RU2801186C1 - Spatial five-movement manipulator of parallel design - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to mechanical systems of parallel design. Spatial manipulator of parallel design with five degrees of freedom includes a rack, a platform and kinematic chains consisting of driving links and rods and located along the perimeter. It also includes a kinematic chain located in the centre, which includes a rocker, a stone and an output element. In this manipulator in the kinematic chains located along the perimeter, the driving links are made in the form of three-pair and two-pair sliders connected to the rods by spherical hinges. Between each two-pair slider and the platform, one rod is installed, and the number of kinematic chains located along the perimeter is four. The central kinematic chain is provided with a cross, which forms rotational hinges with the platform, and a spherical hinge with the stone, and the cross is rigidly connected to the output element. The rack is made in the form of upper and lower fixed plates, between which there are guides coupled with sliders.

EFFECT: expansion of the field of application.

1 cl, 1 dwg

Description

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

Известен трехподвижный манипулятор параллельной структуры «Дельта-робот» [Vischer P., Clavel R. Kinematic calibration of the parallel Delta robot. Robotica, 16(2), pp.207-218, 1998; Fig. 1]. Манипулятор включает в свой состав неподвижное звено (стойку) и выходное звено (платформу), между которыми установлено три кинематические цепи, каждая из которых снабжена приводом. Недостатком данного манипулятора является отсутствие вращательных степеней свободы выходного звена.Known three-movable manipulator of the parallel structure "Delta robot" [Vischer P., Clavel R. Kinematic calibration of the parallel Delta robot. Robotica, 16(2), pp.207-218, 1998; Fig. 1]. The manipulator includes a fixed link (rack) and an output link (platform), between which three kinematic chains are installed, each of which is equipped with a drive. The disadvantage of this manipulator is the absence of rotational degrees of freedom of the output link.

Наиболее близким к предлагаемому манипулятору является четырехподвижное устройство для перемещения и позиционирования элементов в пространстве [Clavel, R. Device for displacing and positioning an element in space, WIPO Patent, WO 87/03528, Date de depot: 10.12.86, Date de publication internationale: 18.06.87]. Устройство имеет параллельную структуру и включает неподвижное звено (стойку) и платформу, между которыми установлены кинематические цепи, состоящие из ведущих звеньев (рычагов) и штанг и расположенные по периметру, а также центральная кинематическая цепь, состоящая из вилки, кулисы, камня и выходного элемента. Все шарниры устройства выполнены вращательными, кроме шарниров вилка-кулиса и камень-выходной элемент, выполненных карданными, а также шарнира кулиса-камень, выполненного поступательным. При этом между каждым рычагом и платформой установлено по две штанги, а число кинематических цепей, расположенных по периметру, равно трем. Штанги образуют с сопрягаемыми звеньями двухподвижные шарниры. Таким образом, цепи, расположенные по периметру, обеспечивают выходному элементу три поступательные степени свободы, а центральная - одну вращательную относительно оси, перпендикулярной плоскости платформы.Closest to the proposed manipulator is a four-movable device for moving and positioning elements in space [Clavel, R. Device for displacing and positioning an element in space, WIPO Patent, WO 87/03528, Date depot: 10.12.86, Date de publication internationale : 18.06.87]. The device has a parallel structure and includes a fixed link (rack) and a platform, between which kinematic chains are installed, consisting of leading links (levers) and rods and located along the perimeter, as well as a central kinematic chain consisting of a fork, backstage, stone and output element . All hinges of the device are made rotational, except for the hinges of the fork-link and stone-output element, made of cardan, as well as the hinge of the link-stone, made translational. At the same time, two rods are installed between each lever and the platform, and the number of kinematic chains located along the perimeter is three. Rods form two-movable hinges with mating links. Thus, the chains located along the perimeter provide the output element with three translational degrees of freedom, and the central one - one rotational about the axis perpendicular to the plane of the platform.

Данное устройство принимается за прототип предлагаемого манипулятора. Недостаток прототипа заключается в отсутствии вращательных степеней свободы выходного элемента относительно осей, расположенных в плоскости платформы. Данный недостаток ограничивает возможности применения прототипа в технике.This device is taken as a prototype of the proposed manipulator. The disadvantage of the prototype is the lack of rotational degrees of freedom of the output element relative to the axes located in the plane of the platform. This disadvantage limits the possibility of using the prototype in technology.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в усовершенствовании конструкции прототипа путем обеспечения выходному элементу дополнительной вращательной степени свободы относительно оси, расположенной в плоскости платформы.The technical problem solved by the invention is to improve the design of the prototype by providing the output element with an additional rotational degree of freedom relative to an axis located in the plane of the platform.

Данная проблема решается тем, что в предлагаемом пространственном пятиподвижном манипуляторе параллельной структуры, включающем стойку, платформу и кинематические цепи, состоящие из ведущих звеньев и штанг и расположенные по периметру, а также кинематическую цепь, расположенную по центру, в состав которой входит кулиса, камень и выходной элемент, согласно изобретению, в кинематических цепях, расположенных по периметру, ведущие звенья выполнены в виде трехпарных и двухпарных ползунов, сопряженных со штангами сферическими шарнирами, при этом между каждым двухпарным ползуном и платформой установлено по одной штанге, а число кинематических цепей, расположенных по периметру, равно четырем, при этом центральная кинематическая цепь снабжена крестовиной, образующей с платформой вращательные шарниры, а с камнем сферический шарнир, причем крестовина жестко соединена с выходным элементом, а стойка выполнена в виде верхней и нижней неподвижных плит, между которыми установлены направляющие, сопряженные с ползунами.This problem is solved by the fact that in the proposed spatial five-movable manipulator of a parallel structure, including a rack, a platform and kinematic chains consisting of leading links and rods and located along the perimeter, as well as a kinematic chain located in the center, which includes a rocker, a stone and the output element, according to the invention, in the kinematic chains located along the perimeter, the leading links are made in the form of three-pair and two-pair sliders connected to the rods by spherical hinges, while between each two-pair slider and the platform one rod is installed, and the number of kinematic chains located along the perimeter is equal to four, while the central kinematic chain is equipped with a cross, which forms rotational hinges with the platform, and a spherical hinge with the stone, and the cross is rigidly connected to the output element, and the rack is made in the form of upper and lower fixed plates, between which guides are installed, mated with creepers.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении выходному элементу дополнительной вращательной степени свободы относительно оси, расположенной в плоскости платформы. Данное преимущество способствует расширению возможностей практического применения предлагаемого манипулятора.The technical result obtained by using the proposed invention is to provide the output element with an additional rotational degree of freedom relative to an axis located in the plane of the platform. This advantage contributes to the expansion of the practical application of the proposed manipulator.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показана кинематическая схема пространственного пятиподвижного манипулятора параллельной структуры. Манипулятор включает нижнюю неподвижную плиту 1 и верхнюю неподвижную плиту 1', между которыми установлены платформа 10 и пять кинематических цепей, из которых четыре расположены по периметру и одна по центру. Цепи, расположенные по периметру, выполнены двух типов. Первые состоят из направляющих 2, жестко установленных между нижней неподвижной плитой 1 и верхней неподвижной плитой 1', трехпарных (образующих с сопрягаемыми звеньями три кинематические пары) ползунов 3 и штанг 4. Вторые также состоят из направляющих 2, жестко установленных между нижней неподвижной плитой 1 и верхней неподвижной плитой 1', двухпарных (образующих с сопрягаемыми звеньями две кинематические пары) ползунов 5 и штанг 6. Центральная цепь включает кулису 7, камень 8 и крестовину 9 с жестко установленным на ней выходным элементом 11. Ползуны 3 и 5, а также камень 8 являются приводными, которым задаются входные движения. Звенья 2 и 3; 2 и 5; 7 и 8 образуют поступательные шарниры. Звенья 3 и 4; 4 и 10; 5 и 6; 6 и 10; 1' и 7; 8 и 9 образуют сферические шарниры. Звенья 9 и 10 образуют вращательные шарниры.The invention is illustrated by the drawing, where in Fig. 1 shows a kinematic diagram of a spatial five-movable manipulator of a parallel structure. The manipulator includes a lower fixed plate 1 and an upper fixed plate 1', between which a platform 10 and five kinematic chains are installed, four of which are located along the perimeter and one in the center. The chains located along the perimeter are made of two types. The former consist of guides 2 rigidly installed between the lower fixed plate 1 and the upper fixed plate 1', three-pair (forming three kinematic pairs with mating links) sliders 3 and rods 4. The latter also consist of guides 2 rigidly installed between the lower fixed plate 1 and the upper fixed plate 1', two-pair (forming two kinematic pairs with mating links) sliders 5 and rods 6. The central chain includes a link 7, a stone 8 and a cross 9 with an output element 11 rigidly mounted on it. Sliders 3 and 5, as well as stone 8 are driving, which are given input movements. Links 2 and 3; 2 and 5; 7 and 8 form translational hinges. Links 3 and 4; 4 and 10; 5 and 6; 6 and 10; 1' and 7; 8 and 9 form spherical hinges. Links 9 and 10 form rotational hinges.

Принцип работы предлагаемого манипулятора заключается в следующем.The principle of operation of the proposed manipulator is as follows.

При смещении трехпарных и двухпарных ползунов 3 и 5 относительно направляющих 2, жестко установленных между нижней неподвижной плитой 1 и верхней неподвижной плитой 1', движение передается на штанги 4 и 6 и далее на платформу 10. Так обеспечиваются четыре степени свободы платформе 10 (три линейных смещения и поворот относительно оси, параллельной оси между сферическими шарнирами 4-10). Пятая степень свободы (поворот вокруг оси шарниров 9-10) обеспечивается за счет центральной цепи. В ней при смещении камня 8 относительно кулисы 7 движение передается на крестовину 9 и далее на выходной элемент 11.When the three-pair and two-pair sliders 3 and 5 are displaced relative to the guides 2, rigidly installed between the lower fixed plate 1 and the upper fixed plate 1', the movement is transmitted to the rods 4 and 6 and then to the platform 10. This provides four degrees of freedom to the platform 10 (three linear displacement and rotation about an axis parallel to the axis between the spherical hinges 4-10). The fifth degree of freedom (rotation around the hinge axis 9-10) is provided by the central chain. In it, when the stone 8 is displaced relative to the backstage 7, the movement is transmitted to the crosspiece 9 and then to the output element 11.

Предлагаемый манипулятор может быть применен при проведении сборочных и манипуляционных операций, а также применениях, требующих пяти степеней свободы.The proposed manipulator can be used in assembly and manipulation operations, as well as applications requiring five degrees of freedom.

Claims (1)

Пространственный пятиподвижный манипулятор параллельной структуры, включающий стойку, платформу и кинематические цепи, состоящие из ведущих звеньев и штанг и расположенные по периметру, а также кинематическую цепь, расположенную по центру, в состав которой входит кулиса, камень и выходной элемент, отличающийся тем, что в кинематических цепях, расположенных по периметру, ведущие звенья выполнены в виде трехпарных и двухпарных ползунов, сопряженных со штангами сферическими шарнирами, при этом между каждым двухпарным ползуном и платформой установлено по одной штанге, а число кинематических цепей, расположенных по периметру, равно четырем, при этом центральная кинематическая цепь снабжена крестовиной, образующей с платформой вращательные шарниры, а с камнем сферический шарнир, причем крестовина жестко соединена с выходным элементом, а стойка выполнена в виде верхней и нижней неподвижных плит, между которыми установлены направляющие, сопряженные с ползунами.Spatial five-movable manipulator of a parallel structure, including a rack, a platform and kinematic chains consisting of leading links and rods and located along the perimeter, as well as a kinematic chain located in the center, which includes a link, a stone and an output element, characterized in that in kinematic chains located along the perimeter, the leading links are made in the form of three-pair and two-pair sliders coupled with rods by spherical hinges, while between each two-pair slider and the platform one rod is installed, and the number of kinematic chains located along the perimeter is four, while the central kinematic chain is provided with a cross, which forms rotational hinges with the platform, and a spherical hinge with the stone, wherein the cross is rigidly connected to the output element, and the rack is made in the form of upper and lower fixed plates, between which there are guides coupled with sliders.