CZ25800U1 - Redundantní manipulátor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká redundantního manipulátoru s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů a s nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platfor5 mou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou rotačními klouby.

Dosavadní stav techniky

Je stále požadováno urychlení manipulace objektů v průmyslové výrobě. Vedle tradičních průmyslových robotů a manipulátorů se sériovou kinematickou strukturou byl navržen manipulátor

Delta s paralelní kinematickou strukturou (US 4976582). Má tri rotační nebo posuvné pohony ovládající tri paralelogramy, na nichž je zavěšena platforma, a provádí posuvný pohyb s manipulovaným objektem ve třech kartézských souřadných osách x, y, z. K němu je přidáván čtvrtý pohon pro natáčení platformy s manipulovaným objektem kolem osy kolmé na rovinu uchycení na rámu, který je realizován buď natáčením celého uchycení pohonů k rámu, nebo lanovým torz15 ním pohonem z rámu na platformu. Delta manipulátor má shodný počet pohonů jako stupňů volnosti (tři nebo čtyři).

Byl navržen (EP 1870214 Al) manipulátor Quattro Delta, který má čtyři rotační pohony na rámu ovládající čtyři paralelogramy nesoucí platformu. Platforma není tuhá, ale pohyblivá a její natočení je ovládáno čtvrtým přidaným paralelogramem. Quattro Delta manipulátor má shodný počet pohonů jako stupňů volnosti (čtyři).

Byla navržena redundantně poháněná verze Delta manipulátoru (Corbel, D. et al.: Towards 100G with PKM. Is actuation redundancy a good solution for pick-and-place?, In: Proč. off 2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage Convention District, May 3-8, 2010, Anchorage, Alaska, USA, pp. 4675-4682). Tento manipulátor má čtyři rotační pohony na rámu ovládající čtyři paralelogramy nesoucí platformu, která vykonává jen posuvný pohyb s manipulovaným objektem ve třech kartézských souřadných osách x, y, z. Případné natáčení je zajištěno lanovým torzním pohonem z rámu na platformu. Tento manipulátor je redundantně poháněný a má větší počet pohonů (čtyři) než stupňů volnosti (tři). Jeho problémem může být velikost pracovního prostoru kvůli kolizím čtyřech paralelogramů oproti jen třem paralelogra30 mům u původního manipulátoru Delta.

Problémem všech manipulátorů typu Delta je, že mají malou ohybovou tuhost platformy vůči ose otáčení ležící v rovině platformy a že odměřování je prováděno rameny, které jsou deformovány silami, jež realizují pohyb platformy. Problémem uvedených manipulátorů typu Delta se čtyřmi paralelogramy je zvýšené nebezpečí kolizí paralelogramů.

Cílem tohoto technického řešení je zlepšení mechanických vlastností tuhosti platformy manipulátoru Delta, snížení nebezpečí kolizí jejich paralelogramů a dále zpřesnění odměřování polohy platformy manipulátoru.

Podstata technického řešení

Podstata redundantního manipulátoru s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelo40 gramů a s nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platformou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou rotačními klouby spočívá podle technického řešení v tom, že sférické klouby paralelogramů pro spojení s platformou leží v různých rovnoběžných rovinách oproti sférickým kloubům sousedních paralelogramů, přičemž rotační klouby ramen leží ve stejné rovině nebo různých rovinách.

Sférické klouby pro spojení s platformou protilehlých paralelogramů leží ve stejné rovině rovnoběžné k rovinám tvořeným ostatními sférickými klouby pro spojení s platformou a rotační klouby

-1 CZ 25800 Ul protilehlých ramen leží v rovině rovnoběžné s rovinou, v níž leží rotační klouby sousedních protilehlých ramen. Rovnoběžné roviny pro uložení sférických kloubů paralelogramů pro spojení s platformou jsou od sebe vzdáleny o stejnou hodnotu, jako jsou od sebe vzdáleny rovnoběžné roviny pro spojení rotačních ramen rotačními klouby s rámem. Alespoň jedno rameno je tvořeno posuvným vozíkem. Jedna dvojice z protilehlých paralelogramů je případně spojena s rámem rameny tvořenými posuvnými vozíky a druhá z dvojice protilehlých paralelogramů je spojena s rotačními rameny bez posuvného vedení, přičemž rotační klouby pro spojení s rámem leží v rovině rovnoběžné s rovinou sférických kloubů pro spojení s platformou. Alternativně jsou sousední paralelogramy spojeny s rámem rotačními rameny tvořenými posuvnými vozíky a sousední paralelogramy jsou spojeny s rámem rotačními rameny bez posuvného vedení, přičemž rotační klouby sousedních ramen leží v rovnoběžných rovinách vzdálených od sebe o stejnou hodnotu, jako je vzdálenost rovnoběžných rovin, v nichž leží sférické klouby pro spojem paralelogramů s platformou.

Počet pohonů a paralelogramů je větší než tři nebo čtyři. Paralelogram je případně tvořen dvěma Kardanovými klouby.

Souběžně s paralelogramy je mezi rámem a platformou uspořádána měřicí nezatížená souběžná konstrukce.

Výhodou tohoto redundantního manipulátoru je zvýšená ohybová tuhost platformy manipulátoru. Dále výhodou je zmenšení nebezpečí kolizí paralelogramů. Další výhodou je měření na nezatížené mechanické konstrukci, a tak zpřesnění určení polohy platformy manipulátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených obrázcích je schematicky znázorněn redundantní Delta manipulátor podle technického řešení, kde:

obr. 1 až 4 znázorňují možná alternativní provedení, a obr. 5 další provedení manipulátoru doplněné o měřící paralelní strukturu.

Příklady provedení technického řešení

Na obr. 1 je znázorněno základní provedení redundantního manipulátoru Delta, který se skládá z platformy 2 nesené čtyřmi paralelogramy 3a až 3d, které jsou poháněny pomocí čtyř rotačních ramen 6a až 6d a čtyř rotačních pohonů 7a až 7d upevněných na rámu 1. Každý paralelogram 3a, 3b, 3c, 3d se skládá ze dvou rovnoběžných a stejně dlouhých ramen 5al až 5a2, až 5b 1 a 5b2, až 5cl a 5c2. až 5dl až 5d2 připevněných na rotační rameno 6a, 6b, 6c, 6d pomocí sférických kloubů 4al, 4a2, 4a3, 4a4, až 4bl, 4b2, 4b3, 4b4, až 4c 1, 4c2, 4c3, 4c4, až 4dl, 4d2, 4d3, 4d4.

Sférické klouby 4 mohou mít dva a více stupňů volnosti, například jsou-li tvořeny kulovými klouby, pak mají tři stupně volnosti, jsou-li tvořeny Kardanovými klouby, pak mají dva stupně volnosti, jsou-li tvořeny dvojicemi Kardanových kloubů, pak mají čtyři stupně volnosti pro větší pohyblivost, přičemž jeden stupeň volnosti může být řízené blokován. Hlavní odlišností provedení manipulátoru Delta podle technického řešení oproti běžným řešením je uchycení sférických kloubů 4 paralelogramů 3 na platformě 2 v různých rovinách, které na obrázku 1 jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost h_b To přináší zvýšení momentu, kterým mohou paralelogramy 3 působit na platformu 2, což se projeví zvýšením tuhosti a dynamiky zařízení. Aby nedošlo ke zhoršení manipulovatelnosti, jsou také rotační pohony 7 upevněny na rámu i v různých rovinách, které na obrázku 1 jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost h₂. Optimální volba je hi=h₂ a paralelogramy 3 mají shodnou délku a rotační ramena 6 mají shodnou délku, ale variant může být více počínaje h₂=0. Uchycení paralelogramů v různých rovinách také snižuje nebezpečí jejich kolizí během pohybu. Shodná délka paralelogramů 3 a shodná délka rotačních ramen 6 umožňují shodný silový účinek rotačních pohonů 7 na pohyb platformy 2.

-2CZ 25800 Ul

Určení polohy platformy v kartézském souřadnicovém systému rámu probíhá výpočtem z hodnot relativních pohybů v rotačních kloubech 7a až 7d s pohony, případně v dalších kloubech 4al až 4d4. Odměřování relativních rotačních pohybů v těchto kloubech probíhá pomocí instalovaných čidel v těchto kloubech.

Na obr. 2 je znázorněno další provedení redundantního manipulátoru Delta podle technického řešení. Redundantní manipulátor Delta se skládá z platformy 2 nesené čtyřmi paralelogramy 3a až 3d, kde paralelogramy 3b a 3d jsou poháněny pomocí dvou rotačních ramen 6b a 6d a dvou rotačních pohonů 7b a 7d upevněných na rámu I a paralelogramy 3a a 3c pomocí dvou posuvných vozíků 8a a 8c se dvěma posuvnými pohony 9a a 9c upevněných na rámu 1. Skladba paralelogramů 3 a sférických kloubů 4 je shodná jako na obr. 1. Hlavní odlišností provedení manipulátoru Delta podle technického řešení oproti běžným řešením je také zde uchycení sférických kloubů 4 paralelogramů 3 na platformě 2 v různých rovinách, které na obrázku 2 jsou vzdáleny o nenulovou vzdálenost hp To opět přináší zvýšení momentu, kterým mohou paralelogramy 3 působit na platformu 2, což se projeví zvýšením tuhosti a dynamiky zařízení podle technického řešení. Aby nedošlo ke zhoršení manipulovatelnosti, jsou také zde rotační pohony 7 upevněny na rámu I v různých rovinách, které na obrázku 2 jsou vzdáleny o vzdálenost h₂. Optimální volba zde je h₂=0, protože sférické klouby 4b3. 4b4 paralelogramů 3b a sférické klouby 4d3. 4d4 paralelogramů 3d leží na obr. 2 ve shodné rovině a paralelogramy 3 mají shodnou délku a rotační ramena 6 mají shodnou délku, ale variant může být více.

Určení polohy platformy v kartézském souřadnicovém systému rámu probíhá také u tohoto provedení výpočtem z hodnot relativních pohybů v rotačních kloubech 7b, 7d s pohony a v posuvných vedeních vozíků 8a, 8c s pohony, případně v dalších kloubech 4al až 4d4. Odměřování relativních rotačních a posuvných pohybů v těchto kloubech probíhá pomocí instalovaných čidel v těchto kloubech.

Na obr. 3 je znázorněna varianta provedení redundantního manipulátoru Delta podle technického řešení k provedení na obr. 2. Redundantní manipulátor Delta zde má pohony pomocí rotačních ramen 6a a 6d uspořádány vedle sebe oproti provedení na obr. 2, kde jsou pohony rotačními rameny 6b a 6d uspořádány proti sobě. Pak jsou také pohony pomocí dvou posuvných vozíků 8b a 8c dvěma posuvnými pohony 9b a 9c uspořádány vedle sebe oproti provedení na obr. 2, kde jsou pohony pomocí dvou posuvných vozíků 8a a 8c dvěma posuvnými pohony 9a a 9c uspořádány proti sobě. Optimální volba je hi=h₂, aby paralelogramy 3 měly shodnou délku a rotační ramena 6 měla shodnou délku, ale variant může být více počínaje h₂=0. Ostatní části provedení jsou shodné jako na obr. 2. Na obr. 4 je schematicky znázorněno řešení odměřování pohybu a polohy manipulátorů Delta podle technického řešení. Jeho podstatou je, že vedle paralelogramů 3 na rotačních ramenech 6 a/nebo posuvných vozíkách 8, které přenášejí síly pohonů 7 a/nebo 9 na platformu 2, je vedena z rámu souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta, která obsahuje jen čidla. Protože tato souběžná (paralelní) struktura je minimálně namáhána silami, je odměřování v čidlech na ní umístěných přesnější, než u běžného odměřování jen v pohonech. To vede k přesnějšímu polohování manipulátoru Delta a k možnosti zvýšení jeho tuhosti zpětnovazebním řízením. Na obr. 4 je znázorněn manipulátor Delta podle technického řešení v provedení z obr. 1. Na provedení znázorněném na obr. 4 je mezi rámem I a platformou 2 vedeno rameno 10 souběžné (paralelní) konstrukce připevněná k rámu 1 rotačním (sférickým s dvěma stupni volnosti - Hookeovým) kloubem 11 souběžné konstrukce a k platformě 2 připevněná posuvným vedením 12 a rotačním (sférickým se třemi stupni volnosti) kloubem 11 souběžné konstrukce. Čidla jsou umístěna v rotačních kloubech 11 a posuvných vedeních 12 souběžné konstrukce a jejich počet je šest, což je více než tri stupně volnosti pohybu platformy 2.

Postup možného řízení manipulátoru Delta s odměřováním na souběžné konstrukci je následující. Pohony 7 a/nebo 9 manipulátoru jsou vybaveny čidly relativního pohybu a tato čidla jsou použita pro stabilizaci pohonů prostřednictvím rychlostní zpětné vazby. Znalost o poloze platformy 2 získaná měřením na souběžné konstrukci je užita pro polohovou zpětnou vazbu. Vzhledem k tomu, že ramena 10 souběžné konstrukce nejsou silově namáhána pohony, nejsou tedy těmito silami deformována, poskytuje měření v rotačních kloubech 11 a/nebo posuvných vede-3CZ 25800 Ul nich 12 přesnější údaje o poloze platformy 2 a její užití při řízení vede k přesnějšímu polohování platformy 2.

Na obr. 5 je schematicky znázorněno řešení odměřování pohybu a polohy platformy u manipulátorů Delta podle technického řešení. Jde o schematický rovinný průmět manipulátoru Delta. Vedle paralelogramů 3 na rotačních ramenech 6 a/nebo posuvných vozíkách 8, které přenášejí síly pohonů 7 a/nebo 9 na platformu 2, je vedena z rámu 1 souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta, která obsahuje jen čidla. Protože tato souběžná (paralelní) struktura je minimálně namáhána silami, je odměřování v čidlech rotace a/nebo posuvu na ní umístěných přesnější, než u běžného odměřování jen v pohonech. To vede k přesnějšímu polohování platformy 2 manipulátoru Delta a k možnosti zvýšení jeho tuhosti zpětnovazebním řízením. Souběžná (paralelní) struktura manipulátoru Delta je tvořena dvěma řetězci ramen složených z ramene 10a a 10b spojených rotačním (sférickým se dvěma stupni volnosti - Hookeovým) kloubem 11b. Otočné rameno 10a je připevněno k rámu i rotačním kloubem 11a. Rameno 10b je připevněno k platformě 2 rotačním (nebo sférickým) kloubem Ilc. Rameno 10b může být realizováno jako paralelogram podobně jako paralelogram 3. Čidla rotace jsou umístěna v kloubech 11a, 11b a ilc. Jejich počet může být různý. Rotační čidla v kloubech 11a a 11c tvoří 4 čidla pro 3 stupně volnosti platformy

2. Rotační čidla ve všech kloubech Ha, 11b, 11c tvoří 8 čidel pro 3 stupně volnosti platformy 2. S výhodou se užívá redundantní počet čidel, tedy větší počet čidel, než má manipulátor stupňů volnosti, pro zvýšení přesnosti měření, pro kalibraci manipulátoru, samokalibraci souběžné konstrukce s čidly nebo pro on-line měření a kompenzování teplotních deformací.

Jsou možná další různá uspořádání tvořená kombinacemi uvedených variant.

Paralelogramy uvedené u provedení popsaných výše mohou být nahrazeny ramenem spojeným s navazujícími částmi manipulátoru na obou koncích Kardanovým kloubem. Popisovaná provedení manipulátoru jsou symetrická, jsou však možné varianty i s nesymetrickým uspořádáním.

Zvýšení momentu vyvinutého pohony na platformu 2 a tuhosti platformy 2 zařízení podle technického řešení se dá s výhodou použít i u neredundantní verze manipulátoru Delta pouze se třemi paralelogramy a třemi pohony.

Počet ramen s rotačním pohonem a počet ramen s posuvným pohonem může být proměnný a kombinovaný. Například všechny pohony jsou rotační nebo posuvné anebo je možná jejich kombinace.

Počet pohonů může být větší než čtyři, u uvedených provedení jsou vždy jen 4 paralelogramy poháněné 4 pohony.

Popisovaná provedení manipulátoru Delta užívají nadbytečný počet pohonů, tedy více pohonů než stupňů volnosti manipulátoru. To umožňuje zvýšit a zrovnoměmit silové působení pohonů na platformu 2 v celém pracovním prostoru a/nebo umožňuje použít dalších pokročilých způsobů řízení pomocí redundantních pohonů, např. protivůlové řízení.

Rovněž pak popisovaná provedení měření na manipulátoru Delta užívají nadbytečný počet čidel, tedy více čidel než stupňů volnosti. Užití redundantního počtu čidel, tedy většího počtu čidel, než má manipulátor stupňů volnosti, je výhodné pro zvýšení přesnosti měření, pro kalibraci manipulátoru, samokalibraci souběžné konstrukce s čidly nebo pro on-line měření a kompenzování teplotních deformací. Zvláště výhodné je, když počet čidel je alespoň o dvě větší než počet stupňů volnosti.

Popisované odměřování pohybu a polohy platformy 2 u manipulátorů Delta na souběžné (paralelní) struktuře nenamáhané silami pohonů se dá s výhodou použít u všech druhů manipulátorů Delta.

Manipulátory Delta lze užít vedle manipulace i pro výrobní operace a/nebo měření tak, že platforma 2 nese příslušný nástroj (např. vřeteno s frézou, svařovací hlavici, měřicí sondu).

-4CZ 25800 Ul

Veškeré uvedené varianty provedení se mohou dále libovolně kombinovat. Řízení pohybu manipulátorů je provedeno počítačem.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Redundantní manipulátor s platformou spojenou s rámem prostřednictvím paralelogramů 5 as nimi spojených ramen, přičemž paralelogramy jsou spojeny s platformou nebo s rámem kloubově sférickými klouby a ramena jsou otočně spojena s rámem nebo platformou rotačními klouby, vyznačený tím, že sférické klouby (4) paralelogramů (3) pro spojení s platformou (2) leží v různých rovnoběžných rovinách oproti sférickým kloubům (4) sousedních paralelogramů (3) pro spojení s platformou (2), přičemž rotační klouby (7) ramen (6) leží ve stejné ío rovině nebo různých rovinách.
2. 2. Redundantní manipulátor podle nároku 1, vyznačený tím, že sférické klouby (4) pro spojení s platformou (2) protilehlých paralelogramů (3) leží ve stejné rovině rovnoběžné k rovinám tvořeným ostatními sférickými klouby (4) pro spojení s platformou (2) a rotační klouby (7) protilehlých ramen leží v rovině rovnoběžné s rovinou, v níž leží rotační klouby (7) sou15 sedních protilehlých ramen.
3. 3. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že rovnoběžné roviny pro uložení sférických kloubů (
4. 4) paralelogramů (3) pro spojení s platformou (2) jsou od sebe vzdáleny o stejnou hodnotu h jako jsou od sebe vzdáleny rovnoběžné roviny pro spojení rotačních ramen (6) rotačními klouby (7) s rámem (1).

   20 4. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že alespoň jedno rameno (6) je tvořeno posuvným vozíkem (8).
5. 5. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že jedna dvojice z protilehlých paralelogramů (3a, 3c) je spojena s rámem (1) rameny (6) tvořenými posuvnými vozíky (8) a druhá z dvojice protilehlých paralelogramů (3b, 3d) je spojena

   25 s rotačními rameny (6) bez posuvného vedení, přičemž rotační klouby (7) pro spojení s rámem (1) leží v rovině rovnoběžné s rovinou sférických kloubů (4) pro spojení s platformou (2).
6. 6. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že sousední paralelogramy (3b, 3c) jsou spojeny s rámem (1) rotačními rameny (6) tvořenými posuvnými vozíky (8) a sousední paralelogramy (3a, 3d) jsou spojeny s rámem (1) rotačními

   30 rameny (6) bez posuvného vedení, přičemž rotační klouby (7) sousedních ramen (6) leží v rovnoběžných rovinách vzdálených od sebe o stejnou hodnotu h jako vzdálenost rovnoběžných rovin, v nichž leží sférické klouby (4) pro spojení paralelogramů (3a, 3d) s platformou (2).
7. 7. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že počet pohonů a paralelogramů (3) je větší než tři nebo čtyři.

   35
8. 8. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že paralelogram je tvořen dvěma Kardanovými klouby.
9. 9. Redundantní manipulátor podle některého z předchozích nároků, vyznačený tím, že souběžně s paralelogramy (3) je mezi rámem (1) a platformou (2) uspořádána měřicí nezatížená souběžná konstrukce.