BG109927A

BG109927A - Spherical joint

Info

Publication number: BG109927A
Application number: BG109927A
Authority: BG
Inventors: Атанас ДОБРИНОВ; Роман ЗАХАРИЕВ; Величко ДОБРИНОВ
Original assignee: Централна Лаборатория По Мехатроника И Приборостроене - Бан
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-30

Abstract

The spherical joint finds application in robotics, microrobotics and automatics, in assembly operations, in medicine for the needs of putting on prostheses, in the entertainment business to create a variety of lighting effects, etc. Due to the use of rotary actuators of the type Voice Coil Actuator connection, losses are eliminate of using gear as well as positioning errors resulting from clearances and hysteresis, the speed and dynamic characteristics are improved, the scope of tilting is significantly broadened of the spherical hub in the two degrees of freedom as a result of the direct connection of the shafts (4 and 5) to the rotary actuators of the type Voice Coil Actuator, which realize a significant angle of rotation. The spherical joint comprises a body (1), in which there rests a mobile hub (2) with a console (3) attached thereto. The hub (2) can tilt simultaneously along the X and Y axes as a result of the rotation in either direction of two perpendicular to one another shafts (4 and 5) running through the hub and with their middle portions mounted to it, one of them being directed along the axis X and the other along the axis Y, whereat at one end to each of the two shafts (4 and 5) there is fitted the mobile part of encoders (6 and 7), and to the other end there are fitted the rotors (8 and 9) of rotary actuators of the type Voice Coil Actuator. The stators (10 and 11) of the rotary actuators, as well as the immovable bodies of the encoders (6 and 7) are fixed to the body (1). The operation of the encoders (6 and 7) and their high resolution power ensure accurate reading at any time of the angle of rotation of the respective shaft (4 and 5), which exactly corresponds to the angle of tilting of the console (3) towards the axes X and Y. At any time, the reading of the encoders (6 and 7) are submitted to the control device that continuously monitors the current positioning of the output console (3) and determines the further conduct of the device in accordance with its selected control algorithm. The linear dependence between the constant voltage applied to the windings of the rotary actuators of the type Voice Coil Actuator and the torque of their output shaft for each point of the range of movement allows the convenient and very precise control of the realized output effort of the electromagnetic joint.

Description

ОБЛАСТИ НА ПРИЛОЖЕНИЕAREAS OF APPLICATION

Изобретението се отнася до електромагнитна сферична става, по-специално с две степени на свобода, което ще намира приложение в роботиката, микророботиката и автоматиката, при монтажни операции, в медицината за целите на протезирането, в развлекателната дейност за създаване на разнообразни светлинни ефекти и пр.The invention relates to an electromagnetic ball joint, in particular with two degrees of freedom, which will be used in robotics, microbotics and automation, in assembly operations, in medicine for prosthetics, in the entertainment activity to create a variety of light effects, etc. .

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАBACKGROUND OF THE INVENTION

Известно е устройство на сферична става за използване в роботиката с две степени на подвижност [1], състоящо се от тяло и лагеруваща в него сферична главина с назъбена външна повърхнина и три задвижващи зъбни колела, които са зацепени за зъбите на сферичната главина и са симетрично разположени около диаметъра й на ъгъл 120° едно спрямо друго. Ставата има възможност да се завърта около всяка ос на ротация, която лежи в равнината, дефинирана от трите контактни точки на задвижващите зъбни колела и сферичната главина. Всяко едно от тези три зъбни колела се привежда в движение от отделен електродвигател посредством зъбни предавки. Чрез управление на посоката и степента на завъртане на всяко едно от трите зъбни колела е възможно завъртането на сферичната става около желана ос на ротация.A ball joint device is known for use in robotics with two degrees of mobility [1], consisting of a body and a ball bearing therein with a serrated outer surface and three drive gears which are engaged to the teeth of the spherical hub and are symmetrical located about 120 mm in diameter from one another. The joint is able to rotate about each axis of rotation lying in the plane defined by the three contact points of the drive gears and the ball hub. Each of these three gears is driven by a separate electric motor through gears. By controlling the direction and the degree of rotation of each of the three gears, it is possible to rotate the spherical joint about the desired axis of rotation.

Недостатък на известното устройство на сферична става за използване в роботиката е използването на три постояннотокови електродвигатели, за които са характерни недобрите електрически и механични времеконстанти, в резултат на което скоростните и динамичните характеристики на устройството са незадоволителни, за създаване на необходимото накланяне в желаната посока на сферичната главина.A disadvantage of the known spherical joint device for use in robotics is the use of three DC motors characterized by poor electrical and mechanical time constants, resulting in the speed and dynamic characteristics of the device are unsatisfactory, to create the necessary tilt in the desired direction. spherical hub.

Освен това недостатък е и ограничения обхват в резултат на неизбежните конструктивни ограничения, при накланяне на сферичната главина по двете степени на свобода.Moreover, the limited scope is a disadvantage as a result of the inevitable design constraints, in the tilting of the spherical hub in both degrees of freedom.

Недостатък е и отсъствието на линейна зависимост между упражняваното изходно усилие от сферичната става и подаваното напрежение на съответните електродвигатели.A disadvantage is the absence of a linear relationship between the exerted output force from the spherical joint and the applied voltage of the respective motors.

Друг недостатък е ниският коефициент на преобразуване на електричната енергия в механична в резултат на загубите от използване на зъбните предавки.Another disadvantage is the low coefficient of conversion of electrical energy into mechanical as a result of losses from the use of gears.

Освен това недостатък е и наличието на грешки в резултат на хлабини и хистерезис в задвижващата система при процеса на позициониране.Furthermore, the disadvantage is the presence of errors due to slack and hysteresis in the propulsion system during the positioning process.

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

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

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОSUMMARY OF THE INVENTION

Задачата на изобретението е да се създаде сферична става с подобрени скоростни и динамични характеристики и точност на позициониране, с разширен обхват на накланяне на ставата по двете степени на свобода, с наличието наThe object of the invention is to provide a spherical joint with improved speed and dynamic characteristics and positioning accuracy, with an extended range of joint tilting at both degrees of freedom, with the presence of

• ••ft ·· ·· ft •ft ft···• •• ft ·· ·· ft • ft ft ···

линейна зависимост между упражняваното изходно усилие и подаваното напрежение на входа на устройството, както и елиминиране на необходимостта от периодични настройки и обслужване, с опростена и олекотена конструкция и удобна за реализация технология.linear dependence between the exerted output force and the input voltage at the input of the device, as well as eliminating the need for periodic adjustments and maintenance, with a simplified and lightweight construction and easy to implement technology.

Задачата на изобретението се решава, като е създадена електромагнитна сферична става, състояща се от тяло, в което лагерува подвижна главина с монтирана към нея конзола, като главината може да се накланя едновременно по осите X и Y в резултат на завъртането в едната или другата посока на преминаващите през нея и фиксирани 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 монтирана към тялото.The object of the invention is solved by creating an electromagnetic ball joint consisting of a body in which a movable hub is mounted with a bracket mounted thereon, the hub can be tilted simultaneously on the X and Y axes as a result of rotation in one or the other direction of the shafts passing through it and fixed in its middle, two perpendicular to each other shafts, one directed along the X axis and the other directed along the Y, with the movable part of the encoders mounted at one end of each shaft, and their other ends are mounted and the rotors of the rotary actuators of the type Voice Coil Actuator, such as the stators of the rotary actuators, and stationary housings of the encoders are fixedly mounted 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 ротационните задвижващи механизми 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 rotary actuators of the Voice Coil Actuator type.

Освен това предимство е и значително разширеният обхват на накланяне на сферичната главина по двете степени на свобода вследствие на директната връзка на валовете към ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator, които осъществяват значителен ъгъл на завъртане.Also advantageous is the significantly extended range of the hub tilting at the two degrees of freedom due to the direct connection of the shafts to the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type, which have a significant rotation angle.

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 използване на зъбни предавки.Another advantage is the very high coefficient of conversion of electrical energy into mechanical, when using a Voice Coil Actuator-type actuator, thus eliminating losses when using gears.

Предимство е и отсъствието на грешки при позиционирането в резултат на луфтове и хистерезис в задвижващата система, поради използването на директно задвижване на главината, а от там и на изходната конзола на устройството.The advantage is the absence of positioning errors as a result of backlash and hysteresis in the propulsion system, due to the use of the direct drive of the hub and hence the output bracket 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 реализираното изходно усилие на електромагнитната сферична става.An advantage is the linear relationship between the applied coil of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type DC voltage and the torque of their output shaft for each point of the range of motion, which allows for convenient and very precise control of the realized output force of the the electromagnetic spherical joint.

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 изходната конзола на устройствотоAlso advantageous is the extremely high positioning accuracy of the output console of the device

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

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНАТА ФИГУРАDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURE

Приложената фигура 1 представлява поглед отгоре на електромагнитната сферична става.Attached figure 1 is a top view of the electromagnetic ball joint.

·· »· · ·· ···· · ···· • · ··«·*· ·· · · * · · · • · · · · · * · ···· · 4· · ·· ·· · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · · ·

ПРИМЕР ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОEXAMPLE FOR THE IMPLEMENTATION OF THE INVENTION

Електромагнитна сферична става, състояща се от тяло 1, в което лагерува подвижна главина 2, монтирана към нея конзола 3, като главината 2 може да се накланя едновременно по осите X и Υ в резултат на завъртането в едната или другата посока на 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 Υ, 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.An electromagnetic ball joint consisting of a body 1 in which a movable hub 2 is mounted, a bracket 3 mounted thereon, the hub 2 can be tilted simultaneously along the axes X and Υ as a result of rotation in one or the other direction of passing through it and two shafts 4 and 5 perpendicular to each other fixed in the middle thereof, one directed along the X axis and the other directed Υ, with the movable part of the encoders 6 and 7 mounted at one end to each of the two shafts 4 and 5. , and rotors 8 and 9 are mounted on the other end of the rotary rear zhvashti mechanisms of the type Voice Coil Actuator, as the stators 10 and 11 of the rotary actuators, and stationary housings of the encoders 6 and 7 are rigidly fixed to the body 1.

ИЗПОЛЗВАНЕ НА ИЗОБРЕТЕНИЕТОAPPLICATION OF THE INVENTION

Електромагнитната става работи по следния начин:The electromagnetic joint works as follows:

Позиционирането на изходната конзола 3 на електромагнитната става в необходимата посока се осъществява с подаването на съответните постояннотокови напрежения към намотките на роторите 8, съответно 9 на ротационните задвижващи механизми от типа Voice Coil Actuator, които при привеждането си в движение завъртат в необходимите посоки двата перпендикулярни един спрямо друг валове 4 и 5, единият насочен по оста X, а другият - по Y, а така също и подвижната част на енкодерите 6, респективно 7. При завъртането си фиксираните в средата си към лагеруващата в тялото 1 подвижна главина 2, валове 4 и 5 я накланят в съответната посока заедно с присъединената към нея конзола 3.The positioning of the output bracket 3 of the electromagnetic joint in the required direction is carried out by applying the corresponding DC voltages to the windings of the rotors 8 and 9 respectively of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type which, when actuated, rotate the two perpendiculars in the required directions. relative to other shafts 4 and 5, one directed along the X axis and the other directed along the Y axis, as well as the movable part of the encoders 6, respectively, 7. When rotated, they are fixed in their center to the bearing in the body. then 1 mobile hub 2, shafts 4 and 5 had molded it in the direction along with its attaching bracket 3.

В резултат на действието на енкодерите 6 и 7 и високата им разделителна способност се отчита прецизно във всеки един момент на ъгъла на завъртане на съответния вал 4 и 5, което точно съответства на ъгъла на наклона на конзолата 3 по посока на осите X и Y. Показанията на енкодерите 6 и 7 във всеки един момент се подават към управляващото устройство, което непрекъснато следи моментното позициониране на изходната конзола 3 и определя по-нататъшното поведение на устройството в съответствие с избрания алгоритъм за управлението му.As a result of the action of the encoders 6 and 7 and their high resolution, the precise angle of rotation of the respective shaft 4 and 5 is accurately read at each moment, which corresponds exactly to the angle of inclination of the bracket 3 in the direction of the X and Y. The readings of the encoders 6 and 7 are fed at any time to the control device, which continuously monitors the instantaneous positioning of the output console 3 and determines the further behavior of the device in accordance with the chosen algorithm for its control.

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, дава възможност за удобното и много точно контролиране на реализираното изходно усилие на електромагнитната сферична става.The linear dependence of the applied coil of the rotary actuators of the Voice Coil Actuator type DC voltage and the torque of their output shaft for each point on the range of motion, makes it possible to conveniently and very accurately control the realized output force of the electromagnetic ball joint.

ЛИТЕРАТУРАREFERENCES

1. USP № 5,533,4181. USP No. 5,533,418

Claims

Patent Claim

A spherical joint comprising a body (1), a movable hub (2), characterized by the fact that through the hub (2), two perpendicular to each other shafts (4) and (5) are passed through and mounted in the middle thereof. a movable part of the encoders (6) and (7) is mounted at one end of each of the two shafts (4) and (5) and a rotor is mounted at the other end of each of the two shafts (4) and (5). (8) and (9) of the rotary actuator of the Voice Coil Actuator type, the stators (10) and (11) of the actuators as well as the fixed encoder housings (6) and (7) being fixedly mounted to the body (1).