RU2257607C1

RU2257607C1 - Spheric manipulator

Info

Publication number: RU2257607C1
Application number: RU2004106355/09A
Authority: RU
Inventors: Б.Г. Майоров (RU); Б.Г. Майоров
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Рубин" (ОАО "НПП "Рубин")
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-07-27

Abstract

FIELD: computer science.

SUBSTANCE: lower element of support of leading ball is made in form of flat link of two roller bearings, rotation axes of which are perpendicular and do not intersect, while roller bearing, axis of which is vertical, rotates either inside bushing, held in body of spherical manipulator, or on axis, held in body of spherical manipulator. Smoothness and speed of rotation of leading ball do not depend on its rotation direction and height of device is considerably lowered without decrease of leading ball diameter.

EFFECT: lesser dimensions, higher comfort of use.

3 cl, 2 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах отображения информации на экране растрового монитора для перемещения курсора, управления ориентацией изображений подвижных объектов на экране растрового монитора.The invention relates to automation and computer technology and can be used in systems for displaying information on the screen of a raster monitor to move the cursor, control the orientation of images of moving objects on the screen of a raster monitor.

Уровень техникиState of the art

Известен шаровой манипулятор, содержащий размещенные в корпусе и кинематически связанные между собой ведущий шар и два взаимно перпендикулярных ведомых валика, на осях которых установлены кодовые колеса и связанные с ними координатные преобразователи, нижний и два боковых элемента подвески ведущего шара закреплены в корпусе (Графический шаровой манипулятор, авторское свидетельство СССР №1674187, МКИ5 G 06 K 11/06, G 06 F 3/033, автор Н.В.Воробьев, 30.08.91., Бюллетень №32).Known ball manipulator containing the leading ball located in the housing and kinematically connected to each other and two mutually perpendicular driven rollers, the axes of which are equipped with code wheels and associated coordinate converters, the lower and two side suspension elements of the driving ball are fixed in the housing (Graphic ball manipulator , USSR copyright certificate No. 1674187, MKI5 G 06 K 11/06, G 06 F 3/033, author N.V. Vorobyov, 08/30/91, Bulletin No. 32).

Недостаток известного шарового манипулятора - аналога заключается в большой высоте и ширине прибора из-за нижней и боковой подвесок ведущего шара, выполненных в виде поворотных Г-образных осей с двумя подшипниками на их концах, что приводит к увеличению габаритов всего шарового манипулятора.A disadvantage of the known spherical manipulator - analogue is the high height and width of the device due to the lower and lateral suspensions of the leading ball, made in the form of rotary L-shaped axes with two bearings at their ends, which leads to an increase in the dimensions of the entire spherical manipulator.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому предлагаемому изобретению (прототипом) является шаровой манипулятор, содержащий размещенные в корпусе и кинематически связанные между собой ведущий шар и два взаимно перпендикулярных ведомых валика, на осях которых установлены кодовые колеса и связанные с ними координатные преобразователи, нижний и один боковой элемент подвески ведущего шара закреплены в корпусе (Шаровой манипулятор, патент РФ №2006963, МКИ5 G 09 G 5/08, авторы Е.И.Кутний, Б.Г.Майоров, О.Л.Пархоменко, 30.01.94., Бюллетень №2).Closest to the technical nature of the claimed invention (prototype) is a trackball containing a leading ball located in the housing and kinematically connected to each other and two mutually perpendicular driven rollers, on the axes of which are set code wheels and associated coordinate converters, one lower and one the lateral suspension element of the driving ball is fixed in the housing (Trackball, RF patent No. 2006963, MKI5 G 09 G 5/08, authors E.I. Kutniy, B.G. Mayorov, O.L.Parkhomenko, 01.30.94., Bulletin No. 2).

Недостаток шарового манипулятора - прототипа заключается в том, что нижний элемент подвески ведущего шара, выполненный в виде поворотной Г-образной оси с двумя подшипниками на ее концах, имеет большие габариты и в свою очередь увеличивают габаритный размер - высоту шарового манипулятора. Большие габариты шарового манипулятора не позволяют его устанавливать в подвижных объектах, имеющих малые объемы среды обитания, что сужает область его применения.The disadvantage of the ball manipulator - prototype is that the lower suspension element of the driving ball, made in the form of a rotary L-shaped axis with two bearings at its ends, has large dimensions and, in turn, increase the overall size - the height of the ball manipulator. The large dimensions of the ball manipulator do not allow it to be installed in moving objects having small volumes of the habitat, which narrows the scope of its application.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Предлагаемый шаровой манипулятор позволяет уменьшить габаритные размеры и расширить область применения.The proposed ball manipulator can reduce overall dimensions and expand the scope.

В известном шаровом манипуляторе размещенные в корпусе и связанные кинематически между собой ведущий шар и два взаимно перпендикулярных ведомых валика, на осях которых установлены кодовые колеса и связанные с ними координатные преобразователи, нижний и боковой элементы подвески ведущего шара закреплены в корпусе, нижний элемент подвески ведущего шара выполнен в виде радиально-упорного подшипника, ось вращения которого расположена вертикально и проходит через центр ведущего шара, ось радиального подшипника, на которой закреплен радиальный подшипник, расположена горизонтально, причем, оси этих подшипников перпендикулярны и не пересекаются, внешнее кольцо радиально-упорного подшипника закреплено во втулке.In the well-known ball manipulator, the driving ball and two mutually perpendicular driven rollers are housed in the housing and kinematically connected to each other, the axes of which are equipped with code wheels and associated coordinate converters, the lower and lateral suspension elements of the driving ball are fixed in the housing, the lower suspension element of the driving ball made in the form of an angular contact bearing, the axis of rotation of which is located vertically and passes through the center of the driving ball, the axis of the radial bearing, on which A plain bearing is located horizontally, moreover, the axes of these bearings are perpendicular and do not intersect, the outer ring of the angular contact bearing is fixed in the sleeve.

Целью данного изобретения является уменьшение габаритных размеров без уменьшения диаметра ведущего шара, расширение области применения и повышение удобства работы. Для этого высота втулки и высота оси радиально-упорного подшипника выполнены меньше высоты внешнего кольца радиально-упорного подшипника, втулка и ось радиально-упорного подшипника имеют радиальные вырезы, часть поверхности радиального подшипника выступает над боковой поверхностью радиально-упорного подшипника и взаимодействует с поверхностью ведущего шара.The aim of this invention is to reduce the overall dimensions without reducing the diameter of the leading ball, expanding the scope and improving the usability. For this, the height of the sleeve and the height of the axis of the angular contact bearing are smaller than the height of the outer ring of the angular contact bearing, the sleeve and axis of the angular contact bearing have radial cuts, part of the surface of the radial bearing protrudes above the side surface of the angular contact bearing and interacts with the surface of the driving ball .

Кроме этого, шаровой манипулятор может быть реализован в варианте 1 так, что радиальный подшипник имеет диаметр меньший, чем радиус внутреннего кольца радиально-упорного подшипника, в радиальном вырезе оси радиально-упорного подшипника закреплена ось радиального подшипника, втулка радиально-упорного подшипника закреплена в корпусе шарового манипулятора.In addition, the trackball can be implemented in option 1 so that the radial bearing has a diameter smaller than the radius of the inner ring of the angular contact bearing, the axis of the radial bearing is fixed in the radial cutout of the axis of the angular contact bearing, the sleeve of the angular contact bearing is fixed in the housing trackball.

Кроме этого, шаровой манипулятор может быть реализован в варианте 2 так, что радиальный подшипник имеет диаметр меньший или равный диаметру радиально-упорного подшипника, в радиальном вырезе втулки радиально-упорного подшипника закреплена ось радиального подшипника, ось радиально-упорного подшипника закреплена в корпусе шарового манипулятора.In addition, the spherical arm can be implemented in option 2 so that the radial bearing has a diameter less than or equal to the diameter of the angular contact bearing, the axis of the radial bearing is fixed in the radial cutout of the sleeve of the angular contact bearing, the axis of the angular contact bearing is fixed in the housing of the spherical arm .

Задача упрощения конструкции и уменьшения габаритных размеров шарового манипулятора решена без уменьшения диаметра ведущего шара, т.к. малый диаметр ведущего шара приводит к ухудшению удобства работы человека-оператора.The task of simplifying the design and reducing the overall dimensions of the ball manipulator was solved without reducing the diameter of the leading ball, because the small diameter of the leading ball leads to a deterioration in the convenience of the human operator.

Нижний элемент подвески ведущего шара выполнен без поворотной Г-образной оси с двумя подшипниками на ее концах, а заменен или двумя подшипниками, вращающимися в неподвижной втулке, или двумя подшипниками, вращающимися на неподвижной оси. При этом и ось и втулка имеют высоту меньше высоты радиально-упорного подшипника качения. Ведущий шар опирается на поверхность радиального подшипника, который немного выступает над высотой радиально-упорного подшипника. Точка касания ведущего шара и поверхности внешнего кольца радиального подшипника расположена выше самой нижней точки поверхности ведущего шара. Таким образом, габаритный размер шарового манипулятора - высота - сокращается на высоту Г- образной оси и фактически равен диаметру ведущего шара плюс высота радиально-упорного подшипника.The lower suspension element of the driving ball is made without a rotary L-shaped axis with two bearings at its ends, and is replaced either by two bearings rotating in a fixed sleeve or by two bearings rotating on a fixed axis. In this case, both the axis and the sleeve have a height less than the height of the angular contact rolling bearing. The leading ball rests on the surface of the radial bearing, which protrudes slightly above the height of the angular contact bearing. The contact point of the driving ball and the surface of the outer ring of the radial bearing is located above the lowest point on the surface of the driving ball. Thus, the overall size of the trackball - height - is reduced by the height of the L-shaped axis and is actually equal to the diameter of the drive ball plus the height of the angular contact bearing.

Перечень чертежейList of drawings

На фиг.1 изображен механизм шарового манипулятора (вариант 1).Figure 1 shows the mechanism of the trackball (option 1).

На фиг.2 изображен механизм шарового манипулятора (вариант 2).Figure 2 shows the mechanism of the trackball (option 2).

Пример варианта выполнения изобретенияAn example embodiment of the invention

Шаровой манипулятор содержит размещенные в корпусе (на чертежах не показан) и связанные кинематически между собой ведущий шар 1 и два взаимно-перпендикулярных ведомых валика 2, 3. На осях ведомых валиков 2, 3 установлены кодовые колеса 4, 5, зубчатая часть поверхности которых находится внутри пазов координатных преобразователей 6, 7. Боковой элемент подвески ведущего шара 1 выполнен в виде подшипника качения (на чертежах не показан), прижимает ведущий шар 1 к ведомым валикам 2 и 3. В радиально-упорном подшипнике 8 закреплена ось 9, в которой проделан радиальный вырез 10. В радиальном вырезе 10 закреплена горизонтально ось 14. На оси 14 закреплен радиальный подшипник 15. Верхняя часть радиального подшипника 15 выступает над верхней поверхностью оси 9 и соприкасается с поверхностью ведущего шара 1. Внешнее кольцо 11 радиально-упорного подшипника 8 закреплено внутри втулки 12, которая закреплена в корпусе шарового манипулятора (вариант 1).The ball manipulator contains a driving ball 1 and two mutually perpendicular driven rollers 2, 3 located kinematically between each other and housed in a housing (not shown in the drawings), code wheels 4, 5, the gear part of the surface of which is located, are mounted on the axes of the driven rollers 2, 3 inside the grooves of the coordinate transducers 6, 7. The lateral suspension element of the driving ball 1 is made in the form of a rolling bearing (not shown in the drawings), presses the driving ball 1 to the driven rollers 2 and 3. An axis 9 is fixed in the angular contact bearing 8, in which it is made radial cutout 10. In the radial cutout 10, the axis 14 is fixed horizontally. The radial bearing 15 is fixed on the axis 14. The upper part of the radial bearing 15 protrudes above the top surface of the axis 9 and is in contact with the surface of the driving ball 1. The outer ring 11 of the angular contact bearing 8 is fixed inside sleeve 12, which is fixed in the body of the trackball (option 1).

Внешнее кольцо 11 радиально-упорного подшипника 8 закреплено во втулке 12, в которой проделан радиальный вырез 13. В радиальном вырезе 13 закреплена горизонтально ось 14. На оси 14 закреплен радиальный подшипник 15. Верхняя часть радиального подшипника 15 выступает над верхней поверхностью втулки 12 и соприкасается с поверхность ведущего шара 1. Внутреннее кольцо радиально- упорного подшипника 8 закреплено на оси 9, которая закреплена в корпусе шарового манипулятора (вариант 2).The outer ring 11 of the angular contact bearing 8 is fixed in the sleeve 12, in which the radial cutout 13 is made. In the radial cutout 13, the axis 14 is fixed horizontally. On the axis 14, the radial bearing 15 is fixed. The upper part of the radial bearing 15 protrudes above the upper surface of the sleeve 12 and is in contact with the surface of the driving ball 1. The inner ring of the angular contact bearing 8 is fixed on the axis 9, which is fixed in the casing of the manipulator (option 2).

Координатные преобразователи 6 и 7 установлены на печатной плате (на чертежах плата не показана). В каждом координатном преобразователе 6 и 7 установлены две соосные пары светодиод 16 и фотодиод 17.Coordinate converters 6 and 7 are mounted on a printed circuit board (the board is not shown in the drawings). In each coordinate converter 6 and 7, two coaxial pairs of LED 16 and photodiode 17 are installed.

Шаровой манипулятор работает следующим образом. Человек-оператор вращает ведущий шар 1, который постоянно находится в зацеплении (кинематически связан) с двумя взаимно-перпендикулярными ведомыми валиками 2 и 3. Плавность вращения ведущего шара 1 в любом направлении обеспечивает его нахождение между радиальным подшипником 15 (снизу), ведомыми валиками 2 и 3 (с боков), к которым ведущий шар 1 прижимается боковым элементом подвески. При вращении ведущего шара 1 ведомые валики 2 и 3 раскладывают вектор скорости вращения ведущего шара 1 на два взаимно перпендикулярных вектора скорости вращения самих ведомых валиков 2 и 3. Таким образом, если вращение ведущего шара 1 происходит строго в глубину (из глубины) шарового манипулятора, то ведущий шар 1 вращает только ведомый валик 2 - вектора скорости ведущего шара 1 и ведомого валика 2 совпадают. Ведомый валик 3 при этом не вращается, т.к. вектор скорости ведущего шара 1 параллелен оси ведомого валика 3. Аналогичное (и обратное, указанному выше) взаимодействие происходит между ведущим шаром 1 и ведомыми валиками 3 и 2 при направлениях его вращения по ширине шарового манипулятора. При этом ведомый валик 3 вращается, ведомый валик 2 не вращается. При направлениях вращения ведущего шара 1, отличных от указанных выше, его вектор скорости раскладывается на два вектора ведомых валиков 2 и 3. На осях ведомых валиков 2 и 3 установлены кодовые колеса 4 и 5, которые при вращении соответствующего валика вращаются в пазах координатных преобразователей 6 и 7. Каждое кодовое колесо 4 и 5 выполнено в виде круговой пластины, по краям которой нанесены радиальные вырезы - зубья. Зубья закрывают поочередно световой поток между соосными парами светодиод 16 и фотодиод 17 в каждом координатном преобразователе 6 и 7, которые установлены на печатной плате. Импульсные сигналы с фотодиодов 17 имеют длительность и фазу, зависящие от скорости и направления вращения ведущего шара 1.The trackball works as follows. The human operator rotates the leading ball 1, which is constantly engaged (kinematically connected) with two mutually perpendicular driven rollers 2 and 3. The smooth rotation of the leading ball 1 in any direction ensures its location between the radial bearing 15 (bottom), driven rollers 2 and 3 (from the sides) to which the driving ball 1 is pressed by the side suspension element. When the leading ball 1 rotates, the driven rollers 2 and 3 decompose the rotation speed vector of the leading ball 1 into two mutually perpendicular rotation speed vectors of the driven rollers 2 and 3. Thus, if the rotation of the leading ball 1 occurs strictly in depth (from the depth) of the manipulator, then the leading ball 1 rotates only the driven roller 2 - the speed vectors of the leading ball 1 and the driven roller 2 coincide. The driven roller 3 does not rotate, as the velocity vector of the leading ball 1 is parallel to the axis of the driven roller 3. A similar (and reverse, to the above) interaction occurs between the leading ball 1 and the driven rollers 3 and 2 with directions of rotation along the width of the trackball. While the driven roller 3 rotates, the driven roller 2 does not rotate. When the directions of rotation of the driving ball 1 are different from those indicated above, its velocity vector is decomposed into two vectors of the driven rollers 2 and 3. On the axes of the driven rollers 2 and 3, code wheels 4 and 5 are installed, which rotate in the grooves of the coordinate converters 6 when the corresponding roller is rotated and 7. Each code wheel 4 and 5 is made in the form of a circular plate, along the edges of which there are radial cuts - teeth. The teeth close alternately the luminous flux between the coaxial pairs of the LED 16 and the photodiode 17 in each coordinate converter 6 and 7, which are mounted on the printed circuit board. The pulsed signals from the photodiodes 17 have a duration and phase, depending on the speed and direction of rotation of the leading ball 1.

Плавность вращения ведущего шара 1 в любом направлении обеспечивает его соприкосновение и упор на поверхность радиального подшипника 15. Допустим, что в момент начала вращения ведущего шара 1 радиальный подшипник 15 находится в положении, когда его вертикальная плоскость симметрии не совпадает с плоскостью направления вращения ведущего шара 1. За счет совместного сцепления поверхностей (силы трения) внешнего кольца радиального подшипника 15 и ведущего шара 1 ось 9 (фиг.1) или втулка 12 (фиг.2) повернутся с радиально-упорным подшипником 8 таким образом, что плоскость симметрии совпадет с плоскостью направления вращения.The smooth rotation of the leading ball 1 in any direction ensures its contact and emphasis on the surface of the radial bearing 15. Assume that at the moment of the start of rotation of the leading ball 1, the radial bearing 15 is in a position where its vertical plane of symmetry does not coincide with the plane of the direction of rotation of the leading ball 1 Due to the joint adhesion of the surfaces (friction force) of the outer ring of the radial bearing 15 and the driving ball 1, the axis 9 (figure 1) or the sleeve 12 (figure 2) will rotate with the angular contact bearing 8 in such a way azom that the symmetry plane will coincide with the plane of rotation.

Высота предлагаемого шарового манипулятора по сравнению с известным сокращается на высоту поворотной Г-образной оси с двумя подшипниками качения на ее концах. При использовании в этой втулке подшипника качения с внешним диаметром равным 8 мм ее высота составит около 20 мм, что существенно для высоты предлагаемого шарового манипулятора, соизмеримой с диаметром ведущего шара 1 (например 60 мм).The height of the proposed ball manipulator compared with the known is reduced by the height of the rotary L-shaped axis with two rolling bearings at its ends. When a rolling bearing with an external diameter of 8 mm is used in this bushing, its height will be about 20 mm, which is essential for the height of the proposed spherical arm, comparable with the diameter of the driving ball 1 (for example, 60 mm).

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Предложенный шаровой манипулятор промышленно реализуем, позволяет уменьшить габаритные размеры без уменьшения диаметра ведущего шара 1, улучшить его технические характеристики, расширить область применения.The proposed ball manipulator is industrially implemented, it allows to reduce overall dimensions without reducing the diameter of the leading ball 1, to improve its technical characteristics, and to expand the scope.

Claims

1. A ball manipulator, comprising a driving ball and two mutually perpendicular driven rollers located in the housing and kinematically connected to each other, on the axes of which are set code wheels and associated coordinate converters, the lower and lateral suspension elements of the driving ball are fixed in the housing, the lower suspension element the leading ball is made in the form of an angular contact bearing, the axis of rotation of which is located vertically and passes through the center of the leading ball, the axis of the radial bearing, on which is fixed A plain bearing is arranged horizontally, the axes of these bearings being perpendicular and not intersecting, the outer ring of the angular contact bearing is fixed in the sleeve, characterized in that the height of the sleeve and the height of the axis of the angular contact bearing are smaller than the height of the outer ring of the angular contact bearing, the sleeve and the axis of the angular contact bearing has radial cuts, a part of the surface of the radial bearing protrudes above the lateral surface of the angular contact bearing and interacts with the surface of the leads conductive ball.

2. The trackball according to claim 1, characterized in that the radial bearing has a diameter smaller than the radius of the inner ring of the angular contact bearing, the axis of the radial bearing is fixed in the radial cutout of the axis of the angular contact bearing, the sleeve of the angular contact bearing is fixed in the ball housing the manipulator.

3. The trackball according to claim 1, characterized in that the radial bearing has a diameter less than or equal to the diameter of the angular contact bearing, the axis of the radial bearing is fixed in the radial cutout of the sleeve of the angular contact bearing, the axis of the angular contact bearing is fixed in the housing of the trackball .