Шаровой манипулятор

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в системах отображения информации для перемещения курсора на экране растрового монитора. Технический результат заключается в уменьшении габаритных размеров без уменьшения диаметра ведущего шара, повышении удобства работы. Сущность изобретения состоит в том, что нижний элемент подвески ведущего шара выполнен в виде плоской связки двух подшипников качения, оси вращения которых перпендикулярны и не пересекаются, причем подшипник качения, ось которого вертикальна вращается или внутри втулки, закрепленной в корпусе шарового манипулятора, или на оси, закрепленной в корпусе шарового манипулятора. Плавность и скорость вращения ведущего шара не зависят от направления его вращения, и существенно уменьшается высота шарового манипулятора без уменьшения диаметра ведущего шара. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Область техники

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.

Уровень техники

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).

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.

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).

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.

Сущность изобретения

Предлагаемый шаровой манипулятор позволяет уменьшить габаритные размеры и расширить область применения.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Перечень чертежей

На фиг.1 изображен механизм шарового манипулятора (вариант 1).

На фиг.2 изображен механизм шарового манипулятора (вариант 2).

Пример варианта выполнения изобретения

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).

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).

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.

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.

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.

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).

Промышленная применимость

Предложенный шаровой манипулятор промышленно реализуем, позволяет уменьшить габаритные размеры без уменьшения диаметра ведущего шара 1, улучшить его технические характеристики, расширить область применения.

1. Шаровой манипулятор, содержащий 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, отличающийся тем, что 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.

2. Шаровой манипулятор по п.1, отличающийся тем, 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.

3. Шаровой манипулятор по п.1, отличающийся тем, 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.