date: 2023-10-03

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: mechanical systems of relative manipulation. The six-movable spatial device of the parallel structure of relative manipulation includes a rack and a platform, between which kinematic chains are installed. The chains consist of guides rigidly fixed on the rack, as well as three-pair sliders and rods. The device 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 device 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 and include carriages with gears, lower forks, connecting rods and upper forks. One chain is located in the center and includes a fixed rod and a U-link. The lower forks form rotational hinges with the carriages, and the upper forks form a rigid connection with 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 устройству 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, Fig. 20, 23]. Он имеет параллельную структуру и состоит из стойки (неподвижное звено) и платформы (выходное звено), 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 device 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, Fig. 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 устройства, 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 device 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 шестиподвижном пространственном устройстве параллельной структуры относительного манипулирования, включающем стойку и платформу, между которыми установлены кинематические цепи, состоящие из направляющих, жестко зафиксированных на стойке, трехпарных ползунов и штанг, согласно изобретению, устройство снабжено двухпарными ползунами, при этом между каждым двухпарным ползуном и платформой установлено по одной штанге, а число кинематических цепей равно четырем, кроме этого, устройство снабжено 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, нижние вилки, шатуны и верхние вилки, а одна цепь расположена по центру и включает неподвижный стержень и U-образное звено, при этом нижние вилки образуют с каретками вращательные шарниры, а верхние вилки образуют с подвижной плитой жесткое соединение.This problem is solved by the fact that in the proposed six-movable spatial device of a parallel structure of relative manipulation, 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, according to the invention, the device is equipped with two-pair sliders, with In this case, one rod is installed between each double-pair slider and the platform, and the number of kinematic chains is four; in addition, the device 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 and include carriages with gears, lower forks, connecting rods and upper forks, and one chain is located in the center and includes a fixed rod and a U-shaped link, while the lower forks form rotational joints with the carriages, and the upper forks form with a movable plate rigid connection.

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 устройства.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 device.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана модель шестиподвижного пространственного устройства параллельной структуры относительного манипулирования. Устройство включает в свой состав стойку (неподвижное звено) 1 с жестко зафиксированной на ней круговой направляющей 2, по периметру которой нарезаны зубья, и подвижную плитуThe invention is illustrated by the drawing, where in FIG. Figure 1 shows a model of a six-moving spatial device of a parallel structure of relative manipulation. The device includes a stand (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, между которыми установлено две кинематические цепи, состоящие из кареток 4 с зубчатыми колесами 3, нижних вилок 5, шатунов 6 и верхних вилок 7, а также одна кинематическая цепь, состоящая из неподвижного стержня 8 и U-образного звена 9. Данные звенья образуют двухподвижный механизм параллельной структуры. Над этим механизмом 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 механизм параллельной структуры.10, between which two kinematic chains are installed, consisting of carriages 4 with gear wheels 3, lower forks 5, connecting rods 6 and upper forks 7, as well as one kinematic chain consisting of a fixed rod 8 and a U-shaped link 9. These links form double-moving mechanism of parallel structure. A platform 15 is installed above this mechanism 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-moving mechanism 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 вилки 5; неподвижный стержень 8 и U-образное звено 9; U-образное звено 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. Нижние вилки 5 и шатуны 6; шатуны 6 и верхние вилки 7 образуют карданные шарниры. Верхние вилки 7 и подвижная плита 10 образуют жесткое соединение.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 forks 5; fixed rod 8 and U-shaped link 9; The U-shaped link 9 and the 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. Lower forks 5 and connecting rods 6; connecting rods 6 and upper forks 7 form cardan joints. The upper forks 7 and the movable plate 10 form a rigid connection.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. При задании движения зубчатым колесам 3, каретки 4 смещаются относительно круговой направляющей 2, установленной на стойке 1. Движение от кареток 4 передается нижним вилкам 5, далее шатунам 6 и верхним вилкам 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 device is as follows. When motion is given to the gear wheels 3, the carriages 4 are shifted relative to the circular guide 2 mounted on the rack 1. The movement from the carriages 4 is transmitted to the lower forks 5, then to the connecting rods 6 and the upper forks 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 данное устройство имеет шесть степеней свободы.Thus, in relative manipulation, this device has six degrees of freedom.

Предлагаемое устройство может быть применено 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 device 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 six-moving spatial device of a parallel relative manipulation structure, including a rack and a platform, between which are installed kinematic chains consisting of guides rigidly fixed to the rack, three-pair sliders and rods, characterized in that the device is equipped with two-pair sliders, and between each two-pair slider and the platform installed on one rod, and the number of kinematic chains is four; in addition, the device is equipped with a movable plate, coupled by 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 gear wheels , lower forks, connecting rods and upper forks, and one chain is located in the center and includes a fixed rod and a U-shaped link, while the lower forks form rotational joints with the carriages, and the upper forks form a rigid connection with the movable plate.