RU2784764C1

RU2784764C1 - Spatial parallelogram mechanism of manipulator

Info

Publication number: RU2784764C1
Application number: RU2022109378A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Пожбелко
Original assignee: Владимир Иванович Пожбелко
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2022-11-29

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to the field of mechanical engineering, in particular to hinged parallelogram mechanisms of a parallel structure, and can be used as a drive for platform manipulators, automatic lines, technological assembly devices, precision measuring systems and surgical robots. The spatial parallelogram mechanism of the manipulator comprises a base and rotary cranks of the same length pivotally connected to it and parallel to each other, kinematically connected to each other by means of a connecting rod. At the same time, it is made in the form of parallelograms movably connected to each other, and the rotary cranks are made in the form of plates with flat ends bent parallel to each other with holes located on them offset from each other for installing cylindrical hinges. The connecting rod is made in the form of a main movable platform connected to the base by rotary cranks through cylindrical hinges with axes of rotation located perpendicular to the base and the main movable platform.

EFFECT: simplification of the design and control system, as well as expansion of functionality and working area.

10 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, и, в частности, к шарнирным параллелограммным механизмам параллельной структуры и может найти применение в качестве привода платформенных манипуляторов, автоматических линий, технологических сборочных устройств, точных измерительных комплексов и хирургических роботов.The invention relates to the field of mechanical engineering, and, in particular, to hinged parallelogram mechanisms of a parallel structure and can be used as a drive for platform manipulators, automatic lines, technological assembly devices, precision measuring systems and surgical robots.

Известен шарнирный кривошипный механизм параллелограмма, содержащий стойку, ведущий и ведомый кривошипы и расположенный между ними шатун, выполненный в виде двухшарнирного линейного звена, установленного параллельно стойке, длина которой равна длине шатуна (Крайнев А.Ф. «Механика машин. Фундаментальный словарь» - М.: Машиностроение, 2000. С. 159, схема механизма на рис. б)) - аналог.A parallelogram hinged crank mechanism is known, containing a rack, driving and driven cranks and a connecting rod located between them, made in the form of a two-hinged linear link installed parallel to the rack, the length of which is equal to the length of the connecting rod (Krainev A.F. "Mechanics of machines. Fundamental dictionary" - M .: Mashinostroenie, 2000. S. 159, mechanism diagram in Fig. b)) - analogue.

Недостатками указанного механизма параллелограмма являются:The disadvantages of this parallelogram mechanism are:

1. Наличие в механизме (через каждые 180° угла поворота ведущего кривошипа, т.е. 2 раза за цикл при расположении всех шарниров звеньев на одной прямой линии) двух особых (мертвых) положений, в которых из-за разрыва связей в кинематических парах возникает зона неуправляемого движения ведомого вала.1. The presence in the mechanism (every 180° of the angle of rotation of the driving crank, i.e. 2 times per cycle when all the hinges of the links are on the same straight line) of two special (dead) positions, in which, due to breaking the bonds in the kinematic pairs there is a zone of uncontrolled movement of the driven shaft.

2. На практике эксплуатации и в теории установлено, что в этих особых положениях происходит самопроизвольный (т.е. неуправляемый) переход из сборки параллелограмма в сборку антипараллелограмма, сопровождающийся жесткими ударами из-за изменения направления вращения ведомого вала (т.е. механизм становится неработоспособным и по авт. свид. №877176, Бюл. №40, СССР, 1981 - год требует дополнительного сложного комплекта зубчатых колес для выхода из мертвого положения путем ударного реверса ведомого вала).2. In practice and in theory, it has been established that in these special positions there is a spontaneous (i.e., uncontrolled) transition from the parallelogram assembly to the anti-parallelogram assembly, accompanied by hard shocks due to a change in the direction of rotation of the driven shaft (i.e., the mechanism becomes inoperable and according to author's certificate No. 877176, Bulletin No. 40, USSR, 1981 - the year requires an additional complex set of gears to exit the dead position by shock reverse of the driven shaft).

Наиболее близким, по технической сущности и достигаемому эффекту, к предлагаемому изобретению является пространственный шарнирный механизм манипулятора, содержащий параллельно установленные вокруг выходной подвижной платформы замкнутые кинематические цепи, состоящие из двухшарнирных звеньев, сферических и цилиндрических шарниров для сборки с основанием трех подвижных стержневых опор (статья Мирзаев Р.А. Смирнов Н.А. «Исследование кинематики манипулятора параллельной структуры (дельта-механизм)»/Вестник Сибирского госуд. ун-та. 2012. Вып. 4, с. 46-50, рис. 1) - прототип.The closest, in terms of technical essence and the effect achieved, to the proposed invention is a spatial hinged mechanism of the manipulator, containing closed kinematic chains installed in parallel around the output movable platform, consisting of two-hinged links, spherical and cylindrical hinges for assembly with the base of three movable rod supports (article Mirzaev R. A. Smirnov N. A. “Investigation of the kinematics of a parallel structure manipulator (delta mechanism)”/Bulletin of the Siberian State University, 2012. Issue 4, pp. 46-50, Fig. 1) - prototype.

Недостатками указанного механизма параллельного манипулятора являются:The disadvantages of this mechanism of the parallel manipulator are:

1. Сложная конструкция изготовления и сборки всех трех применяемых сферических шарниров, требующих очень точного пересечения только в одной точке всех трех осей для всех внутренних и наружных сферических поверхностей (US Patent No. 4, 628, 765/1986)1. Complicated manufacturing and assembly design of all three used spherical hinges, requiring very precise intersection at only one point of all three axes for all internal and external spherical surfaces (US Patent No. 4, 628, 765/1986)

2. Сложная система управления из-за связанной кинематики всех трех приводных двигателей, требующей их одновременного регулирования.2. A complex control system due to the associated kinematics of all three drive motors, requiring their simultaneous regulation.

3. Из-за поворота сферических шарниров вокруг всех трех осей x, y, z при перемещении подвижной платформы с рабочим органом происходит угловой наклон, что нарушает требуемое постоянство вертикальной и горизонтальной ориентации рабочего органа во всем рабочем пространстве манипулятора в виде наклонного конуса (прототип, рис. 4).3. Due to the rotation of the spherical hinges around all three axes x, y, z, when moving the movable platform with the working body, an angular inclination occurs, which violates the required constancy of the vertical and horizontal orientation of the working body in the entire working space of the manipulator in the form of an inclined cone (prototype, Fig. 4).

4. Наличие в механизме манипулятора особых (неуправляемых) мертвых положений (при совмещении на одной прямой линии всех шарниров подвижных стержневых опор) приводит к ограниченной до нуля узким конусом рабочей зоне перемещения установленного на платформе рабочего органа (показанной на графике рис. 4 в указанной статье Мирзаев Р.А. и др./Вестник СГАУ, 2012, вып. 4).4. The presence in the mechanism of the manipulator of special (uncontrolled) dead positions (when all the hinges of the movable rod supports are combined on one straight line) leads to the movement of the working body installed on the platform (shown in the graph of Fig. 4 in this article) limited to zero by a narrow cone Mirzaev R. A. et al./Vestnik SSAU, 2012, issue 4).

5. Ограниченные функциональные и эксплуатационные возможности дельта-механизма подтверждены в эксперименте графиком его рабочей зоны (рис. 4), содержащей вращение рабочего органа только вокруг одной оси конуса, который сверху и снизу ограничен из-за мертвых положений звеньев, возникающих из-за малых углов поворота сферических шарниров.5. The limited functionality and operational capabilities of the delta mechanism are confirmed in the experiment by the graph of its working area (Fig. 4), which contains the rotation of the working body only around one axis of the cone, which is limited from above and below due to the dead positions of the links arising due to small rotation angles of spherical joints.

В основу изобретения положена техническая задача, заключающаяся в упрощении конструкции за счет применения всех простых цилиндрических шарниров с параллельными осями вращения, упрощении системы управления путем раздельной кинематики привода, а также расширении функциональности и рабочего пространства за счет его выполнения вообще без каких-либо особых (как неуправляемых, так и мертвых) положений, и обеспечения при этом заданной угловой, вертикальной или горизонтальной ориентации рабочего органа с возможностью его вращения вокруг параллельных, например вертикальных, осей.The invention is based on a technical problem, which consists in simplifying the design through the use of all simple cylindrical hinges with parallel axes of rotation, simplifying the control system through separate kinematics of the drive, as well as expanding functionality and working space due to its implementation without any special (as uncontrolled and dead) positions, and at the same time providing a given angular, vertical or horizontal orientation of the working body with the possibility of its rotation around parallel, for example vertical, axes.

Получение технического результата достигается за счет того, что механизм манипулятора выполнен в виде подвижно соединенных между собой параллелограммов, а в параллелограммном механизме манипулятора все поворотные кривошипы выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами с расположенными на них со смещением между собой отверстиями для установки цилиндрических шарниров, а шатун выполнен в виде основной подвижной платформы, соединенной с основанием посредством не менее грех поворотных кривошипов через цилиндрические шарниры с параллельными между собой осями вращения, расположенными соответственно перпендикулярно основанию и перпендикулярно основной подвижной платформе.Obtaining a technical result is achieved due to the fact that the mechanism of the manipulator is made in the form of parallelograms movably connected to each other, and in the parallelogram mechanism of the manipulator all rotary cranks are made in the form of plates with flat ends bent parallel to each other with holes located on them with an offset between them for installation cylindrical hinges, and the connecting rod is made in the form of a main movable platform connected to the base by means of at least six rotary cranks through cylindrical hinges with parallel axes of rotation, located respectively perpendicular to the base and perpendicular to the main movable platform.

Сущность изобретения поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4The essence of the invention is illustrated by the drawings in Fig. 1, fig. 2, fig. 3 and FIG. four

На фиг. 1 представлен общий вид пространственного параллелограммного механизма манипулятора, содержащего основание 1 и шарнирно соединенные с ним и параллельно установленные между собой поворотные кривошипы одинаковой длины 2, 3 и 4, которые выполнены в виде пластин с параллельно отогнутыми между собой плоскими концами (например, в одну сторону) с расположенными на них со смещением «Δ» между собой отверстиями для установки осей цилиндрических шарниров А, В, С, О₁, О₂ и О₃, образующих параллелограммный механизм со сторонами АВ=О₁О₂, О₁А=О₂В=О₃С и АС=О₁О₃, ВС=О₂О₃, выполненный в виде подвижно соединенных между собой в пересекающихся параллелограммов О₁АВО₂, О₁АСО₃ и О₃СВО₂. Шатун параллелограммного механизма выполнен в виде основной подвижной платформы 5, соединенной с основанием 1 посредством трех поворотных кривошипов 2, 3 и 4 через цилиндрические шарниры А, В, С, О₁, О₂ и О₃ с параллельными между собой осями вращения, расположенными соответственно перпендикулярно основанию 1 и перпендикулярно основной подвижной платформе 5. Основание 1 и основная подвижная платформа 5 выполнены в виде одинаковых трехшарнирных звеньев в форме треугольников.In FIG. 1 shows a general view of the spatial parallelogram mechanism of the manipulator, containing the base 1 and pivotally connected to it and parallel to each other rotary cranks of the same length 2, 3 and 4, which are made in the form of plates with flat ends bent parallel to each other (for example, in one direction ) with holes located on them with an offset "Δ" between them for installing the axes of cylindrical hinges A, B, C, O ₁ , O ₂ and O ₃ , forming a parallelogram mechanism with sides AB=O ₁ O ₂ , O ₁ A=O ₂ B=O ₃ C and AC=O ₁ O ₃ , BC=O ₂ O ₃ , made in the form of movably interconnected in intersecting parallelograms O ₁ ABO ₂ , O ₁ ACO ₃ and O ₃ CBO ₂ . The connecting rod of the parallelogram mechanism is made in the form of a main movable platform 5 connected to the base 1 by means of three rotary cranks 2, 3 and 4 through cylindrical hinges A, B, C, O ₁ , O ₂ and O ₃ with parallel axes of rotation, located respectively perpendicular to the base 1 and perpendicular to the main movable platform 5. The base 1 and the main movable platform 5 are made in the form of identical three-hinged links in the form of triangles.

На фиг. 2 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, в котором основная подвижная платформа 5 снабжена дополнительной подвижной платформой 6, которая установлена относительно основной подвижной платформы 5 с угловым смещением γ=60° и соединена с этой основной платформой 5 посредством трех дополнительных поворотных кривошипов одинаковой длины 7, 8 и 9 с отогнутыми плоскими концами (например, в разные между собой стороны), с расположенными на них со смещением «Δ» между собой отверстиями) - для образования манипулятора с двумя раздельно управляемыми степенями свободы от двух вращательных двигателей, один из которых установлен на основании 1, а другой - на платформе 5. Разворот платформ 6 и 5 между собой обеспечивает поворот рабочего органа вокруг параллельных вертикальных осей.In FIG. Figure 2 shows an embodiment of the spatial parallelogram mechanism of the manipulator, in which the main movable platform 5 is equipped with an additional movable platform 6, which is installed relative to the main movable platform 5 with an angular displacement γ=60° and is connected to this main platform 5 by means of three additional rotary cranks of the same length 7 , 8 and 9 with bent flat ends (for example, in different directions), with holes located on them with an offset "Δ" between them) - to form a manipulator with two separately controlled degrees of freedom from two rotational motors, one of which is installed on the base 1, and the other - on the platform 5. The turn of the platforms 6 and 5 between themselves ensures the rotation of the working body around parallel vertical axes.

На фиг. 3 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, в котором соединенная с основанием 1 основная подвижная платформа 5 снабжена дополнительной подвижной платформой 6, а поворотные кривошипы 7, 8 и 9 соединены с поворотными кривошипами 2, 3 и 4 через три двойных цилиндрических шарнира 10, 11 и 12, которые образуют между собой вершины шарнирного треугольника АВС. Основание 1 установлено на поворотную платформу 13, имеющую возможность раздельного вращения вокруг оси О₄О₅ и вокруг О₆О₇.In FIG. 3 shows an embodiment of the spatial parallelogram mechanism of the manipulator, in which the main movable platform 5 connected to the base 1 is equipped with an additional movable platform 6, and the rotary cranks 7, 8 and 9 are connected to the rotary cranks 2, 3 and 4 through three double cylindrical hinges 10, 11 and 12, which form between themselves the vertices of the hinged triangle ABC. The base 1 is mounted on a turntable 13, which has the possibility of separate rotation around the axis O ₄ O ₅ and around O ₆ O ₇ .

На фиг. 4 представлен вариант выполнения пространственного параллелограммного механизма манипулятора, который снабжен поворотной платформой 14, выполненной с возможностью ее полного поворота от дополнительного вращательного реверсивного двигателя, а основание 1 установлено на упомянутой поворотной платформе 14 для образования механизма с тремя раздельно управляемыми степенями свободы путем независимого углового поворота одного из трех поворотных кривошипов, установленных на дополнительной подвижной платформе или путем вращения упомянутой поворотной платформы. Поворотная платформа 14 снабжена приводной поступательной или винтовой самотормозящейся кинематической парой 15 для образования манипулятора с четырьмя раздельно управляемыми степенями свободы, включая регулирование высоты расположения подвижной платформы с рабочим органом. Рабочие органы 16 и 17 раздельно закреплены на платформах 5 и 6, а рабочий орган 18 выполнен в виде складывающейся круглой платформы, соединенной кривошипами 19, 20 и 21 с платформой 6. Работа представленного пространственного механизма манипулятора заключается в следующем:In FIG. 4 shows an embodiment of a spatial parallelogram mechanism of the manipulator, which is equipped with a turntable 14, made with the possibility of its complete rotation from an additional rotary reversible engine, and the base 1 is installed on the said turntable 14 to form a mechanism with three separately controlled degrees of freedom by independent angular rotation of one of three rotary cranks mounted on an additional movable platform or by rotating said rotary platform. The turntable 14 is equipped with a drive translational or helical self-braking kinematic pair 15 to form a manipulator with four separately controlled degrees of freedom, including height adjustment of the movable platform with the working body. The working bodies 16 and 17 are separately fixed on the platforms 5 and 6, and the working body 18 is made in the form of a folding round platform connected by cranks 19, 20 and 21 to the platform 6. The work of the presented spatial mechanism of the manipulator is as follows:

1) Вращение ведущего кривошипа 2 (установленного между основанием 1 и основной подвижной платформой 5 с установленным на ней рабочим органом) приводит к круговому (криволинейному поступательному) движению платформы 5 и установленного на ней рабочего органа при сохранении его заданного углового, вертикального или горизонтального расположения во всем рабочем пространстве манипулятора при угловом повороте любого из поворотных кривошипов 2, 3 и 4 и связи с полным отсутствием в этом пространстве каких-либо неуправляемых мертвых положений звеньев манипулятора.1) The rotation of the drive crank 2 (installed between the base 1 and the main movable platform 5 with the working body installed on it) leads to a circular (curved translational) movement of the platform 5 and the working body installed on it while maintaining its specified angular, vertical or horizontal location during the entire working space of the manipulator during the angular rotation of any of the rotary cranks 2, 3 and 4 and due to the complete absence in this space of any uncontrolled dead positions of the manipulator links.

2) Дополнительное (и независимое от поворота кривошипа 2) вращение другого ведущего кривошипа 9 (установленного между основной 5 и дополнительной 6 подвижными платформами с различными рабочими органами) приводит к круговому (криволинейному поступательному) движению другой дополнительной платформы 6 относительно основной платформы 5, что обеспечивает для платформы 6 и установленного на платформе 6 рабочего органа сохранение его заданной пространственной расположения без возникновению каких-либо неуправляемых мертвых положений звеньев манипулятора относительно его основания.2) Additional (and independent of the rotation of the crank 2) rotation of the other leading crank 9 (installed between the main 5 and additional 6 movable platforms with different working bodies) leads to a circular (curved translational) movement of the other additional platform 6 relative to the main platform 5, which ensures for the platform 6 and the working body installed on the platform 6, maintaining its specified spatial location without the occurrence of any uncontrolled dead positions of the manipulator links relative to its base.

3) Установка основания 1 на поворотную платформу 14 и ее снабжение приводной поступательной или винтовой кинематический парой увеличивает до W=4 число раздельно управляемых степеней свободы и расширяет рабочее пространство манипулятора - за счет дополнительного регулирования пространственного перемещения этой поворотной платформы.3) Installing the base 1 on the turntable 14 and its supply with a drive translational or screw kinematic pair increases the number of separately controlled degrees of freedom to W=4 and expands the working space of the manipulator due to additional regulation of the spatial movement of this turntable.

Достигаемый в предлагаемом пространственном параллелограммном механизме манипулятора положительный эффект заключается в упрощении конструкции и системы управления за счет возможности раздельного углового поворота каждого из приводных двигателей манипулятора, а также в расширении функциональности применения и рабочей зоны манипулятора за счет исключения из нее всех неуправляемых и мертвых положений и обеспечении заданного (например, горизонтального или вертикального) расположения рабочего органа относительно основания манипулятора при пространственном движении звеньев параллелограммного механизма, а также расширение областей применения за счет обеспечения вращения выходной платформы с рабочим органом вокруг параллельных (например, вертикальных) осей.The positive effect achieved in the proposed spatial parallelogram mechanism of the manipulator is to simplify the design and control system due to the possibility of separate angular rotation of each of the drive motors of the manipulator, as well as to expand the functionality of the application and working area of the manipulator by eliminating all uncontrolled and dead positions from it and providing a given (for example, horizontal or vertical) location of the working body relative to the base of the manipulator during the spatial movement of the links of the parallelogram mechanism, as well as expanding areas of application by ensuring the rotation of the output platform with the working body around parallel (for example, vertical) axes.

Claims

1. A spatial parallelogram mechanism of a manipulator containing a base and pivotally connected to it and parallel to each other rotary cranks of the same length, kinematically connected to each other by means of a connecting rod, characterized in that the mechanism is made in the form of parallelograms movably connected to each other in intersecting planes, the cranks of which made in the form of plates with flat ends bent parallel to each other with holes located on them with an offset between them for installing cylindrical hinges, and the connecting rod is made in the form of a main movable platform connected to the base by means of at least three rotary cranks through cylindrical hinges with parallel to each other axes of rotation located respectively perpendicular to the base and perpendicular to the main movable platform.

2. The mechanism according to claim 1, characterized in that the base and the main movable platform are made in the form of two identical, in terms of the number of hinges and their relative position, links, for example, in the form of two identical three-hinged links in the shape of a triangle.

3. The mechanism according to claim 1, characterized in that the main movable platform is equipped with an additional movable platform, which is installed relative to the main movable platform with an offset angle γ=60° and is connected to said main platform by means of three additional rotary cranks of the same length with bent flat ends to form a manipulator with two separately controlled degrees of freedom from two rotational drive motors.

4. The mechanism according to claim 1, characterized in that the main movable platform is equipped with an additional movable platform, the rotary cranks of which are connected to the rotary cranks of the main rotary platform through three double cylindrical hinges, which form the vertices of the hinged triangle.

5. The mechanism according to claim 3 or 4, characterized in that it is equipped with two rotary drive motors, one of which is mounted on a base, the other of the said motors is mounted on an additional movable platform, and the main and additional movable platforms are made with the possibility of separate fastening on them of different working bodies.

6. The mechanism according to claim 3 or 4, characterized in that it is equipped with a turntable, made with the possibility of separate rotation around the vertical and horizontal axes driven by two separately controlled rotational motors, and the base is mounted on said turntable.

7. The mechanism according to claim 3 or 4, characterized in that it is equipped with a turntable, made with the possibility of its complete rotation from an additional rotary reversible engine, and the base is installed on the said turntable to form a mechanism with three separately controlled degrees of freedom by independent angular by turning one of the three rotary cranks mounted on an additional movable platform, or by rotating said rotary platform.

8. The mechanism according to claim 7, characterized in that the turntable is equipped with a drive translational or helical self-braking kinematic pair to form a manipulator with four separately controlled degrees of freedom, including height adjustment of the movable platform with the working body.

9. The mechanism according to claim 1, characterized in that the flat ends of the rotary cranks are bent from each other in one direction.

10. The mechanism according to claim 5, characterized in that the flat ends of the rotary cranks are bent to each other in different directions, and the working body is made in the form of a folding round platform connected by cranks to an additional movable platform.