BG109733A

BG109733A - Manipulator

Info

Publication number: BG109733A
Application number: BG109733A
Authority: BG
Inventors: Атанас ДОБРИНОВ; Величко ДОБРИНОВ; Роман ЗАХАРИЕВ; Димитър КАРАСТОЯНОВ
Original assignee: Централна Лаборатория По Мехатроника И Приборостроене - Бан
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2008-05-30
Also published as: BG66064B1

Abstract

The manipulator finds application in the creation of realistic simulation systems for training purposes, for telecontrol in robotics, micro robotics and automation, in the rehabilitation sphere, for handicap and disabled people, in entertainment activities, etc. The use of rotary driving mechanisms of the Voice Coil Actuator type for the realization of tactile feedback helps to avoid the losses of using gear or friction drives as well as the positioning errors caused by wind ages and hysteresis, to improve the speed and dynamic characteristics, to extend the scope of the tactile feedback, to achieve linear dependence between the tension fed to the rotors of the rotary driving mechanisms and the tactile force at the output of the device for each point of the tactile feedback scope. The tactile feedback manipulator consists of a body (1) with a mobile hub (2) resting on bearings therein, a handle (3) being attached to the hub (2) for the latter to tilt simultaneously along the axes X and Y, while turning at the same time to one or to the other direction the two perpendicular to each other shafts (4 and 5) running through it and with their middle portions fixed to it, one of the shafts being directed along the axis X and the other û along the axis Y, the movable portion of encoders (6 and 7) being mounted at one end of each of the two shafts (4 and 5), while at the other end thereof the rotors (8 and 9) are mounted of the rotary driving mechanisms of the Voice Coil Actuator type, and the stators (10 and 11) of the rotary driving mechanisms and the immovable cases of the encoders (6 and 7) are fixed to the body (1).

Description

ОБЛАСТИ НА ПРИЛОЖЕНИЕAREAS OF APPLICATION

Изобретението се отнася до манипулатор за тактилна обратна връзка, поспециално с две степени на свобода, което ще намира приложение за създаването на реалистични симулационни системи за обучение, за телеуправление в роботиката, микророботиката и автоматиката, в рехабилитационната дейност, при хора с увреждания и инвалиди, в развлекателната дейност и пр.The invention relates to a tactile feedback manipulator, especially with two degrees of freedom, which will find application for the creation of realistic simulation training systems, for telecontrol in robotics, micro-robotics and automatics, in rehabilitation, for people with disabilities and disabilities, in entertainment, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известно е устройство за тактилна обратна връзка с две степени на свобода [1], състоящо се от тяло, в което лагерува подвижна главина с присъединена’ към нея ръкохватка, с помощта на която главината може да се накланя едновременно по осите X и Y като в същото време завърта в едната или другата посока фиксираните в средата си към нея два перпендикулярни един спрямо друг валове, единият насочен по оста X, а другият - по Y, като в единия си край към всеки от двата вала е монтирана подвижната част на енкодер, а в другия - зъбна или фрикционна предавка, куплирана към оста на един от двата постояннотокови двигателя.A tactile feedback device with two degrees of freedom is known [1], consisting of a body in which a movable hub with an attached handle is supported, by which the hub can be tilted simultaneously along the X and Y axes as in at the same time it rotates two orthogonal shafts fixed in its center in one direction or the other, one directed along the X axis and the other Y axis, with the movable part of the encoder mounted at one end of each shaft. and in the other a gear or friction gear, ku plated to the axis of one of the two DC motors.

Недостатък на известното устройство за тактилна обратна връзка е използването на постояннотокови електродвигатели за създаване на необходимото тактилно усилие, за които са характерни недобрите електрически и механични времеконстанти, в резултат на което скоростните и динамичните характеристики на устройството са незадоволителни.A disadvantage of the known tactile feedback device is the use of DC motors to create the necessary tactile force, characterized by poor electrical and mechanical time constants, resulting in the speed and dynamic characteristics of the device are unsatisfactory.

Освен това недостатък е и ограничения обхват на реализуемата тактилната обратна връзка, вследствие от зъбната или фрикционна предавка, което не може да осигури на оператора реалистично и близко до действителността тактилно възприятие.Another disadvantage is the limited range of tactile feedback that can be realized as a result of gear or friction gear, which cannot provide the operator with a realistic and realistic tactile perception.

Друг недостатък е ниският коефициент на преобразуване на електричната енергия в механична в резултат на загубите от задължителното използване на зъбни или фрикционни предавки.Another disadvantage is the low rate of conversion of electrical energy into mechanical as a result of losses from the mandatory use of gears or gears.

Освен това недостатък е и наличието на грешки при позиционирането в резултат на луфтове и хистерезис в задвижващата система.The disadvantage is the presence of positioning errors due to backlash and hysteresis in the propulsion system.

Недостатък при използването на постояннотокови електродвигатели и зъбни или фрикционни предавки е и необходимостта от периодични настройки и обслужване.A disadvantage of using DC motors and gears or gears is the need for periodic adjustments and maintenance.

Недостатък е и усложнената конструкция, както и неудобната за реализация технология.The disadvantage is the complicated construction as well as the inconvenient technology.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОSUMMARY OF THE INVENTION

Задачата на изобретението се решава, като е създаден манипулатор за тактилна обратна връзка с подобрени скоростни и динамични характеристики, точност на позициониране и разширен обхват на тактилна обратна връзка, както и елиминиране на необходимостта от периодични настройки и обслужване, с опростена конструкция и удобна за реализация технология.The object of the invention is solved by creating a tactile feedback manipulator with improved speed and dynamic characteristics, positioning accuracy and extended range of tactile feedback, as well as eliminating the need for periodic adjustments and maintenance, with a simple construction and easy to implement technology.

Задачата на изобретението се решава, като е създаден манипулатор за тактилна обратна връзка, състоящ се от тяло, в което лагерува подвижна главина, с присъединена към нея ръкохватка, с помощта на която главината може да се накланя едновременно по осите X и Y, като в същото време завъртаThe object of the invention is solved by creating a tactile feedback manipulator consisting of a body in which a movable hub is mounted, with a handle attached to it, by which the hub can be tilted simultaneously on the X and Y axes, such as in the same time rotated

в едната или другата посока преминаващите през нея и фиксираните в средата си към нея два перпендикулярни един спрямо друг валове, единият насочен по оста X, а другият - по Y, като в единия си край към всеки от двата вала е монтирана подвижната част на енкодери, а към другия им край са монтирани роторите на ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator, като статорите на ротационните задвижващи механизми, както и неподвижните корпуси на енкодерите са неподвижно фиксирани към тялото.in one direction or the other, two shafts perpendicular to each other passing through it and fixed in its middle, one directed along the X axis and the other directed along the Y, with the movable part of the encoders mounted at one end to each of the two shafts. , and to the other end are mounted rotors of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type, with the stators of the rotary actuators as well as the fixed encoder housings fixed to the body.

Предимство на изобретението са изключително ниските електрически и механични времеконстанти, в резултат на което скоростните и динамичните му характеристики са безпрецедентни при използването на ротационния задвижващ механизъм от типа Voice Coil Actuator.An advantage of the invention is the extremely low electrical and mechanical time constants, which results in its speed and dynamic characteristics being unprecedented when using a Voice Coil Actuator rotary actuator.

Освен това предимство е и значително разширеният обхват на реализуемата тактилната обратна връзка вследствие на директната връзка на валовете към задвижващия механизъм от типа Voice Coil Actuator, което дава възможност на оператора за по-реалистично и близко до действителността тактилно възприятие.In addition, the significantly expanded range of feasible tactile feedback due to the direct coupling of the shafts to the Voice Coil Actuator actuator enables the operator to have a more realistic and close to tactile perception.

Друго предимство е много високият коефициент на преобразуване на електричната енергия в механична при използването на задвижващ механизъм от типа Voice Coil Actuator, като по този начин се елиминират загубите при зъбни или фрикционни предавки.Another advantage is the very high coefficient of conversion of electrical energy into mechanical, when using a Voice Coil Actuator-type actuator, thereby eliminating gear or friction losses.

Предимство е и отсъствието на грешки при позиционирането в резултат на луфтове и хистерезис в задвижващата система поради използването на директно задвижване на ръкохватката на устройството.The advantage is the absence of positioning errors due to backlash and hysteresis in the propulsion system due to the use of direct actuation of the handle of the device.

Предимство е и линейната зависимост между приложеното на намотките на ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator постоянно напрежение и въртящия момент на изходния им вал за всяка една точка от обхвата на движение, което дава възможност за удобното и много точно контролиране на подаваното усилие за реализиране на тактилната обратна връзка.An advantage is the linear relationship between the applied coils of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type DC voltage and the torque of their output shaft at each point of the range of motion, which allows for convenient and very precise control of the applied effort for realization of tactile feedback.

Друго предимство е, че избраният начин на задвижване се отличава с изключителната си надежност и безотказна работа и не се нуждае от допълнителни настройки и обслужване.Another advantage is that the chosen drive mode is remarkable for its exceptional reliability and trouble-free operation and does not require additional settings and maintenance.

Също така предимство е и изключително високата точност на позициониране на манипулирания обект.Also advantageous is the extremely high positioning accuracy of the manipulated object.

Предимство е и опростената конструкция и удобната за реализация технология.The advantage is the simplified construction and the easy-to-implement technology.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНАТА ФИГУРАDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURE

Приложената фигура 1 представлява поглед отгоре на Манипулатора за тактилна обратна връзка.Attached figure 1 is a top view of the tactile feedback manipulator.

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОEXAMPLE FOR THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Манипулатор за тактилна обратна връзка, състоящ се от тяло 1, в което лагерува подвижна главина 2, с присъединена към нея ръкохватка 3, с помощта на която главината 2 може да се накланя едновременно по осите X и Y, като в същото време завърта в едната или другата посока преминаващите през нея и фиксираните в средата си към нея два перпендикулярни един спрямо друг валове 4 и 5, единият насочен по оста X, а другият - по Y, като в единия си край към всеки от двата вала 4 и 5 е монтирана подвижната част на енкодери 6 и 7, а към другия им край са монтирани роторите 8 и 9 на ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator, като статорите 10 и 11 на ротационните задвижващи механизми, както и неподвижните корпуси на енкодерите 6 и 7 са неподвижно фиксирани към тялото 1.A tactile feedback manipulator consisting of a body 1 in which a movable hub 2 is mounted, with a handle 3 attached to it, by which the hub 2 can be tilted simultaneously on the X and Y axes while rotating in one or the other direction passing through it and fixed in its center two perpendicular to each other shafts 4 and 5, one directed along the axis X and the other directed along the Y, with one end mounted on each of the two shafts 4 and 5 the movable part of the encoders 6 and 7, and to their other end are mounted rotorite is 8 and 9 of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type, with the stators 10 and 11 of the rotary actuators as well as the fixed encoder housings 6 and 7 fixed to the body 1.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОAPPLICATION OF THE INVENTION

Манипулаторът за тактилна обратна връзка работи по следния начин: При задвижване на ръкохватката 3 подвижната главина 2, лагеруваща в тялото 1, се накланя едновременно в зададените посоки по осите X и Y като в същото време завърта в едната или другата посока преминаващите през нея и фиксираните в средата си към нея перпендикулярни един спрямо друг валове 4 и 5, единият насочен по оста X, а другият - по Y. При въртенето си валовете 4 и задвижват в единия си край ротора 8, съответно 9 на ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator, а в другия - подвижната част на енкодерите 6 и 7,чийто неподвижни корпуси са фиксирани към тялото 1.The tactile feedback manipulator works as follows: When the handle 3 is actuated, the movable hub 2, bearing in the body 1, tilts simultaneously in the specified directions on the X and Y axes, while rotating in one or the other direction passing through it and fixed. in the middle of it are perpendicular to each other shafts 4 and 5, one directed on the axis X and the other - on Y. As they rotate the shafts 4 and drive at one end of the rotor 8, respectively 9 of the rotary actuators of type Voice Coil Actuator, and in the other - n moving part of the encoders 6 and 7, whose stationary shells are fixed to the body 1.

В резултат на действието на енкодерите 6 и 7 и високата им разделителна способност се гарантира прецизното отчитане във всеки един момент на ъгъла на завъртане на съответния вал 4 и 5, което точно съответства на ъгъла на наклона на ръкохватката 3 по посока на осите X и Y. Показанията на енкодерите и 7 във всеки един момент се подават като управляващи сигнали към управляваното устройство и определят моментното позициониране на задвижващите му механизми по двете му степени на свобода.Due to the action of the encoders 6 and 7 and their high resolution, accurate reading at every moment of the angle of rotation of the respective shaft 4 and 5 is guaranteed, which corresponds exactly to the angle of inclination of the handle 3 in the direction of the X and Y axes The readings of the encoders and the 7 at all times are given as control signals to the controlled device and determine the instantaneous positioning of its actuators in its two degrees of freedom.

Информацията какви усилия упражняват тези задвижващи механизми по двете степени на свобода на управляваното устройство се подава обратно като адекватни по стойност напрежения към намотките на роторите 8 и 9 на ротационните задвижващи механизми на Манипулатора за тактилна обратна връзка. Под въздействието и в резултат на тези напрежения възникващите въртящи моменти в роторите 8 и 9, посредством валовете 4 и 5 и подвижната главина 2 оказват противодействие на задвижването на ръкохватката 3 в съответната посока и по X и Y, а оттам и върху ръката на оператора в съответствие с избрания мащаб и обхват на тактилната обратна връзка.Information about the efforts exerted by these actuators on the two degrees of freedom of the controlled device is fed back as adequate in value to the windings of the rotors 8 and 9 of the rotary actuators of the Tactile Feedback manipulator. Under the influence and as a result of these voltages, the resulting torques in the rotors 8 and 9, by means of the shafts 4 and 5 and the hub 2, counteract the drive of the handle 3 in the respective direction and along X and Y, and hence on the operator arm in compliance with the selected scale and range of tactile feedback.

Claims

Patent Claim

A tactile feedback manipulator comprising a body (1), a movable hub (2) with a handle (3) and passing through the hub (2) and two shafts (4) and (5) fixed perpendicular to it. the movable part of the encoders (6) and (7) being fitted at one end to each of the two shafts (4) and (5), characterized in that at the other end, to each of the two shafts (4) and (5) the rotor (8) and (9) of the rotary actuator of the Voice Coil Actuator type are mounted, such as the stators (10) and (11) of the actuators, as well as the fixed enclosure housings derivative (6) and (7) are rigidly fixed to the body (1).