PL222708B1 - Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia - Google Patents

Description

RZECZPOSPOLITA

POLSKA

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222708 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 397176 (51) Int.Cl.

B25J 9/18 (2006.01) G05G 9/04 (2006.01) G06F 3/033 (2006.01)

Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 29.11.2011 (54)

Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia

(43) Zgłoszenie ogłoszono: 10.06.2013 BUP 12/13	(73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA ŁÓDZKA, Łódź, PL
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.08.2016 WUP 08/16	(72) Twórca(y) wynalazku: LESZEK PODSĘDKOWSKI, Łódź, PL PAWEŁ ŻAK, Łódź, PL

PL 222 708 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia o co najmniej sześciu stopniach swobody, przeznaczonych do sterowania telemanipulatorami oraz do poruszania obiektami w przestrzeni wirtualnej.

Stosowane obecnie zadajniki położenia najczęściej zawierają moduł do zadawania położenia liniowego (o trzech stopniach swobody) oraz umieszczony na nim moduł do zadawania położenia kątowego (również o trzech stopniach swobody). Zarówno moduł zadawania położenia kątowego jak i moduł zadawania położenia liniowego stanowią sztywne człony połączone przegubami obrotowymi lub postępowymi. Zadajniki położenia posiadają strukturę otwartą, gdy każdy z członów jego modułów jest połączony z co najwyżej dwoma przegubami lub zamkniętą, gdy niektóre spośród członów jego modułów są połączone z więcej niż dwoma przegubami. W przegubach tych zadajników są umieszczone czujniki położenia kątowego do określania położenia końcówki roboczej - efektora uchwytu. W przegubach zadajników przeznaczonych do pracy w układzie z siłowym sprzężeniem zwrotnym są dodatkowo umieszczone układy napędowe.

Spotyka się także rozwiązania zadajników z umieszczonym na końcu łańcucha kinematycznego dodatkowym przegubem odpowiedzialnym za sterowanie dodatkowych urządzeń.

Stosowane obecnie zadajniki położeń cechują ograniczenia ruchu wynikające z ograniczeń m echanicznych ich konstrukcji, które w znaczący sposób wpływają ujemnie na ich funkcjonalność oraz przystępność dla obsługi, czyli obniżają wartość użytkową zadajników. Ograniczenia ruchu są bezpośrednim następstwem stosowania w tych zadajnikach typowych par kinematycznych - ogniw połączonych przegubami. Wówczas w zadajnikach, w których występują położenia osobliwe - takie, w których liczba stopni swobody jest zmniejszona, ruch w niektórych kierunkach jest niemożliwy, a poza tym przy użyciu tych zadajników nie jest możliwe osiągnięcie wszystkich położeń kątowych.

Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia o co najmniej sześciu stopniach swobody, zawierający interfejs użytkownika oraz czujniki do określania jego położenia kątowego, według wynalazku, jako interfejs użytkownika zawiera wydrążoną wewnątrz kulę z materiału ferromagnetycznego, o grubości ścianki, korzystnie poniżej 1,5 mm, wspartą na krawędziach bocznych trzech kołowych tarcz osadzonych obrotowo na wałach wyjściowych silników, z których każdy korzystnie jest wyposażony w przekładnię oraz w enkoder złączony ze sterownikiem i osadzony w otworze płyty stanowiącej podstawę modułu pod kątem korzystnie 30-80°, korzystnie 60°, w stosunku do powierzchni tej podstawy. W każdej z tarcz osadzonych na wałach silników, na jej obwodzie, są osadzone obrotowo, w równych od siebie odstępach, rolki wzajemnie przekoszonych osiach obrotu, leżących w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu tarczy. Do podstawy modułu, między tarczami z rolkami, jest przymocowany magnes trwały do dociskania kuli do powierzchni rolek, o wartości strumienia, korzystnie powyżej 0,1 T i kierunku namagnesowania nie pokrywającym się z pionem. Wewnątrz kuli jest umieszczony absolutny układ pomiarowy do określania jej aktualnego położenia kątowego, zawierający 3-osiowy czujnik przyspieszenia do określania kierunku pola grawitacyjnego, 3-osiowy czujnik pola magnetycznego do pomiaru pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes przymocowany do podstawy modułu oraz 3-osiowy żyroskop, korzystnie elektroniczny czujnik prędkości kątowych, przy czym układ ten jest połączony bezprzewodowo z komputerem, z którym są także złączone, za pom ocą sieci CAN sterowniki silników osadzonych w podstawie modułu. Komputer jest wyposażony w program do rejestrowania i przetwarzania danych przekazywanych z absolutnego układu pomiarowego określającego aktualne położenia kątowe kuli, korzystnie ze sterowników silników, oraz do sterowania na podstawie tych danych robotem telemanipulatorem lub do poruszania obiektem w przestrzeni wirtualnej. Płyta stanowiąca podstawę modułu zadawania położenia kątowego jest osadzona na interfejsie przyłączeniowym modułu zadawania położenia liniowego zadajnika.

Moduł zadawania położenia kątowego według wynalazku, zbudowany w oparciu o cierne przeniesienie napędu i absolutny układ pomiarowy, cechuje nieograniczony w żaden sposób zakres r uchów kątowych. Jedyne ograniczenie zakresu ruchów kątowych pochodzi od samego operatora i zakresu ruchów jego ręki, dzięki czemu praca z urządzeniem staje się dużo bardziej intuicyjna i wygo dna. Zastosowany w module według wynalazku magnes trwały umożliwia dociśnięcie kuli interfejsu do powierzchni rolek w stopniu umożliwiającym cierne przeniesienie napędu z kuli na rolki oraz sprawną realizację siłowego sprzężenia zwrotnego poprzez przeniesienie napędu z rolek na kulę przy jednoczesnym ograniczeniu do minimum poślizgów między rolkami i kulą interfejsu. Istotną cechą konstrukcji modułu według wynalazku jest całkowity brak przewodów transmisyjnych, które również narzucałyPL 222 708 B1 by ograniczenia ruchu. W celu zapewnienia komunikacji układu pomiarowego z jednostką sterującą wykorzystana jest komunikacja bezprzewodowa, za pomocą której w czasie rzeczywistym przesyłane są dane pomiarowe. Cecha ta sprawia również, że moduł został wyposażony we własne źródło zasilania. Zadajnik położenia z modułem według wynalazku umożliwia operatorowi pracę w trzech stopniach swobody - związanych z orientacją kiści. Zamocowanie modułu zadawania położenia kątowego według wynalazku na module zadawania położenia liniowego o strukturze przegubowej nie sprawia żadnego kłopotu.

Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia moduł zadawania położenia kątowego, w rzucie izometrycznym, fig. 2 - cały zadajnik położeń - moduł zadawania położenia kątowego osadzony na module zadawania położenia liniowego, w rzucie izometrycznym, zaś fig. 3 - schemat blokowy modułu zadawania położenia kątowego.

Moduł zadawania położenia kątowego zawiera interfejs użytkownika w postaci wydrążonej wewnątrz kuli 1 z materiału ferromagnetycznego, o grubości ścianki poniżej 1,5 mm, wspartej na krawędziach bocznych trzech kołowych tarcz 3 osadzonych obrotowo na wałach wyjściowych silników 4. Silniki 4, z których każdy jest wyposażony w przekładnię planetarną oraz enkoder złączony ze stero wnikiem EPOS2, są osadzone w otworach płyty stanowiącej podstawę 5 modułu pod kątem 60° w stosunku do powierzchni podstawy 5. W każdej z tarcz 3, na jej obwodzie, są osadzone obrotowo, w równych od siebie odstępach, rolki 6 o wzajemnie przekoszonych osiach obrotu leżących w płas zczyźnie prostopadłej do osi obrotu tarczy 3. Do podstawy 5 modułu, między tarczami 3 z rolkami 6, jest przymocowany magnes 2 o wartości strumienia ~0,390 T i kierunku namagnesowania nie pokrywającym się z pionem. Wewnątrz kuli 1 jest umieszczony absolutny układ pomiarowy do określania jej aktualnego położenia kątowego, zawierający 3-osiowy czujnik przyspieszeń do pomiaru kierunku pola grawitacyjnego, 3-osiowy czujnik Halla do pomiaru pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes 2 oraz 3-osiowy żyroskop - elektroniczny czujnik prędkości kątowych. Absolutny układ pomiarowy kuli 1 jest połączony za pomocą sieci bezprzewodowej Blue Tooth z komputerem PC. Z komputerem PC są także złączone, za pomocą sieci CAN, 3 sterowniki EPOS2 silników osadzonych w podstawie 5 modułu. Komputer PC jest wyposażony w program do rejestrowania i przetwarzania danych przekazywanych z absolutnego układu pomiarowego określającego aktualne położenie kątowe kuli 1 i sterowników EPOS2 silników i sterowania na podstawie tych danych robotem telemanipulatorem. Podstawa 5 modułu jest osadzona na interfejsie przyłączeniowym modułu zadawania położenia liniowego zadajnika, o strukturze przegubowej.

Kula 1 stanowiąca interfejs jest, za pomocą magnesu 2, dociskana do powierzchni rolek 6 osadzonych obrotowo w tarczach 3, co umożliwia cierne przeniesienie napędu z kuli 1 na rolki 6 z jednoczesnym wyeliminowaniem poślizgów między rolkami 6 i kulą 1. Użytkownik zadajnika ustawia kulę 1 w dowolnym położeniu, przy czym ograniczenie ruchu kątowego kuli 1 jest powodowane jedynie ogr aniczonym zakresem ruchów ręki użytkownika. Tarcze 3 osadzone na wałach silników 4 są w ten sposób wprawiane w ruch obrotowy. Dane z czujników absolutnego układu pomiarowego umieszczonego wewnątrz kuli 1 oraz dane z enkoderów silników 4 są przekazywane do komputera PC, który wykorzystuje je do sterowania telemanipulatorem. W przypadku działania siłowego sprzężenia zwrotnego informacja o wymaganych momentach działających na rękę operatora jest przetwarzana przez komputer PC na wartości prądów zadanych w silnikach 4. Wartości te są następnie przesyłane za pośrednictwem sieci CAN do sterowników EPOS2, które generują prądy płynące przez silniki 4. Silniki 4 generują momenty napędowe, przekazywane za pomocą tarcz 3 i rolek 6, poprzez siły tarcia, na kulę 1. Użytkownik odbiera te siły tarcia jako momenty pochodzące z siłowego sprzężenia zwrotnego.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia o co najmniej sześciu stopniach swobody, zawierający interfejs użytkownika oraz czujniki do określania jego położenia kątowego, znamienny tym, że jako interfejs użytkownika zawiera wydrążoną wewnątrz kulę (1) z materiału ferromagnetycznego, o grubości ścianki korzystnie poniżej 1,5 mm, wspartą na krawędziach bocznych trzech kołowych tarcz (3) osadzonych obrotowo na wałach wyjściowych silników (4), z któ rych każdy korzystnie jest wyposażony w przekładnię oraz enkoder złączony ze sterownikiem (EPOS2) i osadzony w otworze płyty stanowiącej podstawę (5) modułu pod kątem 30-80°, korzystnie 60°, w stosunku do powierzchni podstawy (5), nadto na obwodzie każdej z tarcz (3) osadzonych na wałach silników (4)

   PL 222 708 B1 są osadzone obrotowo, w równych od siebie odstępach, rolki (6) o wzajemnie przekoszonych osiach obrotu, leżących w płaszczyźnie prostopadłej do osi obrotu tarczy (3), zaś do podstawy (5) modułu, między tarczami (3) z rolkami (6), jest przymocowany magnes trwały (2) o wartości strumienia, korzystnie powyżej 0,1 T i kierunku namagnesowania nie pokrywającym się z pionem, natomiast wewnątrz kuli (1) jest umieszczony absolutny układ pomiarowy położenia kątowego kuli (1), połączony, korzystnie bezprzewodowo z komputerem (PC), z którym są także złączone, za pomocą sieci CAN, sterowniki (EPOS2) silników (4) osadzonych w podstawie (5) modułu, przy czym komputer (PC) jest wyposażony w program do rejestrowania i przetwarzania danych przekazywanych z absolutnego układu pomiarowego położenia kątowego kuli (1) i korzystnie ze sterowników (EPOS2) silników (4) oraz do sterowania na podstawie tych danych telemanipulatorem lub obiektami w przestrzeni wirtualnej.
2. 2. Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia według zastrz. 1, znamienny tym, że absolutny układ pomiarowy położenia kątowego kuli (1) zawiera 3-osiowy czujnik przyspieszeń do pomiaru kierunku pola grawitacyjnego, 3-osiowy czujnik pola magnetycznego do pomiaru pola magnetycznego wytwarzanego przez magnes (2) oraz 3-osiowy żyroskop, korzystnie elektroniczny czujnik prędkości kątowych.
3. 3. Moduł zadawania położenia kątowego zadajników położenia według zastrz. 1, znamienny tym, że płyta (5) stanowiąca podstawę tego modułu jest osadzona na interfejsie przyłączeniowym modułu zadawania położeń liniowych zadajnika.