RU2818704C1 - Parallel spherical manipulator of asymmetric type with three degrees of freedom - Google Patents

Parallel spherical manipulator of asymmetric type with three degrees of freedom Download PDF

Info

Publication number
RU2818704C1
RU2818704C1 RU2023117156A RU2023117156A RU2818704C1 RU 2818704 C1 RU2818704 C1 RU 2818704C1 RU 2023117156 A RU2023117156 A RU 2023117156A RU 2023117156 A RU2023117156 A RU 2023117156A RU 2818704 C1 RU2818704 C1 RU 2818704C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
support arms
degrees
rotation
freedom
parallel spherical
Prior art date
Application number
RU2023117156A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерия Алексеевна Скворцова
Original Assignee
Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Filing date
Publication date
Application filed by Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" filed Critical Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис"
Application granted granted Critical
Publication of RU2818704C1 publication Critical patent/RU2818704C1/en

Links

Abstract

FIELD: robotics.
SUBSTANCE: invention can be used in multi-position machining centers, assembly lines, multifunctional process plants, medical rehabilitation. Manipulator comprises three lower arched support arms, each of which is made in the form of a kinematic link with an arched rod, one end rotatable is fixed on one axis of rotation with upper arched support arms and a mobile platform arranged inside upper support arched arms. At that, other ends of lower arched support arms are arranged with possibility of rotation on base axis arranged on base of robot, by means of rotation drive providing rotation of at least one of lower arched support arms installed on common axis and at least two conjugated upper arched support arms.
EFFECT: wide angle of deviation of the mobile platform is provided.
8 cl, 2 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИTECHNICAL FIELD

Изобретение относится к области робототехники, точнее к пространственным манипуляционным механизмам параллельной структуры с 3-мя вращательными степенями свободы и может найти применение в многопозиционных обрабатывающих центрах, сборочных конвейерах, многофункциональных технологических установках, медицинской реабилитологии.The invention relates to the field of robotics, more precisely to spatial manipulation mechanisms of a parallel structure with 3 rotational degrees of freedom and can find application in multi-position machining centers, assembly lines, multifunctional technological installations, and medical rehabilitation.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND ART

Из уровня техники известны подобные устройства, например, бионический плечевой сустав (см. CN101301755A, опубл. 12.11.2008), который имеет смещающий выход и сферические поверхности с тремя степенями свободы, которые расположены параллельно. Бионический плечевой сустав отличается тем, что осевая линия нижнего опорного стержня шарнира центральной сферической поверхности проталкивается через центр неподвижной платформы механизма параллельного сферической поверхности с тремя степенями свободы; кроме того, внешний конец нижнего опорного стержня шарнира центральной сферической поверхности жестко соединен с неподвижной площадкой механизма параллельного сферической поверхности с тремя степенями свободы; неподвижная платформа жестко соединена с неподвижным кольцом через три равномерно распределенных соединительных стойки; осевая линия прямого выходного стержня шарнира центральной сферической поверхности или осевая линия прямого выходного стержня круглой призмы проталкивается через центр подвижной платформы трехстепенной параллельный механизм со сферическими поверхностями; кроме того, внешний конец прямого выходного стержня механизма параллелизма центральной сферической поверхности неподвижно соединен с подвижной платформой.Similar devices are known from the prior art, for example, the bionic shoulder joint (see CN101301755A, published November 12, 2008), which has a displacement output and spherical surfaces with three degrees of freedom, which are located in parallel. The bionic shoulder joint is characterized in that the center line of the lower hinge support rod of the central spherical surface is pushed through the center of the fixed platform of the mechanism parallel to the spherical surface with three degrees of freedom; in addition, the outer end of the lower support rod of the hinge of the central spherical surface is rigidly connected to the fixed platform of the mechanism parallel to the spherical surface with three degrees of freedom; the fixed platform is rigidly connected to the fixed ring through three evenly distributed connecting posts; The center line of the straight output rod of the central spherical surface hinge or the center line of the straight output rod of the circular prism is pushed through the center of the movable platform of the three-degree parallel mechanism with spherical surfaces; In addition, the outer end of the straight output rod of the central spherical surface parallelism mechanism is fixedly connected to the movable platform.

Бионический плечевой сустав обладает такими преимуществами, как большая статическая жесткость, большое рабочее пространство, однако пространство перемещения мобильной платформой у предложенного аналога недостаточно.The bionic shoulder joint has such advantages as high static rigidity and a large working space, but the space for moving the mobile platform of the proposed analogue is not enough.

Также из уровня техники известен бионический плечевой сустав с пятью степенями свободы (см. CN104908060A, опубл. 16.09.2015). Параллельный механизм с двумя степенями свободы состоит из бионической стойки, промежуточной подвижной платформы, S-образного соединительного стержня между бионической стойкой и промежуточной подвижной платформой и двух подвижных ветвей одинаковой конструкции, при этом каждая подвижная ветвь цепи последовательно состоит из подвижной пары линейных направляющих, ведущего ползуна, крюкового соединения, ведомого стержня и сферической пары; сферический параллельный механизм с тремя степенями свободы, содержащий промежуточную подвижную платформу, три вращающихся ответвления и хвостовую подвижную платформу; сферический шарнир с большим рабочим пространством содержит опорный стержень, двухушковую скобу, шаровую головку, П-образную мешалку, промежуточный опорный ролик, полый выходной стержень и штифт; блок вывода смещения содержит выходной стержень и выходной стержень смещения. Согласно бионическому плечевому суставу, выходной стержень смещения может двигаться в пяти степенях свободы, а бионический плечевой сустав максимально приближен к реальному состоянию человеческого плечевого сустава с точки зрения строения, движения и функции.Also known from the prior art is a bionic shoulder joint with five degrees of freedom (see CN104908060A, published September 16, 2015). A parallel mechanism with two degrees of freedom consists of a bionic strut, an intermediate movable platform, an S-shaped connecting rod between the bionic strut and the intermediate movable platform and two movable branches of the same design, with each movable branch of the chain sequentially consisting of a movable pair of linear guides, a leading slider , hook connection, driven rod and spherical pair; a spherical parallel mechanism with three degrees of freedom, containing an intermediate movable platform, three rotating branches and a tail movable platform; a spherical joint with a large working space contains a support rod, a two-ear bracket, a ball head, a U-shaped stirrer, an intermediate support roller, a hollow output rod and a pin; The bias output block contains an output pin and a bias output pin. According to the bionic shoulder joint, the output displacement rod can move in five degrees of freedom, and the bionic shoulder joint is as close as possible to the real state of the human shoulder joint in terms of structure, movement and function.

Наиболее близким аналогом по мнению заявителя является плечевой шарнир робота (см. CN100544901, опубл. 30.09.2009). Серводвигатель плечевого шарнира установлен на основании, а один конец приводного стержня жестко соединен с валом вращения серводвигателя через монтажное отверстие. Другой конец ведущего стержня соединен с одним концом ведомого стержня через первый поворотный шарнир, а другой конец ведомого стержня соединен с подвижной платформой, оси валов вращения трех серводвигателей в трех ветвях движения перпендикулярны друг другу в пространстве, а трех ведомых рычагов соединены с подвижной платформой за три секундных оборота Оси валов вторичных шарниров перпендикулярны друг другу в пространстве. Подвижная платформа может быть соединена с механическим рычагом, а трехмерное вращение подвижной платформы может быть реализовано посредством соответствующего привода соответствующих приводных стержней через три серводвигателя. Изобретение имеет преимущества простой конструкции, высокой несущей способности, высокой скорости отклика, хорошей технологичности и т. д. и подходит для использования в качестве плечевого сустава человекоподобного робота.The closest analogue, according to the applicant, is the robot's shoulder joint (see CN100544901, published 09.30.2009). The shoulder joint servo motor is installed on the base, and one end of the drive rod is rigidly connected to the rotation shaft of the servo motor through the mounting hole. The other end of the driving rod is connected to one end of the driven rod through the first rotary joint, and the other end of the driven rod is connected to the movable platform, the axes of the rotation shafts of the three servo motors in the three branches of motion are perpendicular to each other in space, and the three driven arms are connected to the movable platform by three seconds of revolution The axes of the secondary hinge shafts are perpendicular to each other in space. The moving platform can be connected to a mechanical arm, and the three-dimensional rotation of the moving platform can be realized by correspondingly driving the corresponding drive rods through three servo motors. The invention has the advantages of simple structure, high load-bearing capacity, high response speed, good manufacturability, etc., and is suitable for use as a shoulder joint of a humanoid robot.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Данное изобретение направлено на решение технической проблемы, связанной созданием параллельного сферического манипулятора асимметричного типа с тремя степенями свободы с широким углом отклонений мобильной платформы.This invention is aimed at solving a technical problem associated with the creation of a parallel spherical manipulator of an asymmetric type with three degrees of freedom with a wide angle of deviation of the mobile platform.

Техническим результатом изобретения является увеличение угла отклонений мобильной платформы.The technical result of the invention is to increase the angle of deviation of the mobile platform.

Технический результат достигается посредством параллельного сферического манипулятора асимметричного типа с тремя степенями свободы, содержащего три нижних дугообразных опорных плеча, каждое из которых выполнено в виде кинематического звена с дугообразным стержнем одним концом с возможностью вращения закреплённого на одной оси вращения с верхними дугообразными опорными плечами и размещенной внутри верхних опорных дугообразных плеч мобильной платформой.The technical result is achieved by means of a parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom, containing three lower arcuate support arms, each of which is made in the form of a kinematic link with an arcuate rod at one end with the possibility of rotation fixed on the same axis of rotation with the upper arcuate support arms and placed inside upper supporting arched shoulders with a mobile platform.

Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы характеризуется тем, что оси вращения размещены в одной плоскости на расстоянии 120° друг от друга, другие концы нижних дугообразных опорных плеч размещены с возможностью вращения на базовой оси, размещенной на основании робота, посредством привода вращения, обеспечивающим вращение по меньшей мере одного из установленных на общую ось нижнего дугообразного опорных плеча, и по крайней мере двух сопряженных верхних дугообразных опорных плеч.A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom is characterized by the fact that the rotation axes are located in the same plane at a distance of 120° from each other, the other ends of the lower arcuate support arms are rotatably placed on the base axis located on the base of the robot, by means of a rotation drive, providing rotation of at least one of the lower arcuate support arms installed on a common axis, and at least two associated upper arcuate support arms.

В предпочтительном варианте выполнения мобильная платформа три вращательные степени свободы в пределах от -90 до 90 градусов.In a preferred embodiment, the mobile platform has three rotational degrees of freedom ranging from -90 to 90 degrees.

В предпочтительном варианте выполнения верхние дуговые опорные плечи имеют форму дуг окружности.In a preferred embodiment, the upper arc support arms have the shape of circular arcs.

В предпочтительном варианте выполнения нижние дуговые опорные плечи имеют форму дуг окружности.In a preferred embodiment, the lower arc support arms have the shape of circular arcs.

В предпочтительном варианте выполнения нижние дуговые опорные плечи имеют форму скругленного прямого угла.In a preferred embodiment, the lower arc support arms have the shape of a rounded right angle.

В предпочтительном варианте выполнения оси вращения нижних, верхних дугообразных опорных плеч и мобильной платформой соединены с нижними опорными плечами посредством активного сустава, включающего привод, обеспечивающий вращение верхних дугообразных опорных плеч.In a preferred embodiment, the rotation axes of the lower and upper arcuate support arms and the mobile platform are connected to the lower support arms through an active joint, including a drive that ensures rotation of the upper arcuate support arms.

В предпочтительном варианте выполнения базовая ось соединена с активным базовым суставом, включающего привод вращения нижних дугообразных опорных плеч.In a preferred embodiment, the base axis is connected to an active base joint, including a rotation drive of the lower arcuate support arms.

В предпочтительном варианте выполнения привод вращения выполнен в виде мотора с полым валом.In a preferred embodiment, the rotation drive is designed as a motor with a hollow shaft.

В предпочтительном варианте выполнения привод вращения одного из установленных на общую ось цилиндрических втулок нижних дугообразных опорных плеч содержит вал, длина которого не меньше суммарной длины трех цилиндрических втулок нижних дугообразных опорных плеч и сопряжено с одной из них на шпоночное или аналогичное соединение.In a preferred embodiment, the rotation drive of one of the cylindrical bushings of the lower arcuate support arms installed on a common axis contains a shaft, the length of which is not less than the total length of the three cylindrical bushings of the lower arcuate support arms and is coupled with one of them using a key or similar connection.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ РИСУНКОВBRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:The essence of the invention is illustrated by drawings, in which:

На фиг. 1 показан параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы;In fig. Figure 1 shows a parallel spherical manipulator of an asymmetric type with three degrees of freedom;

На фиг.2 показана схема систем координат параллельного сферического манипулятора; математическое приближение (2А) реальная модель (2Б).Figure 2 shows a diagram of the coordinate systems of a parallel spherical manipulator; mathematical approximation (2A) real model (2B).

Позиции на фиг.1 обозначают следующее:The positions in figure 1 indicate the following:

1 - основание робота;1 - robot base;

2 - активный базовый сустав;2 - active base joint;

3 - базовая ось;3 - base axis;

4, 5, 6 - нижние дугообразные опорные плечи;4, 5, 6 - lower arched support shoulders;

7, 8, 9 - активные суставы;7, 8, 9 - active joints;

10, 11, 12 - верхние дугообразные опорные плечи;10, 11, 12 - upper arched support shoulders;

13 - мобильная платформа.13 - mobile platform.

ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯOPTION FOR IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Заявленный параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы, как показано на фиг.1, имеет нижниее дугообразные опорные плечи 4, 5, 6. Плечи 4, 5, 6 представляют собой кинематические звенья с дугообразным стержнем. Один конец каждого нижнего дугообразного опорного плеча 4, 5, 6 закреплен с возможностью вращения на одной оси вращения соответственно с верхними дугообразными опорными плечами 10, 11, 12 и размещенной внутри верхних опорных дугообразных плеч мобильной платформой 13. Верхние дуговые опорные плечи 10, 11, 12 могут иметь форму дуг окружности. Нижние дуговые опорные плечи 4, 5, 6 могут иметь форму дуг окружности или форму скругленного прямого угла. Оси вращения размещены в одной плоскости на расстоянии 120° друг от друга, другие концы нижних дугообразных опорных плеч 4, 5, 6. размещены с возможностью вращения на базовой оси 3, размещенной на основании робота 1, посредством привода вращения. Привод приводит во вращение один или несколько установленных на общую ось нижних дугообразных опорных плеч 4, 5, 6, которые в свою очередь приводят во вращение оба сопряженные с каждым из нижних плеч 4, 5, 6 верхние дугообразные опорные плечи 10, 11, 12.The claimed parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom, as shown in Fig. 1, has lower arcuate support arms 4, 5, 6. Arms 4, 5, 6 are kinematic links with an arcuate rod. One end of each lower arcuate support arm 4, 5, 6 is fixed for rotation on the same axis of rotation, respectively, with the upper arcuate support arms 10, 11, 12 and the mobile platform 13 located inside the upper arcuate support arms. The upper arcuate support arms 10, 11, 12 may take the form of circular arcs. The lower arc support arms 4, 5, 6 can have the shape of circular arcs or the shape of a rounded right angle. The rotation axes are located in the same plane at a distance of 120° from each other, the other ends of the lower arcuate support arms 4, 5, 6 are placed with the possibility of rotation on the base axis 3, located on the base of the robot 1, by means of a rotation drive. The drive rotates one or more lower arcuate support arms 4, 5, 6 mounted on a common axis, which in turn drive both upper arcuate support arms 10, 11, 12 associated with each of the lower arms 4, 5, 6.

Оси вращения нижних 4, 5, 6, верхних дугообразных опорных плеч 10, 11, 12 и мобильной платформы 13 соединены с нижними опорными плечами посредством активного сустава 7, 8, 9, включающего привод, обеспечивающий вращение верхних дугообразных опорных плеч 10, 11, 12. Базовая ось 3 соединена с активным базовым суставом 7, 8, 9, включающего привод вращения нижних дугообразных опорных плеч 4, 5, 6. Привод вращения выполнен в виде мотора с полым валом.The rotation axes of the lower 4, 5, 6, upper arcuate support arms 10, 11, 12 and the mobile platform 13 are connected to the lower support arms through an active joint 7, 8, 9, including a drive that ensures rotation of the upper arcuate support arms 10, 11, 12 The base axis 3 is connected to the active base joint 7, 8, 9, which includes a rotation drive of the lower arcuate support arms 4, 5, 6. The rotation drive is made in the form of a motor with a hollow shaft.

Привод вращения одного из установленных на общую ось цилиндрических втулок нижних дугообразных опорных плеч содержит вал, длина которого не меньше суммарной длины трех цилиндрических втулок нижних дугообразных опорных плеч и сопряжено с одной из них на шпоночное или аналогичное соединение.The rotation drive of one of the cylindrical bushings of the lower arcuate support arms installed on a common axis contains a shaft, the length of which is not less than the total length of the three cylindrical bushings of the lower arcuate support arms and is coupled with one of them by a key or similar connection.

На фиг. 2А и фиг. 2Б представлена системы координат предлагаемого параллельного сферического манипулятора.In fig. 2A and FIG. Figure 2B shows the coordinate system of the proposed parallel spherical manipulator.

На фигурах предлагаемого изобретения приняты следующие обозначения: подвижные кинематические соединения – 1. Центр вращения робота находится в точке О, это точка соприкосновения вершин двух пирамид. Набор углов определяет механические свойства данного робота и не изменяется для конфигурации, данные параметры называются рабочими параметрами робота. Углы и определяют положение центра вращения и угол крепления ног к базовой и мобильной платформам соответственно, а углы и определяют длины дуг опорных плеч, из которых состоит каждая нога робота.The following designations are used in the figures of the proposed invention: movable kinematic connections - 1. The center of rotation of the robot is located at point O, this is the point of contact of the vertices of the two pyramids. Set of corners defines the mechanical properties of a given robot and does not change for configuration, these parameters are called robot operating parameters. Angles And determine the position of the center of rotation and the angle of attachment of the legs to the base and mobile platforms, respectively, and the angles And determine the lengths of the arcs of the supporting arms that make up each robot leg.

На фиг.2А b и e обозначают системы координат базовой и подвижной платформ, они являются общими для всех ног. А системы координат u, w и v принадлежат суставам в каждой ноге. Причем z-компонента систем координат направлена вдоль оси вращения каждого сустава. Углы в суставах каждой ноги мы будем обозначать как вектор . Ноги располагаются на верхней и нижней платформах с углом , где i - номер ноги:In Fig. 2A, b and e indicate the coordinate systems of the base and moving platforms, they are common to all legs. And the coordinate systems u, w and v belong to the joints in each leg. Moreover, the z- component of the coordinate systems is directed along the axis of rotation of each joint. We will denote the angles at the joints of each leg as a vector . The legs are located on the upper and lower platforms with an angle , where i is the leg number:

(1)(1)

Положение подвижной платформы робота можно описать, используя XYZ параметризацию углов Эйлера [4-6].The position of the robot's moving platform can be described using the XYZ parametrization of Euler angles [4-6].

(2)(2)

Поскольку робот имеет параллельную структуру, то гомогенная трансформация каждой ноги должны сходиться в одной точке:Since the robot has a parallel structure, the homogeneous transformation of each leg must converge at one point:

(3)(3)

Робот обладает набором активных и пассивных суставов. Движение робота осуществляется за счет активных суставов, которые содержат в себе источник перемещения. Пассивные суставы регулируют движение в роботе за счет его морфологической структуры и чаще всего пассивные суставы содержат в себе подшипники. В данном исследовании сравниваются классическое и асимметричное исполнения робота. В классическом исполнении робота активные суставы находятся в месте соединения ног с базовой платформой что на схеме соответствует u системам координат. Соответственно набор активных и пассивных суставов данного исполнения может быть описан следующим набором векторов:The robot has a set of active and passive joints. The movement of the robot is carried out due to active joints, which contain the source of movement. Passive joints regulate movement in a robot due to its morphological structure and most often passive joints contain bearings. This study compares classical and asymmetrical robot designs. In the classic design of the robot, the active joints are located at the junction of the legs with the base platform, which in the diagram corresponds to the u coordinate systems. Accordingly, a set of active and passive joints of a given design can be described by the following set of vectors:

(4)(4)

Второй - асимметричный тип, при котором три активных сустава находятся в месте соединения опорных плеч каждой ноги робота, что соответствует w системам координат и один из двигателей находится в основании первой ноги, соответственно набор активных и пассивных суставов можно описать как:The second is the asymmetric type, in which three active joints are located at the junction of the support arms of each robot leg, which corresponds to w coordinate systems and one of the motors is located at the base of the first leg, respectively, a set of active and passive joints can be described as:

(5)(5)

Для вычисления углов в нижних суставах опорных плеч нам нужно воспользоваться скалярным произведением для z-векторов v и w систем координат в каждой из ног. Известно что их скалярное произведение должно быть равно косинусу дуги опорного плеча между ними:To calculate the angles at the lower joints of the supporting arms, we need to use the scalar product for the z-vectors v and w of the coordinate systems in each of the legs. It is known that their scalar product must be equal to the cosine of the arc of the supporting arm between them:

(6)(6)

В последнем уравнении можно провести следующую замену: In the last equation the following substitution can be made:

(7)(7)

Соответственно уравнение (1.6) преобразуется в простое квадратное уравнение:Accordingly, equation (1.6) is transformed into a simple quadratic equation:

(8)(8)

Что означает, что решением для будет решение данного квадратного уравнение и его дальнейшее преобразование через арктангенс:What does it mean that the solution for there will be a solution to this quadratic equation and its further transformation through the arctangent:

(9)(9)

Чтобы вычислить углы в средних суставах между опорными плечами в ноге используется следующее уравнение: To calculate the angles at the middle joints between the supporting arms in the leg, the following equation is used:

(10)(10)

Для вычисления углов проводится тот же набор операций над уравнением (1.10) что был описан в уравнениях (1.7-9), только относительно угла . To calculate angles, the same set of operations is performed on equation (1.10) as was described in equations (1.7-9), only with respect to the angle .

Дифференциальная задача кинематики для данной состоит в том чтобы найти приращения матрицу трансформации между приращениями углов в ориентации мобильной платформы и углов в активных суставах [9, 10]. Данная трансформация называется якобианом и для отдельной ноги (если рассматривать ее с точки зрения последовательного манипулятора) имеет вид:The differential task of kinematics for this is to find the incremental transformation matrix between the increments of angles in the orientation of the mobile platform and the angles in the active joints [9, 10]. This transformation is called the Jacobian and for an individual leg (if we consider it from the point of view of a sequential manipulator) has the form:

(11)(eleven)

Параллельный сферический манипулятор имеет структуру замкнутой цепи и поэтому имеет ограничения, описываемые следующей системой уравнений:The parallel spherical manipulator has a closed circuit structure and therefore has limitations described by the following system of equations:

(12)(12)

Это означает что имеет место быть следующее соотношение между активными и пассивными суставами This means that there is the following relationship between active and passive joints

(13)(13)

Исходя из этого приращение углов в пассивных суставах зависят от активных суставов по следующему закону:Based on this, the increment of angles in passive joints depends on the active joints according to the following law:

(14)(14)

Финальный вид якобиана для классического исполнения данного типа манипулятора:The final form of the Jacobian for the classical execution of this type of manipulator:



(15)


(15)

И финальная версия якобиана для асимметричного исполнения имеет вид:And the final version of the Jacobian for asymmetric execution is:



(16)


(16)

Заявляемая кинематическая модель параллельного сферического манипулятора лежит в основе роботизированного тренажера сустава кисти руки.The claimed kinematic model of a parallel spherical manipulator underlies a robotic hand joint simulator.

В первую очередь были решены прямая и обратная задачи кинематики для данного типа роботов. Обратная задача решалась на основе геометрических особенностей робота, прямая задача была решена за счет решения нелинейной задачи оптимизации на основе идеи о том, что робот может представлять собой систему из 3-х роботизированных рук, конечный эффектор которых сходится всегда в одной точке.First of all, the direct and inverse kinematics problems for this type of robots were solved. The inverse problem was solved based on the geometric features of the robot, the direct problem was solved by solving a nonlinear optimization problem based on the idea that the robot can be a system of 3 robotic arms, the end effector of which always converges at one point.

Дифференциальная задача кинематики для данного типа роботов была вычислена за счет тех же базовых концепций, что и в решении прямой задачи кинематики, за исключением того, что конечная матрица Якоби рассчитывается по одной из ног робота.The differential kinematics problem for this type of robot was calculated using the same basic concepts as in the direct kinematics problem, except that the final Jacobian matrix was calculated from one of the robot's legs.

После решения базовых задач кинематики было дано определение для рабочего пространства данного типа роботов, а также было проведено исследование сингулярных состояний и рассмотрено несколько типов внутренних коллизий для робота. На базе этих определений была сформулирована задача оптимизации параметров робота для максимизации рабочего пространства.After solving the basic problems of kinematics, a definition was given for the workspace of this type of robot, and a study of singular states was carried out and several types of internal collisions for the robot were considered. Based on these definitions, the problem of optimizing the robot parameters to maximize the workspace was formulated.

Было проведено сравнение двух исполнений робота (классического и асимметричного) на базе решений задач оптимизации и было выбрано исполнение с максимальным рабочим пространством. A comparison was made of two versions of the robot (classical and asymmetric) based on solutions to optimization problems, and the version with the maximum working space was selected.

В результате проведения исследований подтвердилось, что предложенное асимметричное исполнение параллельного сферического манипулятора является более выигрышным с точки зрения полезного рабочего пространства, чем классическое исполнение в ситуации, где нижние опорные плечи сходятся вдоль одной оси. Данное утверждение было подтверждено математическим анализом системы. As a result of the research, it was confirmed that the proposed asymmetric design of a parallel spherical manipulator is more advantageous in terms of useful working space than the classical design in a situation where the lower support arms converge along one axis. This statement was confirmed by mathematical analysis of the system.

Таким образом для описанной математическая модель для двух исполнений параллельного сферического манипулятора, был проведен анализ его сингулярных состояний и коллизионный анализ и решена задача оптимизации рабочего пространства и были выявлены показатели системы для двух исполнений робота, при которых достигается максимальное рабочее пространство.Thus, for the described mathematical model for two versions of a parallel spherical manipulator, an analysis of its singular states and collision analysis was carried out and the problem of optimizing the work space was solved and the system indicators were identified for two versions of the robot, at which the maximum work space is achieved.

После чего были подобраны моторы, для данного типа роботов, подходящих для человеческой руки по максимально допустимым параметрам относительно моментов сил для кисти руки.After that, motors were selected for this type of robot, suitable for the human hand according to the maximum permissible parameters regarding the moments of force for the hand.

Claims (8)

1. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы, содержащий три нижних дугообразных опорных плеча, каждое из которых выполнено в виде кинематического звена с дугообразным стержнем, одним концом с возможностью вращения закреплённым на одной оси вращения с верхними дугообразными опорными плечами и размещенной внутри верхних опорных дугообразных плеч мобильной платформой, отличающийся тем, что другие концы нижних дугообразных опорных плеч размещены с возможностью вращения на базовой оси, размещенной на основании робота, посредством привода вращения, обеспечивающего вращение по меньшей мере одного из установленных на общую ось нижних дугообразных опорных плеч и по крайней мере двух сопряженных верхних дугообразных опорных плеч. 1. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom, containing three lower arcuate support arms, each of which is made in the form of a kinematic link with an arcuate rod, one end rotatably fixed on the same axis of rotation with the upper arcuate support arms and placed inside the upper supporting arcuate arms by a mobile platform, characterized in that the other ends of the lower arcuate support arms are placed for rotation on the base axis located on the base of the robot, by means of a rotation drive providing rotation of at least one of the lower arcuate support arms installed on a common axis and along at least two conjugate upper arcuate support arms. 2. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что мобильная платформа имеет три вращательные степени свободы в пределах от -90 до 90 градусов. 2. A parallel spherical manipulator of an asymmetric type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the mobile platform has three rotational degrees of freedom ranging from -90 to 90 degrees. 3. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что верхние дуговые опорные плечи имеют форму дуг окружности. 3. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the upper arc support arms have the shape of circular arcs. 4. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что нижние дуговые опорные плечи имеют форму дуг окружности. 4. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the lower arc support arms have the shape of circular arcs. 5. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что нижние дуговые опорные плечи имеют форму скругленного прямого угла. 5. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the lower arc support arms have the shape of a rounded right angle. 6. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что оси вращения нижних, верхних дугообразных опорных плеч и мобильной платформы соединены с нижними опорными плечами посредством активного сустава, включающего привод, обеспечивающий вращение верхних дугообразных опорных плеч. 6. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the rotation axes of the lower, upper arcuate support arms and the mobile platform are connected to the lower support arms through an active joint, including a drive that ensures rotation of the upper arcuate support arms. 7. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что базовая ось соединена с активным базовым суставом, включающим привод вращения нижних дугообразных опорных плеч. 7. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the base axis is connected to an active base joint, including a rotation drive of the lower arcuate support arms. 8. Параллельный сферический манипулятор асимметричного типа с тремя степенями свободы по п.1, отличающийся тем, что привод вращения выполнен в виде мотора с полым валом. 8. A parallel spherical manipulator of an asymmetrical type with three degrees of freedom according to claim 1, characterized in that the rotation drive is made in the form of a motor with a hollow shaft.
RU2023117156A 2023-06-29 Parallel spherical manipulator of asymmetric type with three degrees of freedom RU2818704C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818704C1 true RU2818704C1 (en) 2024-05-03

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100544901C (en) * 2007-08-08 2009-09-30 燕山大学 A kind of robot shoulder joint
CN101301755B (en) * 2008-05-29 2010-10-27 燕山大学 Three-freedom-degree spherical surface parallel connected bionic shoulder joint with bias output
CN104908060B (en) * 2015-06-03 2016-05-18 燕山大学 Five degree of freedom the bionical shoulder joint of connecting
RU2669130C2 (en) * 2014-06-05 2018-10-08 Софтбэнк Роботикс Юроп Secure, motor-driven hinge to be provided on humanoid robot
RU2774278C1 (en) * 2021-10-04 2022-06-16 Владимир Иванович Пожбелко Spherical platform folding arm

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100544901C (en) * 2007-08-08 2009-09-30 燕山大学 A kind of robot shoulder joint
CN101301755B (en) * 2008-05-29 2010-10-27 燕山大学 Three-freedom-degree spherical surface parallel connected bionic shoulder joint with bias output
RU2669130C2 (en) * 2014-06-05 2018-10-08 Софтбэнк Роботикс Юроп Secure, motor-driven hinge to be provided on humanoid robot
CN104908060B (en) * 2015-06-03 2016-05-18 燕山大学 Five degree of freedom the bionical shoulder joint of connecting
RU2774278C1 (en) * 2021-10-04 2022-06-16 Владимир Иванович Пожбелко Spherical platform folding arm

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4806068A (en) Rotary linear actuator for use in robotic manipulators
EP2252437B1 (en) Two degree-of-freedom parallel manipulator
US5699695A (en) Spatial, parallel-architecture robotic carpal wrist
RU2400351C2 (en) High-speed parallel-kinematics robot with four degrees of freedom
Zhao et al. Geometric analysis of overconstrained parallel manipulators with three and four degrees of freedom
EP3697581A1 (en) Compact spherical 3-dof mechanism constructed with scissor linkages
US6997669B2 (en) Parallel manipulators with four degrees of freedom
JPH0445310B2 (en)
US6412363B1 (en) Device for relative movement of two elements
CN107175654B (en) Structure redundancy parallel mechanism with two rotation and two movement
Parenti-Castelli et al. Workspace and optimal design of a pure translation parallel manipulator
CN104708617B (en) A kind of Three Degree Of Freedom detent mechanism and its multiple degrees of freedom series-parallel connection manipulator
RU2818704C1 (en) Parallel spherical manipulator of asymmetric type with three degrees of freedom
CN113561157B (en) Two-rotation two-movement four-degree-of-freedom parallel mechanism
RU179567U1 (en) SPATIAL MECHANISM WITH A CIRCULAR GUIDE
Koyachi et al. Mechanical design of hexapods with integrated limb mechanism: MELMANTIS-1 and MELMANTIS-2
CN1544209A (en) Three-branched chain scaling type mixed parallel robot with six degrees of freedom
CN113199462B (en) Adjustable 3-PXY parallel mechanism
Glazunov et al. Development of parallel-structured mechanisms with kinematic and dynamic uncoupling
CN109015597B (en) Novel parallel mechanism with three translation branches incompletely symmetrical
Liu et al. Parallel mechanisms with two or three degrees of freedom
CN116766164B (en) High-rigidity five-degree-of-freedom parallel driving robot with multi-ring coupling branched chains
RU2753064C1 (en) Pivot mechanism
RU2758607C1 (en) Platform manipulator
CN116803622B (en) High-speed high-precision parallel driving robot