RU2283217C1 - Manipulator articulation joint assembly - Google Patents
Manipulator articulation joint assembly Download PDFInfo
- Publication number
- RU2283217C1 RU2283217C1 RU2005105821/02A RU2005105821A RU2283217C1 RU 2283217 C1 RU2283217 C1 RU 2283217C1 RU 2005105821/02 A RU2005105821/02 A RU 2005105821/02A RU 2005105821 A RU2005105821 A RU 2005105821A RU 2283217 C1 RU2283217 C1 RU 2283217C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- link
- links
- hinge
- driven
- kinematics
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 4
- 238000010276 construction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 11
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000010754 BS 2869 Class F Substances 0.000 description 1
- 239000010755 BS 2869 Class G Substances 0.000 description 1
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001268 conjugating effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000000428 dust Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Manipulator (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области робототехники и может быть использовано в манипуляторах, выполняющих поворот объекта манипулирования (выходного звена) по двум независимым угловым координатам, а также в конструкциях пространственных многокоординатных манипуляторов. Шарнир манипулятора представляет собой сферический механизм и включает в себя два ведущих звена, каждое из которых сопряжено с основанием вращательной кинематической парой и поворачивается соответствующим приводом D1, D2 (фиг.1). Каждое ведущее звено сопряжено вращательной кинематической парой с соответствующим ведомым звеном. Ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, одно из ведомых звеньев является выходным.The invention relates to the field of robotics and can be used in manipulators that rotate a manipulation object (output link) in two independent angular coordinates, as well as in the construction of spatial multi-axis manipulators. The hinge of the manipulator is a spherical mechanism and includes two driving links, each of which is coupled to the base with a rotational kinematic pair and is rotated by the corresponding drive D 1 , D 2 (Fig. 1). Each leading link is coupled by a rotational kinematic pair with a corresponding driven link. The driven links are coupled by a rotational kinematic pair, one of the driven links is the output.
Ведущие звенья имеют вогнутые сферические поверхности одного радиуса, совместно с выпуклыми сферическими поверхностями ведомых звеньев образующие внутренние сферические опорные кинематические пары шарнира. Если вращательные кинематические пары, сопрягающие каждое из ведущих звеньев с основанием, имеют общую ось, то возможный угол поворота выходного звена вокруг этой оси не ограничен.Leading links have concave spherical surfaces of the same radius, together with the convex spherical surfaces of the driven links forming internal spherical support kinematic pairs of the hinge. If the rotational kinematic pairs that pair each of the leading links with the base have a common axis, then the possible angle of rotation of the output link around this axis is not limited.
Шарнир может иметь подвижную двухзвенную составную оболочку, предохраняющую кинематические пары от попадания пыли и стружки.The hinge may have a movable two-link composite shell protecting the kinematic pairs from dust and chips.
Известен двухкоординатный манипулятор поворота объекта манипулирования по двум угловым координатам, выполненный на основе зубчатого дифференциала с коническим зацеплением (патент US 3386694 от 04.06.1968). Такой манипулятор применялся также как составная часть трехкоординатного робота на основе механизма параллельной структуры (патент US 4762016 от 09.08.1988 по классу B 25 J 18/00).Known two-axis manipulator of rotation of the object of manipulation in two angular coordinates, made on the basis of a gear differential with a bevel gear (US patent 3386694 from 06/04/1968). Such a manipulator was also used as part of a three-coordinate robot based on a parallel structure mechanism (patent US 4762016 from 08/09/1988 in class B 25 J 18/00).
Недостатком данного устройства является применение высших кинематических пар с линейчатым контактом поверхностей, ведущим к низкой жесткости и нагрузочной способности.The disadvantage of this device is the use of higher kinematic pairs with a line contact of the surfaces, leading to low stiffness and load capacity.
Известны также шарниры манипуляторов на основе сферических механизмов параллельной структуры: двухкоординатный шарнир (патент US 5243873 от 14.09.1993 по классу B 25 J 17/00) с ограниченными углами поворота, двухкоординатный шарнир манипулятора на основе карданного шарнира с неограниченным углом поворота выходного звена вокруг оси, имеющей постоянный угол с осью соосных приводов и поворачивающейся вокруг нее (авторское свидетельство SU 1138317 А от 07.02.1985 по классу B 25 J 17/00).Also known are hinges of manipulators based on spherical mechanisms of parallel structure: a two-coordinate hinge (patent US 5243873 dated September 14, 1993 for class B 25 J 17/00) with limited rotation angles, a two-coordinate hinge of a manipulator based on a cardan joint with an unlimited rotation angle of the output link around the axis having a constant angle with the axis of the coaxial drives and turning around it (copyright certificate SU 1138317 A dated 02/07/1985 in class B 25 J 17/00).
Недостатком данных устройств является использование только вращательных кинематических пар, которые имеют недостаточную осевую длину и диаметр, ведущие к недостаточной нагрузочной способности и жесткости.The disadvantage of these devices is the use of only rotational kinematic pairs, which have insufficient axial length and diameter, leading to insufficient load capacity and rigidity.
Известна конструкция шарнирной муфты для нагружения, содержащая две полумуфты с обращенными друг к другу сферическими поверхностями и промежуточным элементом между ними, каждая из полумуфт сопряжена с промежуточным элементом сферической поверхностью и поверхностью меридиального паза, выполненного ответным меридиальному ребру на промежуточном элементе, меридиальные ребра взаимно перпендикулярны (авторское свидетельство SU 1765569 A1 от 30.09.1992 по классу F 16 D 3/46). Такая муфта кинематически идентична карданному шарниру, но благодаря дополнительным сферическим поверхностям контакта во вращательных кинематических парах может воспринимать повышенную осевую нагрузку.A known design of an articulated coupling for loading, comprising two half-couplings with spherical surfaces facing each other and an intermediate element between them, each half-coupling is interfaced with a spherical surface and the surface of a meridian groove made in response to the meridian rib on the intermediate element, the meridional ribs are mutually perpendicular ( copyright certificate SU 1765569 A1 dated 09.30.1992 in class F 16
Недостатком данного устройства является недостаточное число звеньев.The disadvantage of this device is the insufficient number of links.
Наиболее близким техническим решением по отношению к предложенному по совокупности существенных признаков является манипулятор на основе сферического пятизвенного механизма (патент US 5966991 от 19.10.1999 по классу G 05 G 11/00). Причинами, препятствующими достижению требуемого технического результата, является недостаточное количество опорных кинематических пар, а также недостаточная возможная площадь их контактирующих поверхностей по отношению к габаритному диаметру шарнира из условий сборки механизма по предлагаемой схеме, не обеспечивающая требуемую нагрузочную способность и жесткость, а также не обеспечивающая равномерную тепловую деформацию звеньев механизма.The closest technical solution in relation to the proposed set of essential features is a manipulator based on a spherical five-link mechanism (patent US 5966991 from 10.19.1999 in class G 05
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении нагрузочной способности и жесткости шарнира манипулятора, а также в обеспечении более равномерной тепловой деформации его звеньев в условиях наличия источников тепла (высокомоментный привод прямого действия, внешняя среда). При условии равномерной тепловой деформации звеньев сферического механизма их угловые параметры не меняются, поэтому равномерность тепловой деформации ведет к повышению кинематической точности шарнира.The problem to which the claimed invention is directed is to increase the loading ability and rigidity of the manipulator hinge, as well as to ensure more uniform thermal deformation of its links in the presence of heat sources (high-torque direct-drive, external environment). Under the condition of uniform thermal deformation of the links of the spherical mechanism, their angular parameters do not change, so the uniformity of thermal deformation leads to an increase in the kinematic accuracy of the hinge.
Поставленная задача решается за счет того, что ведущие звенья 1, 2 (фиг.2) имеют вогнутые сферические поверхности. Эти сферические поверхности вместе с выпуклыми сферическими поверхностями деталей ведомых звеньев 3, 4 образуют опорные сферические кинематические пары.The problem is solved due to the fact that the leading
Вращательные кинематические пары выполнены с условием минимизации удельного давления при контакте поверхностей. Первое ведомое звено состоит из детали 3, вкладыша 5 и гайки 7. Второе ведомое звено состоит из детали 4, вкладыша 6 и гайки 8. Первое ведущее звено и первое ведомое звено контактируют по конической или цилиндрической поверхности, передающей силу, перпендикулярную оси вращательной кинематической пары. В случае цилиндрической поверхности контакта не передается сила по оси кинематической пары. В случае конической поверхности контакта осевая сила передается, но существует возможность выбора люфта за счет регулировки осевого положения вкладыша поворотом гайки. Второе ведущее звено и второе ведомое звено также сопряжены вращательной кинематической парой по конической или цилиндрической поверхности.Rotational kinematic pairs are made with the condition of minimizing specific pressure upon contact of surfaces. The first driven link consists of
Ведомые звенья сопряжены вращательной кинематической парой, имеющей цилиндрическую поверхность, передающую вектор момента и силу перпендикулярно оси кинематической пары и плоскую кольцевую поверхность, передающую осевую силу и вектор момента, перпендикулярный оси кинематической пары. Выходным звеном шарнира может быть любое из ведомых звеньев.The driven links are coupled by a rotational kinematic pair having a cylindrical surface transmitting the moment vector and force perpendicular to the axis of the kinematic pair and a flat annular surface transmitting axial force and moment vector perpendicular to the axis of the kinematic pair. The output link of the hinge can be any of the driven links.
Ведущие звенья могут сопрягаться с основанием вращательными опорами приводов D1 и D2 или дополнительными вращательными опорами.Driving links can mate with the base of the rotary bearings of the drives D 1 and D 2 or additional rotary bearings.
При соосном расположении валов ведущих звеньев 1, 2 эти звенья могут иметь максимальные по площади вогнутые сферические поверхности, а также сопрягаться по плоским кольцевым поверхностям, образующим дополнительную опорную кинематическую пару. Форма звеньев 1, 2 определяется условием их взаимного непересечения, а также их непересечением с валами ведомых звеньев при заданном множестве конфигураций механизма. В частности, при соосном расположении валов каждое ведущее звено имеет форму полусферы с дуговым пазом для перемещения валов ведомых звеньев относительно полусферы. Дугового паза достаточно для этого перемещения, поскольку положение поверхностей валов определяется их общей осью, которая имеет одну вращательную степень свободы относительно каждой полусферы.With the coaxial arrangement of the shafts of the leading
Шарнир может иметь составную двухзвенную сферическую оболочку (фиг.3). Первое звено оболочки состоит из сегментов 9, 10 и установлено на ведущем звене 1 шарнира. Первое звено оболочки сопряжено со вторым звеном оболочки (сегменты 11, 12) вращательной кинематической парой. Второе звено оболочки сопряжено с выходным звеном шарнира вращательной кинематической парой, образованной валом ведомого звена 4 и отверстием в сегменте 12.The hinge may have a composite two-link spherical shell (figure 3). The first link of the shell consists of
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.The analysis of the prior art by the applicant, including a search by patent and scientific and technical sources of information, made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию "новизна" по действующему законодательству.Therefore, the claimed invention meets the requirement of "novelty" under applicable law.
На фиг.1 показан общий вид манипулятора, включающего в себя шарнир, два вращательных привода D1, D2 и объект манипулирования, закрепленный на выходном звене.Figure 1 shows a General view of the manipulator, which includes a hinge, two rotary drives D 1 , D 2 and the manipulation object, mounted on the output link.
На фиг.2 показан общий вид деталей шарнира и направление их перемещений при сборке относительно детали 3. Сборка осуществляется в следующей последовательности: в начале деталь 4 цилиндрическим отверстием устанавливается на вал детали 3 до соприкосновения плоских поверхностей деталей 3 и 4. Затем звено 1 надевается отверстием на выступ детали 3 с небольшим поворотом, так, чтобы его вогнутая поверхность касалась выпуклых сферических поверхностей деталей 3 и 4. Звено 2 надевается отверстием на выступ звена 4 с небольшим поворотом, так, чтобы его вогнутая поверхность касалась выпуклых сферических поверхностей звеньев 3 и 4. Выступы звеньев 3 и 4 состоят из некруглой части и цилиндра с резьбой. На некруглую часть выступа звена 3 устанавливается вкладыш 5 и фиксируется гайкой 7, которая завинчивается на цилиндрической части выступа. На некруглую часть выступа звена 4 устанавливается вкладыш 6 и фиксируется гайкой 8, которая завинчивается на цилиндрической части выступа.Figure 2 shows a General view of the parts of the hinge and the direction of their movements during assembly relative to
На фиг.3 показана сферическая двухзвенная составная оболочка шарнира и направление перемещений ее деталей при сборке относительно шарнира. В начале устанавливаются сегменты 11 и 12, затем - сегменты 9 и 10. После сборки шарнир устанавливается в манипулятор, валы ведущих звеньев присоединяются к валам приводов через шлицевые или шпоночные соединения. Если привод является встраеваемым безредукторным электродвигателем, то его ротор может быть установлен непосредственно на вал какого-либо ведущего звена.Figure 3 shows the spherical two-link composite shell of the hinge and the direction of movement of its parts during assembly relative to the hinge. At the beginning,
На фиг.4 показана кинематическая схема шарнира, приводные координаты - углы q1 и q2, угловые параметры ведомых звеньев α и β, а также направления единичных векторов e1, е2, е3, направленных по осям вращательных кинематических пар.Figure 4 shows the kinematic diagram of the hinge, the driving coordinates are angles q 1 and q 2 , the angular parameters of the driven links α and β, as well as the directions of the unit vectors e 1 , e 2 , e 3 directed along the axes of the rotational kinematic pairs.
Шарнир работает следующим образом: привод D1 поворачивает первое ведущее звено (фиг.4) на угол q1, а привод D2 поворачивает второе ведущее звено на угол q2 относительно горизонтальной плоскости. Углы q1 и q2 определяют ориентацию осей вращательных кинематических пар, сопрягающих ведущие звенья с соответствующими ведомыми звеньями и описываемых векторами e1 и е2. Ось кинематической пары, сопрягающей ведомые звенья, описывается вектором е3 и имеет постоянные углы α и β с векторами e1 и е2 соответственно и ее перемещение по двум угловым координатам однозначно определяется перемещением этих векторов. Три компоненты вектора е3 определяются из условий: |е3|=1; (e1, е3)=cos α; (е2, е3)=cos β. Если α=β=90°, то е3=е1×e2/|e1×е2|. Положение первого ведомого звена (ориентация системы координат, связанной с ним) определяется векторами e1 и е3, а положение второго ведомого звена - векторами е2 и е3.The hinge works as follows: the drive D 1 rotates the first drive link (FIG. 4) by an angle q 1 , and the drive D 2 rotates the second drive link by an angle q 2 relative to the horizontal plane. The angles q 1 and q 2 determine the orientation of the axes of the rotational kinematic pairs that match the leading links with the corresponding driven links and described by the vectors e 1 and e 2 . The axis of the kinematic pair conjugating the driven units is described by the vector e 3 and has constant angles α and β with vectors e 1 and e 2, respectively, and its movement along two angular coordinates is uniquely determined by the movement of these vectors. Three components of the vector e 3 are determined from the conditions: | e 3 | = 1; (e 1 , e 3 ) = cos α; (e 2 , e 3 ) = cos β. If α = β = 90 °, then e 3 = e 1 × e 2 / | e 1 × e 2 |. The position of the first slave link (the orientation of the coordinate system associated with it) is determined by the vectors e 1 and e 3 , and the position of the second slave link is determined by the vectors e 2 and e 3 .
Предложенная конструкция шарнира позволяет повысить его жесткость за счет более тесного взаимодействия между звеньями механизма, повысить нагрузочную способность, применяя дополнительные опорные сферические кинематические пары и увеличив поверхность вращательных кинематических пар. Кроме того, создана возможность применения шарнира в условиях наличия источников тепла в окружающем пространстве, например высокомоментных электродвигателей. Более тесное взаимодействие между деталями механизма ведет к более равномерной температурной деформации деталей и повышает кинематическую точность сферического механизма.The proposed design of the hinge allows you to increase its rigidity due to closer interaction between the links of the mechanism, increase the load capacity, using additional support spherical kinematic pairs and increasing the surface of the rotational kinematic pairs. In addition, it was possible to use the hinge in the presence of heat sources in the surrounding space, for example, high-torque electric motors. A closer interaction between the parts of the mechanism leads to a more uniform temperature deformation of the parts and increases the kinematic accuracy of the spherical mechanism.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005105821/02A RU2283217C1 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Manipulator articulation joint assembly |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2005105821/02A RU2283217C1 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Manipulator articulation joint assembly |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2283217C1 true RU2283217C1 (en) | 2006-09-10 |
Family
ID=37112851
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2005105821/02A RU2283217C1 (en) | 2005-03-02 | 2005-03-02 | Manipulator articulation joint assembly |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2283217C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2441258C1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Сейсмо-Шельф" | Hardware-software system for controlling work with standalone seismic ocean-bottom stations |
| RU188581U1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-04-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | JOINT MANIPULATOR |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1765569A1 (en) * | 1990-03-29 | 1992-09-30 | Московский институт радиотехники, электроники и автоматики | Joint coupling under load |
| US5243873A (en) * | 1992-01-23 | 1993-09-14 | Honeywell Inc. | Two-axis motion mechanism |
| US5966991A (en) * | 1997-04-23 | 1999-10-19 | Universite Laval | Two degree-of-freedom spherical orienting device |
| JP2004023907A (en) * | 2002-06-17 | 2004-01-22 | Nsk Ltd | Joint actuator |
-
2005
- 2005-03-02 RU RU2005105821/02A patent/RU2283217C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1765569A1 (en) * | 1990-03-29 | 1992-09-30 | Московский институт радиотехники, электроники и автоматики | Joint coupling under load |
| US5243873A (en) * | 1992-01-23 | 1993-09-14 | Honeywell Inc. | Two-axis motion mechanism |
| US5966991A (en) * | 1997-04-23 | 1999-10-19 | Universite Laval | Two degree-of-freedom spherical orienting device |
| JP2004023907A (en) * | 2002-06-17 | 2004-01-22 | Nsk Ltd | Joint actuator |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2441258C1 (en) * | 2010-07-02 | 2012-01-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Сейсмо-Шельф" | Hardware-software system for controlling work with standalone seismic ocean-bottom stations |
| RU188581U1 (en) * | 2018-12-20 | 2019-04-17 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" (Университет ИТМО) | JOINT MANIPULATOR |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP0080325B1 (en) | Split-ball type wrist and manipulator assembly for robot | |
| CN101518898B (en) | Parallel mechanism with three freedom degrees of twice rotation and once motion | |
| CN102528817B (en) | Three-degree-of-freedom parallel-connection mechanical wrist | |
| US20150343631A1 (en) | Industrial Delta Type Robot | |
| US20210069896A1 (en) | 6-Dof Parallel Robot With A Double-Gyroscopic Component | |
| CN102248535A (en) | Branch three-leg five-DOF (degree of freedom) parallel mechanism containing double-compound drive | |
| CN204450527U (en) | A kind of sphere parallel mechanism with 2 rotational freedoms | |
| US11420322B2 (en) | Working device and double-arm type working device | |
| WO2004037499A1 (en) | Joint structure of robot | |
| CN103433916A (en) | Two-degree-of-freedom equal-diameter sphere pure-rolling parallel rotating mechanism | |
| CN104827462B (en) | There is the three-degree-of-freedom spherical parallel mechanism of passive side chain | |
| CN102626919B (en) | Symmetrical two-rotation one-moving parallel connection mechanism without concurrent axes | |
| CN106660202B (en) | Platform of parallel robot for controlling object | |
| CN105666471A (en) | SPS+UPU+(2RPS+R) type four-freedom-degree parallel robot | |
| CN104889976A (en) | Three rotating decoupling spherical surface parallel robot mechanism | |
| CN102366896B (en) | Three-freedom-degree parallel mechanism with two vertical interleaved rotating shafts | |
| CN1189288C (en) | Parallel robot mechanism with three-freedom rotating platform | |
| CN109514596B (en) | A double cross hinge three-degree-of-freedom parallel joint mechanism | |
| WO2019049994A1 (en) | Work machine | |
| CN103909526B (en) | The two degrees of freedom parallel manipulator wrist that a kind of motor pattern is variable | |
| CN110539293B (en) | Four-degree-of-freedom parallel mechanism | |
| EP3539727A1 (en) | Working device and double-arm type working device | |
| RU2283217C1 (en) | Manipulator articulation joint assembly | |
| CN102975196B (en) | Double-rotational freedom parallel mechanism | |
| CN105221587A (en) | A kind of Three Degree Of Freedom Hooke's hinge |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090303 |