CZ302911B6

CZ302911B6 - Zarízení pro rízení sférického pohybu telesa

Info

Publication number: CZ302911B6
Application number: CZ20070761A
Authority: CZ
Inventors: Valášek@Michael
Original assignee: Cvut V Praze
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2012-01-18
Also published as: US9364932B2; CZ2007761A3; WO2009056079A2; WO2009056079A3; US20140290419A1; US20100313695A1

Abstract

Zarízení pro rízení sférického pohybu telesa (1), spojeného s rámem (5) jednak sférickým kloubem (2), usporádaným na stopce (9, 10), spojující teleso (1) s rámem (5), a dále prostrednictvím ovládacích ramen (3) s pohony (4, 6, 7, 8, 11), kde stopka (9, 10) je rozdelena na pevnou a pohyblivou a sférický kloub (2) je usporádán mezi pevnou stopkou (9), pevne uchycenou k rámu (5), a pohyblivou stopkou (10), pevne uchycenou k pohybovanému telesu (1), pricemž pocet ovládacích ramen (3) s pohony (4, 6, 7, 8, 11) je redundantní, tj. vyšší než pocet stupnu volnosti telesa (1) vuci rámu (5), který je v daném prípade tri - rotace kolem trí os. Pro zvýšení presnosti jak vlastní samokalibrace, tak i následného polohování telesa (1) v pracovním prostoru, napríklad v pracovním prostoru naklápecí hlavy obrábecího stroje ci manipulátoru, pro který je toto zarízení použito, a pro docílení velkého rozsahu natocení telesa (1) pri eliminaci singulárních poloh mechanismu je pocet ovládacích ramen (3) s pohony (4, 6, 7, 8, 11) výhodne alespon pet a délka pevné stopky (9), pripevnené k rámu (5), je vetší než vzdálenost okraje telesa (1) od místa uchycení pohyblivé stopky (10) k telesu (1).

Description

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spojeného s rámem sférickým kloubem uspořádaným na stopce spojující těleso s rámem a prostřednictvím ovládacích ramen s pohony.

Dosavadní stav techniky

Řízený sférický pohyb tělesa je důležitý v řadě aplikací, například pro naklápěcí hlavy obráběcích strojů nebo nastavování polohy teleskopů a antén. Takovýto pohyb je dnes realizován buď mechanismy se sériovou kinematickou strukturou většinou na bázi Cardanova závěsu, nebo mechanismy s paralelní kinematickou strukturou. Mechanismy se sériovou kinematickou strukturou mají velkou pohyblivost, tedy ve dvou rotacích rozsah 180°, ale jsou hmotné, jejich dynamické schopnosti jsou malé a ne ve všech polohách umožňují souvislý pohyb z jedné polohy do druhé. Naproti tomu mechanismy s paralelní kinematickou strukturou mají omezenou pohyblivost, tedy ve dvou rotacích rozsah obvykle menší než 90°, ale vykazují podstatně nižší hmotnost, mají větší dynamické schopnosti a ze všech poloh umožňují souvislý pohyb do následných poloh.

Naklápěcí hlavy obráběcích strojů byly pomocí paralelních kinematických struktur úspěšně řešeny v PCT přihlášce vynálezu WO 00/25 976 pro naklápěcí hlavu Sprint Z3 firmy DS technologie, kde bylo dosaženo schopnosti souvislého přejezdu mezi všemi polohami se zvýšenou dynamikou. Singulární polohy nedovolují těmto mechanismům větší rozsah úhlů. Zlepšení tohoto stavu je možné dosáhnout použitím redundantního (nadbytečného) poctu ramen s pohony, jejichž počet je větší než počet stupňů volnosti. Takový mechanismus s paralelní kinematickou strukturou pro sférický pohyb je popsán v článku Kurtz, R., Hayward, V.: Multiple-Goal Kinematíc Optímiza3o tion of a Parallel Spherical Mechanism with Actuator Redundancy, IEEE Transactions on Robotics and Automation, 8(1992), 5, pp. 644 až 651, kde je užito 4 paralelních ramen pro pohyb platformy, uchycené vůči rámu sférickým kloubem na stopce, vycházející z rámu. Toto řešeni umožní značně zvýšit rozsah dosažitelných poloh úhlů, ale neumožňuje dosáhnout rozsah 90° a více, navíc při zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh. Toto omezení vzniká ze dvou důvodů. Jednak vznikají kolize mezi platformou a stopkou, vycházející z rámu, při krajních polohách, blížících se 90°, a jednak nadbytečný počet 4 paralelních ramen je nedostatečný pro dostatečný odstup od singulárních poloh v celém pracovním prostoru.

Z hlediska využití vlastnosti samokalibrace celého zařízení a zvýšené přesnosti jeho polohování na základě nadbytečného počtu měření, spojeného s nadbytečným počtem ramen s pohony, je použití čtyř paralelních ramen nedostatečné. Vlastnost samokalibrace je možná, ale její dosahovaná přesnost není velká.

Jiný mechanismus s paralelní kinematickou strukturou, který umožňuje dosáhnout rozsahu úhlů naklopení platformy 90°, je Octapod (Valášek, M., Šiká, Z., Bauma, V., Vampola, T.: The Innovative Potential of Redundantly Actuated PKM, In: Neugebauer, R.: Proč. of Parallel Kinematice Seminář 2004, IWU FhG, Chemnitz 2004, pp. 365 až 384) a Metrom (Schwaar, M., Jaehnert, T., Ihlenfeldt, S.: Mechatronic Design, Experimental Properte Analysis and Machining Strategie for a 5-Strut-PKM, In: Neugebauer, R.: Proč. of Parallel Kinematice Seminář 2002, IWU FhG,

Chemnitz 2002, pp. 671 až 681). Nevýhodou Octapodu je, že ramena jsou umístěna kolem platformy ze všech stran. Nevýhodou Metronomu je zhoršení manipulovatelnosti v okolí krajních poloh.

Cílem tohoto vynálezu je zařízení pro řízený sférický pohyb těles na základě mechanismů s para55 lelní kinematickou strukturou, který by dosahoval pohyblivosti shodné s mechanismy se sériovou

- 1 CZ 302911 B6 kinematickou strukturou, tedy ve dvou rotacích rozsah až 200° při zachování všech výhod mechanismů s paralelní kinematickou strukturou. Dalším cílem tohoto vynálezu je současné docílení vyšší přesnosti nastavení poloh tělesa.

Podstata vynálezu

Podstata zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa spočívá vtom, že stopka, spojující těleso s rámem, je dělená a sférický kloub je uspořádán mezi pevnou stopkou, která je pevně uchycena k rámu, a pohyblivou stopkou, která je pevně uchycena k tělesu, přičemž počet ovládacích ramen s pohony je vyšší než počet stupňů volnosti tělesa vůči rámu. S výhodou je počet ovládacích ramen s pohony alespoň pět a délka pevné stopky, připevněné k rámu, je větší než vzdálenost okraje tělesa od místa uchycení pohyblivé stopky k tělesu.

Ovládací paralelní ramena jsou opatřena stejným pohonem nebo kombinací pohonů výsuvných, výsuvných průchozích, posuvných nebo rotačních.

Alternativně jsou ovládací paralelní ramena spojena s tělesem přes ramenní sférický kloub a distanční stopku tělesa.

S výhodou je pevná stopka opatřena pohonem pro změnu její délky, jejího sklonu, resp. pro změnu polohy sférického kloubu. V případě symetrického uspořádání ovládacích paralelních ramen a jejich počtu šesti jsou tato ramena s výhodou vedena ze tří bodů na rámu do tří bodů na tělese.

V dalším alternativním provedení jsou v základní poloze ovládací paralelní ramena vedena z bodů na rámu šikmo do bodů na tělese, přičemž vrchní konec jednoho ovládacího paralelního ramene leží případně nad spodním koncem sousedního ovládacího paralelního ramene.

Výhoda tohoto zařízení spočívá ve vytvoření dělené stopky, která umožňuje natočení tělesa o 90° a více kolizí se stopkou, a v použití alespoň pěti redundantních ramen, která umožňují odstranit výskyt singulárních poloh a zajistit od nich dostatečný odstup v celém pracovním prostoru tělesa. Použití alespoň pěti redundantních ramen s pohony a odměřováním, což je nejméně o jedno více, než je nezbytně nutné pro samo kalibraci, umožňuje podstatně zvýšit přesnost jak vlastní samokalibrace zařízení, tak následného potahování tělesa v pracovním prostoru.

Obecně pro uskutečnění řízeného sférického pohybuje třeba tři stupně volnosti, ovládané pohony. To by mohl zajistit sférický kloub a tři ramena s pohony. Takové zařízení by však mělo značně omezený rozsah pohybu (pracovní prostor), protože se v pracovním prostoru takového zařízení vyskytují singulární potahy, kde se přenos sil z pohonů na těleso, konající sférický pohyb, zhroutí, tj. přenos síly z některého pohonu je nulový a těleso spadne působením tíže. Řešením je přidat další ramena, která činí pohon daného zařízení redundantní. Redundance pohonů znamená, že počet pohonů je větší, než je počet stupňů volnosti. Tak se pojem redundance z počtu pohonů přenáší na redundanci počtu ramen s pohony. Pro umožnění pohybu pak musí být řízení redundantních pohonů koordinováno, aby nebránilo pohybu. Použití redundantních pohonů omezí a dokonce odstraní z pracovního prostoru popisovaného zařízení singulární potahy. Z tohoto pohledu by stačila čtyři ramena s pohony, což je o jedno více než tri stupně volnosti, tedy je zařízení jednou redundantní. Výhodné je však míru redundance zvýšit a užít pět nebo šest ramen s pohony. Takové řešení pak nejen odstraní všechny singulární potahy z pracovního prostoru, ale dokonce učiní přenos sil mezi pohony a pohybujícím se tělesem rovnoměrným, což je velmi výhodné pro dimenzování pohonů i řízení plynulosti sférického pohybu tělesa.

V následně popisovaném zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa se uvažuje obecně sférický kloub. Ten může být fyzicky realizován různým způsobem. Klíčový je rozsah jeho pohybu a výskyt singulárních potah v jeho pracovním prostoru sférického natočení. Zde má zvláště obvykle používaný Cardanův závěs vážná omezení. Cardanův závěs má pohyb nejméně v jedné ose omezený na méně než 90 stupňů a má v zenitové potaze singularitu, zabraňující pohybu

-2CZ 302911 B6 v rovině, v níž leží jedna z os. Proto jeho použití pro popisované zařízení je velmi nevýhodné, neli nemožné. Popisované zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa musí využít pro fyzickou realizaci sférického kloubu jiný způsob. Jeden způsob je užití kulového kloubu s magnetickou přitahující silou, jiný způsob je užití pokročilých modifikací Cardanova kloubu, tvořených dvěma Cardanovými vidlicemi za sebou s řízené brzděným pohybem nadbytečného stupně volnosti.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených obrazcích je schematicky znázorněno zařízení pro sférický pohyb tělesa, kde obr. 1 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí pohonů v paralelních ramenech, obr. 2 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí výsuvných pohonů v paralelních ramenech, obr. 3 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí výsuvných průchozích pohonů v paralelních ramenech, obr. 4 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí posuvných pohonů v paralelních ramenech, obr. 5 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a konajícího řízený sférický pohyb pomocí rotačních pohonů v paralelních ramenech, obr. 6 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem, který je vůči pohybujícímu se tělesu umístěn na stopce, a konajícího řízený sférický pohyb pomocí různých typů pohonů v paralelních ramenech, obr. 7 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem, s natočením tělesa o více než 90° od základní polohy, obr. 8 znázorňuje v půdorysu jedno z možných uspořádání ovládacích paralelních ramen, obr. 9 znázorňuje v nárysu uspořádání ovládacích paralelních ramen podle obr. 8, obr. 10 znázorněno v půdorysu jedno z dalších možných uspořádání ovládacích paralelních ramen, obr. 11 znázorňuje v nárysu uspořádání ovládacích paralelních ramen podle obr. 10, obr. 12 znázorňuje obdobné uspořádání tělesa, připojeného krámu sférickým kloubem, s natočením tělesa o více než 90° od základní polohy, jak je patrné na obr. 7, avšak s alternativním spojením ovládacích paralelních ramen s tělesem, obr. 13 znázorňuje uspořádání tělesa, připojeného k rámu sférickým kloubem a prostřednictvím výsuvné stopky, a obr. 14 znázorňuje v nárysu další možné uspořádání ovládacích paralelních ramen.

- 3 CZ 302911 B6

Příklady provedení vynálezu

Jakje patrné na obr. 1, těleso 1 je připojeno k rámu 5 prostřednictvím stopky, sestávající z pevné stopky 9, pevně spojené s rámem 5, a pohyblivé stopky W, pevně spojené s tělesem k Pevná stopka 9 může případně tvořit jeden díl s rámem 5 a pohyblivá stopka 10 jeden díl s tělesem i. Obě stopky 9, JjO jsou spolu spojeny sférickým kloubem 2, který umožňuje pohyb tělesa i vzhledem k rámu 5. Těleso 1 a rám 5 jsou spolu propojeny paralelními ovládacími rameny 3, která jsou opatřena pohony 4 pro výsuvný pohyb ovládacích ramen 3. Tato paralelní ramena 3 s výsuvnými pohony 6 mohou být realizována pohybovými šrouby nebo teleskopickými pohybovými šrouby, připojenými na těleso a rám sférickými nebo univerzálními klouby. Změnou délky jednotlivých ovládacích ramen 3 je docilován řízený sférický pohyb tělesa T Počet paralelních ramen 3 s pohony 4 je redundantní. To znamená, že počet paralelních ovládacích ramen 3 s pohony je větší než počet stupňů volnosti tělesa 1, takže počet paralelních ovládacích ramen 3 je alespoň čtyři (viz obr. 6, 8 až 11, 14), neboť znázorněný mechanismus, tvořený sférickým kloubem 2, má tři stupně volnosti (rotace kolem tří os). S ohledem na vyloučení vzniku singulárních poloh v pracovním prostoru sférického pohybu tělesa 1 je výhodné, pokud počet paralelních ramen 3 s pohony 4 je alespoň pět. Použití alespoň pěti paralelních ovládacích ramen 3 navíc umožňuje zvýšení přesnosti jak vlastní samokalibrace, tak následně umožňuje zvýšenou přesnost polohování tělesa 1 v pracovním prostoru.

Použití dělené stopky, složené zpěvné a pohyblivé stopky 9, 10, umožňuje natočení tělesa 1 o více než 90°. Pro docílení takového natočení je délka pevné stopky 9, připevněné k rámu 5, větší než vzdálenost okraje tělesa 1 od místa uchycení pohyblivé stopky k tělesu i. Délkou pohyblivé stopky 10 lze docílit různého rozsahu úhlu natočení tělesa 1 nad 90°,

Způsob řízeného natáčení tělesa I pomocí ovládacích paralelních ramen 3 je docilován pomocí pohonů, kterými je buď¹ měněna délka ovládacích paralelních ramen 3, nebo jsou ovládací paralelní ramena 3 přestavována vzhledem k rámu 5, případně je možno využít kombinaci různých pohonů pro změnu délky nebo posuv ovládacích paralelních ramen 3. Tak na obr. 2 je použito výsuvných pohonů 6 pro změnu délky ovládacích polohovacích ramen 3, na obr. 3 je použito výsuvných průchozích pohonů H pro posuv ovládacích paralelních ramen 3 vzhledem k rámu 5, na obr. 4 je použito posuvných pohonů 7 pro posuv spodních konců ovládacích paralelních ramen 3 na rámu 5, na obr. 5 je použito rotačních pohonů 8 pro natáčení dělených ovládacích paralelních ramen 3, kdy natáčením jednotlivých částí ovládacích paralelních ramen 3 dochází k prodlužování nebo zkracování příslušných vzdáleností mezi tělesem i a rámem 5. Na obr. 6 je pak patrné možné použití kombinace výše uvedených typů pohonů u jednoho zařízení, tedy výsuvného/ých pohonu/ů 6, kombinovaného/ých s rotačním/i pohonem/y 8 výsuvným/i průchozím/i pohonem/y 11 a posuvným/í pohonem/y 7. Rotačním kloubem může být i prostřední kloub ovládacího paralelního ramene, spojujícího jej s tělesem 1, nebo kloub ovládacího paralelního ramene, spojený s tělesem 1. Výhoda umístění rotačního kloubu 8 na rám 5 je, že hmotnost rotačního pohonu nemusí být přemisťována s pohybem ramene.

Na obr. 7 je patrné sklopení tělesa 1 ve tvaru rovinné desky o více než 90° vzhledem k jeho základní vodorovné poloze, jak je znázorněno na předešlých obrázcích. Druh pohonů není podstatný a rovněž není omezen na výše uvedené pohony.

Místa spojení ovládacích paralelních ramen 3 jednak s rámem 5 a jednak s tělesem i je možno volit prakticky libovolně, výhodné je symetrické uspořádání těchto spojovacích míst tak, jak je patrné v půdorysném pohledu na obr. 8, kde je pro řízení sférického pohybu tělesa 1 použito šesti ovládacích paralelních ramen 3 s pohony 4, přičemž jsou vždy kloubově spojeny vrchní konce sousedních ovládacích paralelních ramen 3 ajejich spodní konce jsou spojeny s konci sousedních ovládacích paralelních ramen 3 na opačných stranách. Toto uspořádání ovládacích paralelních ramen 3 je pak v nárysném pohledu znázorněno na obr. 9. Soustava takto uspořádaných ovládacích paralelních ramen 3 tvoří souvislou radu šesti trojúhelníků.

-4CZ 3029Π Β6

Obdobné symetrické uspořádání rozložení ovládacích paralelních ramen 3 a jejich spojení s rámem 5 a tělesem 1 s uspořádáním podle obr. 8 a 9 je patrné na obr. 10, ze kterého je patrné, že jednotlivé konce sousedních ovládacích paralelních ramen 3 směřují ksobě, jejich spojení s rámem 5 a s tělesem 1 není však společné vjednom místě, spojovací místa jsou od sebe oddělena. Na obr. 11 je znázorněn nárys uspořádání ovládacích paralelních ramen 3 podle obr. 10.

Jedno z dalších možných provedení zařízení s alternativním spojením ovládacích ramen 3 s tělesem I je znázorněno na obr. 12, který odpovídá provedení zařízení ve sklopené poloze podle obr. 7 s tím. že uchycení konců ovládacích paralelních ramen 3 s tělesem i je prostřednictvím distanční stopky 12 tělesa I a ramenního sférického kloubu 14, který distanční stopku 12 spojuje s ovládacím paralelním ramenem 3.

Na obr. 13 je patrné alternativní uspořádání zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa, kde některá část stopky, spojující těleso I s rámem 5, je opatřena kromě sférického kloubu 2 nastavovacím pohonem 13, zde uspořádaném na pevné stopce 9. Nastavovací pohon 13 slouží pro nastavení polohy sférického kloubu 2, např. jeho vzdálenosti od rámu 5, aje zvláště výhodný při použití zařízení pro řízení sférického pohybu výměnných těles 1 s různou velikostí, příp. v závislosti na potřebě různých velikosti vychýleni tělesa i ze své základní poiony. Nastavovací pohon 13 rovněž umožňuje lepší manipulaci, případně přepravu zařízení.

Obr. 14 znázorňuje v nárysu další možné uspořádání ovládacích paralelních ramen 3, kde ovládací paralelní ramena 3 jsou vedena symetricky po obvodu rámu 5 a tělesa 1 tak, že jejich spodní konce leží pod vrchními konci sousedních ovládacích polohovacích ramen 3.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Zařízení pro řízení sférického pohybu tělesa (1), spojeného s rámem (5) sférickým kloubem (2) uspořádaným na stopce (9, 10), spojující těleso (1) s rámem (5), a prostřednictvím ovládacích ramen (3) s pohony (4), vyznačené tím, že stopka je dělená a sférický kloub (2) je uspořádán mezi pevnou stopkou (9), která je pevně uchycena k rámu (5), a pohyblivou stopkou (10), která je pevně uchycena k tělesu (1), přičemž počet ovládacích ramen (3) s pohony (4) je vyšší než počet stupňů volnosti tělesa (1) vůči rámu (5).

2. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle nároku 1, vyznačené tím, že počet ovládacích ramen (3) s pohony (4) je alespoň pět.

3. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že délka pevné stopky (9), připevněné k rámu (5), je větší než vzdálenost okraje tělesa (1) od místa uchycení pohyblivé stopky (10) k tělesu (1).

4. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že ovládací ramena (3) jsou opatřena výsuvným pohonem (6) nebo výsuvným průchozím pohonem (11) nebo posuvným pohonem (7) nebo rotačním pohonem (8).

- 5 CZ 302911 B6

5. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že ovládací ramena (3) jsou spojena s tělesem (l) přes ramenní sférický kloub (14) a distanční stopku (12) tělesa (1).

6. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že pevná stopka (9) je opatřena pohonem (13) pro změnu polohy sférického kloubu (2).

7. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že počet ovládacích ramen (3) je šest a jsou vedena ze tří bodů na rámu (5) do tří bodů na tělese (1).

8. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle některého z předešlých nároků, vyznačené tím, že v základní poloze jsou ovládací ramena (3) vedena z bodů na rámu (5) šikmo do bodů na tělese (1).

io

9. Zařízení pro sférický pohyb tělesa (1) podle nároku 10, vyznačené tím, že v základní poloze leží vrchní konec jednoho ovládacího ramene (3) nad spodním koncem sousedního ovládacího ramene (3).