PL 213839 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 213839 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 394237 (51) Int.Cl. B25J 18/04 (2006.01) B25J 9/02 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 17.03.2011 (54) Manipulator równoległy trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA, Kielce, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono: 12.09.2011 BUP 19/11 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.05.2013 WUP 05/13 (72) Twórca(y) wynalazku: PAWEŁ ŁASKI, Szydłowiec, PL JAKUB TAKOSOGLU, Kielce, PL ILONA GRZEGORCZYK, Bernów, PL SŁAWOMIR BŁASIAK, Skarżysko-Kamienna, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Antoni Garstka
2 PL 213 839 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest manipulator równoległy trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody, przeznaczony do programowalnego wykonywania czynności manipulacyjnych, zwłaszcza w automatyzacji produkcji, elastycznym montażu, selekcji i dynamicznej segregacji. Znane są manipulatory równoległe z ramionami o stałej długości, w których jako jednostki napędowe stosowane są silniki elektryczne lub hydrauliczne. Z opisu patentowego US 4,976.582 znany jest manipulator, który posiada nieruchomą bazę i ruchomą platformę roboczą połączone ze sobą trzema ramionami. Napędzające części ramion są sztywno połączone z wałkiem. Trzy zespoły, z których każdy składa się z wałka i ramienia są napędzane przez silniki, które zamontowane są na stałej bazie i stanowią jej integralne elementy. Ramię napędzane połączone jest za pomocą przegubu z elementem wykonawczym ramienia. Element wykonawczy ramienia połączony jest z ruchomą platformą roboczą za pomocą obrotowej pary kinematycznej. W manipulatorach przemysłowych często spotykanym warunkiem kinematycznym jest równoległość przestrzennego przemieszczania bazy uchwytu, co jest realizowane przy wykorzystaniu mechanizmów równoległowodowych cechujących się niską sztywnością. Manipulator równoległy, trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody, zawierający trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych, połączonych przegubowo jednym końcem z platformą podstawy oraz elementów wykonawczych połączonych z platformą roboczą przegubami obrotowymi, przy czym elementy napędzane i wykonawcze połączone są ze sobą także przegubowo, według wynalazku charakteryzuje się tym, że elementy napędzane, od strony platformy podstawy, zakończone są dźwigniami, korzystnie dwuramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody w których osadzone są zakończenia umocowań siłowników liniowych, zaś drugie zakończenia siłowników umocowane są do podstawy, zespolonej z kolumną na której umocowana jest wspomniana platforma podstawy. Siłowniki liniowe stanowią siłowniki pneumatyczne, korzystnie muskuły pneumatyczne. Siłownikami liniowymi mogą też być siłowniki hydrauliczne lub elektryczne. W przypadku elementu napędzanego zakończonego dźwignią dwuramienną jeden z siłowników liniowych może stanowić sprężyna a drugi muskuł pneumatyczny. Z wałkami przegubowych połączeń elementów napędzanych z platformą podstawy sprzężone są przetworniki położeń kątowych. W alternatywnym rozwiązaniu, elementy napędzane ramion zakończone są dźwigniami jednoramiennymi z przegubem obrotowym, w którym osadzone jest zakończenie siłownika liniowego, korzystnie w postaci muskułu pneumatycznego oraz sprężyną. Muskuły pneumatyczne oraz sprężyny drugimi końcami umocowane są do podstawy. Trzy ramiona manipulatora o stałej długości, połączone są w układzie przestrzennym krawędzi bocznych dwóch ściętych ostrosłupów mających wspólną podstawę znajdującą się w przestrzeni pomiędzy platformą podstawy, a platformą roboczą. Przeguby łączące elementy napędowe ramion z elementami wykonawczymi oraz przeguby łączące elementy wykonawcze ramion z platformą ruchomą są przegubami kulowymi z ograniczeniami ruchu obrotowego wokół dwóch osi, natomiast wokół trzeciej osi została zachowana możliwość obrotu o kąt 360. Trzpienie przegubów znajdują się w otworach mocujących, gdzie wzajemne położenie dwóch trzpieni jest koncentryczne. Napęd liniowy, zwłaszcza pneumatyczny elastyczny napęd ciągnący zbudowany w oparciu o muskuły pneumatyczne gwarantuje łagodny start jak i zatrzymanie, dużą dynamikę pracy manipulatora oraz wysoką przeciążalność. Układ o zamkniętym łańcuchu kinematycznym realizuje warunek równoległego przemieszczania platformy roboczej względem platformy podstawy oraz cechuje się wysoką sztywnością konstrukcji. Istotne jest by pary elementów ramion napędowych i wykonawczych miały jednakową budowę oraz długość, a także ich zespoły były pod względem budowy i długości - jednakowe. Ważne jest też by układy dźwigniowe były rozmieszczone na planie trójkąta równobocznego, dotyczy to mocowań z platformą podstawy jak i podstawą manipulatora. Wzajemna koncentryczność trzpieni przegubów kulowych w układach mocujących eliminuje niekorzystny wpływ naprężeń gnących.
PL 213 839 B1 3 Dzięki zastosowaniu układu dźwigniowego masowe obciążenie narzędzia roboczego w dużej mierze jest przenoszone z napędu na konstrukcję nośną, co ma swe odzwierciedlenie w szybkości jego działania. Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia manipulator z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych w widoku perspektywicznym, fig. 2 - manipulator z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, fig. 3 - manipulator z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, fig. 4 - schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych, fig. 5 - schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami dwuramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn, a fig. 6 - schemat kinematyczny manipulatora z elementami napędzanymi zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi z siłownikami w postaci muskułów pneumatycznych oraz sprężyn. Z podstawą 1 manipulatora zespolona jest kolumna 6 na której umocowana jest platforma podstawy 2. Na platformie podstawy 2 osadzone są obrotowo elementy napędzane R, R.1 połączone przegubowo z elementami wykonawczymi PR, których drugie końce połączone są przegubowo z platformą roboczą 7. Podstawa 1 manipulatora, platforma podstawy 2 oraz platforma robocza 7 posiadają zarys trójkątów równobocznych. W rozwiązaniu przedstawionym na fig. 1 oraz schemacie kinematycznym na fig. 4, elementy napędzane R zakończone są dźwigniami dwuramiennymi wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody, w których osadzone są zakończenia umocowań muskułów pneumatycznych A. Drugie końce par muskułów umocowane są do podstawy 1. Na wałkach obrotowych 3 oraz w obudowach 4 elementów napędzanych R osadzone są łożyska stanowiące osie obrotu elementów napędzanych. Obudowy 4 są umocowane do platformy podstawy 2 a z wałkami 3 sprzężone są przetworniki położeń kątowych 5. Manipulator posiada trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych R połączonych odpowiednio z trzema identycznymi elementami wykonawczymi PR. Elementy napędzane ramion oraz elementy wykonawcze ramion posiadają podwójną konstrukcję. Dla zwiększenia sztywności elementu napędzającego wprowadzono do ich konstrukcji łączniki w postaci tulei dystansowych. Układy dźwigniowe są rozmieszczone na platformie podstawy 2 z rozstawem 120 wokół osi symetrii a". Podstawa 1 zespolona jest z platformą podstawy 2 kolumną 6. Funkcję kolumny może spełniać także zespół elementów w postaci prętów lub profili zamkniętych łączących podstawę 1 z platformą podstawy 2. Elementy wykonawcze ramion PR połączone są z elementami napędzanymi ramion R, R.1 za pomocą układu składającego się z dwóch przegubów kulowych. Każdy z układów przegubów C, D, E, posiada trzy stopnie swobody, z trzema przecinającymi się osiami obrotu b, c, d". Mocowanie elementów wykonawczych ramienia do platformy roboczej 7 składa się z układu dwóch przegubów. Każdy układ przegubów C, D, E posiada trzy stopnie swobody i trzy osie obrotu b, c d. W położeniu wyjściowym podstawa 1 manipulatora, platforma podstawy 2 oraz platforma robocza 7 zorientowane są równolegle względem siebie, oraz w położeniu prostopadłym do osi symetrii a. Zmiany długości kolejnych mięśni, w parach napędowych, realizowane przez układ sterujący kształtują trajektorię przemieszczenia dla efektora 8 przymocowanego do platformy roboczej 7. Efektor 8 może być umocowany do platformy roboczej 7 po jednej lub drugiej stronie platformy 7. W przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 2 oraz schemacie kinematycznym na fig. 4 - manipulator wyposażony jest w siłowniki w postaci muskułów pneumatycznych A łączących jedno ramię dźwigni elementów napędzanych R z podstawą 1 manipulatora. Drugie ramiona tych dźwigni połączone są z podstawą 1 sprężynami B. Na fig. 3 oraz schemacie kinematycznym na fig. 5 przedstawiono przykład wykonania manipulatora z elementami napędzanymi R.1 zakończonymi dźwigniami jednoramiennymi, wyposażonymi w przeguby obrotowe. W przegubach dźwigni jednoramiennych umocowane siłowniki w postaci muskułów pneumatycznych A oraz sprężyn B połączonych drugimi końcami z podstawą 1. W porównaniu ze znanymi rozwiązaniami, manipulator według wynalazku wyróżnia się przede wszystkim rodzajem napędu gdzie zastosowano elastyczny, pneumatyczny, napęd ciągnący. W przypadku zastosowania jako napędu muskułów pneumatycznych, dodatkową zaletą jest łagodny start i łagodne zatrzymanie. Ponadto posiada dużą odporność na przeciążenia oraz charakteryzuje się dwoma wariantami lokalizacji przestrzeni roboczej.
4 PL 213 839 B1 Zastrzeżenia patentowe 1. Manipulator równoległy, trójramienny o zamkniętym łańcuchu kinematycznym typu Delta, o trzech stopniach swobody, zawierający trzy identyczne ramiona składające się z elementów napędzanych, połączonych przegubowo jednym końcem z platformą podstawy oraz elementów wykonawczych połączonych z platformą roboczą przegubami obrotowymi, przy czym elementy napędzane i wykonawcze połączone są ze sobą także przegubowo, znamienny tym, że elementy napędzane (R1, R.1) zakończone są dźwigniami, korzystnie dwuramiennymi wyposażonymi w przeguby obrotowe o jednym stopniu swobody w których osadzone są zakończenia umocowań siłowników liniowych (A, B), zaś drugie zakończenia siłowników umocowane są do podstawy (1), zespolonej z kolumną (6) na której umocowana jest platforma podstawy (2). 2. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że siłowniki liniowe stanowią siłowniki pneumatyczne, korzystnie muskuły pneumatyczne (A). 3. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że siłowniki liniowe stanowią siłowniki hydrauliczne. 4. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że siłowniki liniowe stanowią siłowniki elektryczne. 5. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że jeden z siłowników liniowych dwuramiennej dźwigni elementu napędzanego (R) stanowi muskuł pneumatyczny (A) a drugi sprężyna (B). 6. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że z wałkami przegubowych połączeń elementów napędzanych (R, R.1) z platformą podstawy (2) sprzężone są przetworniki położeń kątowych (5). 7. Manipulator, według zastrz. 1, znamienny tym, że elementy napędzane (R.1) zakończone są dźwigniami jednoramiennymi z przegubem obrotowym, w którym osadzony jest siłownik liniowy, korzystnie w postaci muskułu pneumatycznego (A) oraz sprężyny (B) umocowane drugimi końcami do podstawy (1).
PL 213 839 B1 5 Rysunki
6 PL 213 839 B1
PL 213 839 B1 7
8 PL 213 839 B1
PL 213 839 B1 9
10 PL 213 839 B1 Departament Wydawnictw UP RP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)