RU2465124C1

RU2465124C1 - 3d spherical mechanism with three degrees of freedom

Info

Publication number: RU2465124C1
Application number: RU2011112569/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Аркадьевич Глазунов (RU); Виктор Аркадьевич Глазунов; Сергей Владимирович Палочкин (RU); Сергей Владимирович Палочкин; Сергей Валерьевич Хейло (RU); Сергей Валерьевич Хейло; Антонина Владимировна Ковальчук (RU); Антонина Владимировна Ковальчук
Priority date: 2011-04-04
Filing date: 2011-04-04
Publication date: 2012-10-27

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to robot 3D manipulators with three degrees of freedom. Proposed manipulator comprises base frame unit, output link, three trains each including rotary driving apparatus arranged on said base frame unit, and initial rotary train arranged perpendicular to axis of said apparatus. Note here that two trains comprises two intermediate hinges arranged parallel to initial hinge axis, and final hinge arranged perpendicular to second intermediate hinge axis and coupled with output link. Third train comprises final hinge arranged perpendicular to initial train axis. Note also that axes of all apparatuses are located to cross as the center Cartesian system with axes, x, y and z.

EFFECT: higher efficiency.

1 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к робототехнике, а именно к пространственным манипуляционным механизмам роботов с тремя степенями свободы - тремя ориентирующими движениями.The invention relates to mechanical engineering, in particular to robotics, and in particular to the spatial manipulation mechanisms of robots with three degrees of freedom - three orienting movements.

Известно устройство (Kong X., Gosselin С., "Type Synthesis of Parallel Mechanisms", Springer Tracts in Advanced Robotics Volume 33, 2007, Fig. 7.10. Six S=PMs shown in an isotropic configuration (а)), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, конечную вращательную пару, сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей, промежуточных и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.A device is known (Kong X., Gosselin C., "Type Synthesis of Parallel Mechanisms", Springer Tracts in Advanced Robotics Volume 33, 2007, Fig. 7.10. Six S = PMs shown in an isotropic configuration (a)), spatial spherical mechanism with three degrees of freedom, containing a base, an output link, three kinematic chains, including each rotational motor located on the base, an initial rotational kinematic pair located perpendicular to the axis of the engine with the intersection of its axis, an end rotational pair conjugated to the output link, and the axes of all engines, intermediate and final kinematic pairs are located with the intersection in the center of the Cartesian coordinate system.

Известно устройство (Хейло С.В. "Решение задачи кинематики сферического манипулятора параллельной структуры". Машиностроение и инженерное образование: 2010, №4, стр.18-22, рис.1 (стр18)), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, конечную вращательную пару, сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей, промежуточных и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.A device is known (Heilo SV "Solving the kinematics of a spherical manipulator of parallel structure. Mechanical Engineering and Engineering Education: 2010, No. 4, p. 18-22, Fig. 1 (p. 18)), a spatial spherical mechanism with three degrees of freedom, comprising a base, an output link, three kinematic chains, including each rotational motor located on the base, an initial rotational kinematic pair located perpendicular to the axis of the engine with the intersection of its axis, an end rotational pair, mated to the output link, the axes of all engines, the intermediate and final kinematic pairs arranged with the intersection at the center of the Cartesian coordinate system.

Недостатком данных устройств является сложность конструкции, обусловленная необходимостью располагать звенья кинематической пары в одной полуплоскости на близком расстоянии друг от друга.The disadvantage of these devices is the design complexity, due to the need to place the links of the kinematic pair in one half-plane at a close distance from each other.

За прототип взято устройство (Huda S., Takeda Y., "Dimensional Synthesis of 3-URU Pure Rotational Parallel Mechanism with Respect to Singularity and Workspace", 12th IFToMM World Congress,

(France), June 18-21, 2007, Fig. 1. Kinematic diagram of the 3-URU mechanism), пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы, содержащий основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, две промежуточные вращательные пары, расположенные параллельно оси начальной пары, конечную вращательную пару, расположенную перпендикулярно оси второй промежуточной пары с пересечением ее оси и сопряженную с выходным звеном, причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар расположены с пересечением в центре декартовой системы координат.The prototype is a device (Huda S., Takeda Y., "Dimensional Synthesis of 3-URU Pure Rotational Parallel Mechanism with Respect to Singularity and Workspace", 12th IFToMM World Congress,

(France), June 18-21, 2007, Fig. 1. Kinematic diagram of the 3-URU mechanism), a spatial spherical mechanism with three degrees of freedom, containing a base, an output link, three kinematic chains, including each rotational motor located on the base, an initial rotational kinematic pair located perpendicular to the axis of the motor with the intersection its axis, two intermediate rotational pairs parallel to the axis of the initial pair, the final rotational pair located perpendicular to the axis of the second intermediate pair with the intersection of its axis and ennuyu with the output member, wherein the axes of all motors and end kinematic pairs are arranged crossing in the center of the Cartesian coordinate system.

Недостатком данного устройства является то, что в нем оси приводов расположены под углом к осям декартовой системы координат, что затрудняет решение задач о положениях и управлении манипулятором.The disadvantage of this device is that in it the axis of the drives are located at an angle to the axes of the Cartesian coordinate system, which makes it difficult to solve problems about the positions and control of the manipulator.

Технический результат - устранение отмеченных недостатков и повышение технической и эксплуатационной эффективности устройств манипулирования в пространстве по трем вращательным координатам при упрощении решения задачи о положениях.The technical result is the elimination of these shortcomings and increase the technical and operational efficiency of manipulation devices in space along three rotational coordinates while simplifying the solution of the position problem.

Технический результат достигается тем, что пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы содержит основание, выходное звено, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель, расположенный на основании, начальную вращательную кинематическую пару, расположенную перпендикулярно оси двигателя с пересечением его оси, в двух кинематических цепях, кроме того, содержатся две промежуточные вращательные пары, расположенные параллельно оси начальной пары, конечная вращательная пара, расположенная перпендикулярно оси второй промежуточной пары с пересечением ее оси и сопряженная с выходным звеном, в третьей кинематической цепи содержится конечная вращательная пара, расположенная перпендикулярно оси начальной кинематической пары, причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар всех цепей расположены с пересечением в центре декартовой системы координат с осями х, у, z, новым является то, что в первой кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси х, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси у, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси z, во второй кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси у, ось начальной вращательной пары расположена параллельно оси х, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси z, в третьей кинематической цепи ось вращательного двигателя расположена вдоль оси z, ось начальной вращательной пары расположена вдоль оси х, ось конечной вращательной пары расположена вдоль оси у, а ось выходного звена расположена вдоль оси z.The technical result is achieved by the fact that a spatial spherical mechanism with three degrees of freedom contains a base, an output link, three kinematic chains, including each rotational motor located on the base, an initial rotational kinematic pair located perpendicular to the axis of the engine with the intersection of its axis, in two kinematic chains In addition, there are two intermediate rotational pairs located parallel to the axis of the initial pair, the final rotational pair located perpendi the axis of the second intermediate pair with the intersection of its axis and conjugated with the output link, the third kinematic chain contains a finite rotational pair located perpendicular to the axis of the initial kinematic pair, and the axes of all engines and final kinematic pairs of all chains are intersected in the center of the Cartesian coordinate system with the x, y, z axes, new is that in the first kinematic chain the axis of the rotary engine is located along the x axis, the axis of the initial rotational pair is parallel to the axis y, the axis of the final rotary pair is located along the z axis, in the second kinematic chain the axis of the rotational motor is located along the y axis, the axis of the initial rotational pair is parallel to the x axis, the axis of the final rotational pair is located along the z axis, in the third kinematic chain, the axis of the rotational motor is along z axis, the axis of the initial rotational pair is located along the x axis, the axis of the final rotational pair is located along the y axis, and the axis of the output link is located along the z axis.

На фигуре 1 представлено устройство - пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы.The figure 1 shows the device is a spatial spherical mechanism with three degrees of freedom.

Пространственный сферический механизм с тремя степенями свободы содержащит основание 1, выходное звено 2, три кинематические цепи, включающие каждая вращательный двигатель 3 (3', 3”), расположенные на основании 1, начальную вращательную кинематическую пару 4 (4', 4"), расположенные перпендикулярно оси двигателя 3 (3', 3”) с пересечением его оси, в двух кинематических цепях, кроме того, содержатся две промежуточные вращательные пары 5 (5') и 6 (6'), расположенные параллельно оси начальной пары 4 (4'), конечная вращательная пара 7 (7'), расположенная перпендикулярно оси второй промежуточной пары 6 (6') с пересечением ее оси и сопряженная с выходным звеном 2. В третьей кинематической цепи содержится конечная вращательная пара 7", расположенная перпендикулярно оси начальной кинематической пары 4", причем оси всех двигателей и конечных кинематических пар всех цепей расположены с пересечением в центре декартовой системы координат, отличающийся тем, что в первой кинематической цепи ось вращательного двигателя 3 расположена вдоль оси х, ось начальной вращательной пары 4 расположена параллельно оси у, ось конечной вращательной пары 7 расположена вдоль оси z, для второй кинематической цепи ось вращательного двигателя 3' расположена вдоль оси у, ось начальной вращательной пары 4' расположена параллельно оси х, ось конечной вращательной пары 7' расположена вдоль оси z, в третьей кинематической цепи ось вращательного двигателя 3" расположена вдоль оси z, ось начальной вращательной пары 4" расположена вдоль оси х, ось конечной вращательной пары 7" расположена вдоль оси у, а ось выходного звена 2 расположена вдоль оси z.A spatial spherical mechanism with three degrees of freedom contains a base 1, an output link 2, three kinematic chains, including each rotational motor 3 (3 ', 3 ”) located on the base 1, the initial rotational kinematic pair 4 (4', 4"), located perpendicular to the axis of the engine 3 (3 ', 3 ”) with the intersection of its axis, in two kinematic chains, in addition, there are two intermediate rotational pairs 5 (5') and 6 (6 ') located parallel to the axis of the initial pair 4 (4 '), the final rotational pair 7 (7') located perpendicular parallel to the axis of the second intermediate pair 6 (6 ') with the intersection of its axis and conjugated with the output link 2. The third kinematic chain contains a final rotational pair 7 "located perpendicular to the axis of the initial kinematic pair 4", and the axes of all engines and final kinematic pairs of all chains are located with the intersection in the center of the Cartesian coordinate system, characterized in that in the first kinematic chain the axis of the rotational motor 3 is located along the x axis, the axis of the initial rotational pair 4 is parallel to the y, o l the final rotary pair 7 is located along the z axis, for the second kinematic chain the axis of the rotary engine 3 'is located along the y axis, the axis of the initial rotational pair 4' is parallel to the x axis, the axis of the final rotary pair 7 'is located along the z axis, in the third kinematic chain the axis of the rotary engine 3 "is located along the z axis, the axis of the initial rotary pair 4" is located along the x axis, the axis of the final rotary pair 7 "is located along the y axis, and the axis of the output link 2 is located along the z axis.

Устройство - пространственный сферический механизм - работает следующим образом.The device is a spatial spherical mechanism - works as follows.

Относительно основания 1 конечное звено 2 перемещается (вращается) по трем координатам посредством трех соединительных кинематических цепей. Два двигателя вращательного перемещения 3 (3'), установленных на основании 1, передают вращение начальным вращательным кинематическим парам 4 (4'), расположенным перпендикулярно оси двигателя 3 (3') с пересечением его оси, далее вращение передается на две промежуточные вращательные пары 5 (5') и 6 (6'), расположенные параллельно оси начальной пары 4 (4'), и затем движение (вращение) передается на конечные вращательные пары 7 (7'), расположенные перпендикулярно оси второй промежуточной пары 6 (6') с пересечением ее оси, перемещают конечное звено по двум координатам. Двигатель вращательного перемещения 3", установленный на основании 1, передает вращение начальной вращательной кинематической паре 4", расположенной вдоль оси двигателя 3", далее движение передается конечной вращательной паре 7", расположенной вдоль оси двигателя 3", перемещает конечное звено по одной координате.Relative to the base 1, the final link 2 moves (rotates) in three coordinates by means of three connecting kinematic chains. Two rotational displacement motors 3 (3 ') installed on the base 1 transmit the rotation to the initial rotational kinematic pairs 4 (4') located perpendicular to the axis of the engine 3 (3 ') with the intersection of its axis, then the rotation is transmitted to two intermediate rotational pairs 5 (5 ') and 6 (6') located parallel to the axis of the initial pair 4 (4 '), and then the movement (rotation) is transmitted to the final rotational pairs 7 (7') located perpendicular to the axis of the second intermediate pair 6 (6 ') with the intersection of its axis, move the final link along two coordinates Inat. A 3 "rotational displacement engine mounted on the base 1 transmits the rotation to an initial rotational kinematic pair 4" located along the axis of the 3 "motor, then the motion is transmitted to the final rotational pair 7" located along the axis of the 3 "motor, moves the final link in one coordinate.

Поскольку оси двигателей 3 (3', 3") и конечной вращательной пары 7 (7', 7") расположены с пересечением в центре декартовой системы координат, ось промежуточной вращательной пары 4" пересекает центр О декартовой системы координат, а оси промежуточных вращательных пар 4 (4'), 5 (5') и 6 (6') параллельны друг другу и перпендикулярны осям двигателей 3 (3') и конечной пары 7 (7'), то эти три промежуточные пары 4 (4'), 5 (5') и 6 (6') обеспечивают вращение вокруг оси также пересекающей центр декартовой системы координат, таким образом обеспечивая возможность образования сферической структуры и передачу вращения вокруг трех осей конечному звену 2 со стороны вращающихся двигателей 3 (3', 3").Since the axes of the engines 3 (3 ', 3 ") and the final rotational pair 7 (7', 7") are located at the intersection in the center of the Cartesian coordinate system, the axis of the intermediate rotary pair 4 "intersects the center O of the Cartesian coordinate system, and the axes of the intermediate rotational pairs 4 (4 '), 5 (5') and 6 (6 ') are parallel to each other and perpendicular to the axes of the engines 3 (3') and the final pair 7 (7 '), then these three intermediate pairs are 4 (4'), 5 (5 ') and 6 (6') provide rotation around the axis also intersecting the center of the Cartesian coordinate system, thus providing the possibility of the formation of spheres matic structure, and transmission of rotation about the three axes of the end link 2 by rotating motors 3 (3 ', 3 ").

Устройство предназначено для манипуляций заготовками и изделиями, в различных измерительных системах, в испытательных стендах, в обработке деталей и заготовок с помощью различных инструментов, в сборочных операциях, в хирургии и т.д.The device is intended for the manipulation of workpieces and products, in various measuring systems, in test benches, in the processing of parts and workpieces using various tools, in assembly operations, in surgery, etc.

Claims

A spatial spherical mechanism with three degrees of freedom, containing a base, an output link, three kinematic chains, including each rotational motor located on the base, an initial rotational kinematic pair located perpendicular to the axis of the engine with the intersection of its axis, while two kinematic chains contain two intermediate rotational pairs parallel to the axis of the initial pair and the final rotational pair located perpendicular to the axis of the second intermediate pair with the intersection its axis and its conjugate to the output link, and the third kinematic chain contains a finite rotational pair located perpendicular to the axis of the initial kinematic pair, and the axes of all engines and final kinematic pairs of all chains are intersected in the center of the Cartesian coordinate system with the axes x, y, z characterized in that in the first kinematic chain the axis of the rotational motor is located along the x axis, the axis of the initial rotational pair is parallel to the y axis, the axis of the final rotational pair is located along z axis, in the second kinematic chain the axis of the rotational engine is located along the y axis, the axis of the initial rotational pair is parallel to the x axis, the axis of the final rotational pair is located along the z axis, in the third kinematic chain the axis of the rotational motor is located along the z axis, the axis of the initial rotational pair is along the x axis, the axis of the final rotational pair is located along the y axis, and the axis of the output link is located along the z axis.