УСТРОЙСТВО И СПОСОБ РАЗМАТЫВАНИЯ И СМАТЫВАНИЯ ШНУРА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
DEVICE AND METHOD OF UNWINDING AND WINDING POWER CORD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение касается устройства для разматывания и сматывания шнура электропитания, которое содержит электрический двигатель и два приводных звена для намотки шнура, при этом первое звено представляет собой барабан для намотки шнура, а второе звено является управляющим элементом для зацепления шнура на расстоянии от барабана, причем двигатель может приводить в движение одно из двух звеньев, предназначенных для намотки шнура, в двух направлениях.
ИЗВЕСТНЫЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Подобное устройство раскрыто в US-A-4736826. В этой публикации описан подвижный робот, на который подается питание через электрический шнур от стационарной консоли, расположенной на удалении. Робот несет на себе устройство управления шнуром, которое хранит в себе шнур, а также разматывает и сматывает шнур по необходимости. Устройство удерживает шнур с нулевым натяжением, когда робот удаляется, и сматывает его, когда робот возвращается обратно. Таким образом, робот может проделать извилистый путь без того, чтобы шнур запутался под препятствиями или вокруг них. Шнур хранится на барабане для намотки шнура и зацепляется с помощью управляющего элемента, который представляет собой вращающийся шкив, имеющий канавку. Шнур вдавливается в канавку при помощи вращающегося звена, так что между шнуром и шкивом создается трение. Первый электрический мотор приводит шкив в движение, чтобы размотать шнур, при этом шнур размотан с барабана. В результате барабан приводится в движение вторым электрическим двигателем скоординированным образом, чтобы обеспечить возможность соответствующей подачи шнура на вращающийся шкив. При обратном сматывании шнура второй двигатель приводит в движение барабан так, чтобы шнур собирался на барабане, в то время как упомянутый первый двигатель скоординированным образом управляет вращающимся шкивом, так чтобы шнур собирался на барабане в плотный моток.
Такое устройство для разматывания и сматывания шнура может быть использовано для многих целей, например для разматывания и сматывания шнура электропитания роботизированного пылесоса, когда пылесос перемещается в процессе выполнения уборки. Требуется, чтобы шнур разматывался и сматывался в соответствии со скоростью движения пылесоса контролируемым образом. Скорость движения пылесоса может быть измерена или рассчитана, и скорость разматывания или сматывания шнура может быть адаптирована к этой скорости с помощью средства управления.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для разматывания и сматывания шнура согласно публикации US-A-4736826 является сравнительно сложным, в частности, в силу наличия двух электрических двигателей, предназначенных соответственно для управления барабаном для намотки шнура и для приведения в движение управляющего элемента для шнура, а также в силу присутствия средства управления, предназначенного для управления скоростями работы обоих двигателей независимо друг от друга.
Задача изобретения заключается в создании устройства для разматывания и сматывания шнура электропитания, которое содержит барабан для намотки шнура и управляющий элемент для зацепления шнура на расстоянии от барабана, при этом один электрический двигатель соответствующим способом управляет барабаном для намотки шнура, также как и управляющим элементом.
Для решения этой задачи двигатель соединен не только с одним из звеньев для намотки шнура, создавая тяговое усилие, но также и с другим звеном для намотки шнура посредством муфты скольжения и муфты одностороннего вращения, так что упомянутое другое звено для намотки шнура может приводиться в движение с помощью двигателя в одном направлении посредством муфты скольжения, при этом упомянутое другое звено для намотки шнура может свободно совершать движение в обратном направлении со скоростью, меньшей чем скорость движения, задаваемая двигателем.
Муфта скольжения представляет собой хорошо известное устройство. Она обеспечивает передачу заданного вращающего момента, когда муфта скольжения приводится во вращение с большей скоростью, чем скорость вращения выходного звена муфты скольжения. Такая муфта скольжения известна, например, под торговой маркой «Ogura» как гистерезисная муфта на постоянных магнитах (Permanent-Magnetic Hysteresis Clutch) PHT. Муфта одностороннего вращения также является хорошо известным устройством. Она может передавать крутящий момент, когда приводится в движение в одном направлении вращения, при этом выходная скорость вращения равна входной скорости вращения, но когда муфта одностороннего вращения приводится в движение в другом направлении, вращательное движение не передается.
Согласно изобретению одно из двух звеньев для шнура (барабан или управляющий элемент) приводится в движение двигателем со скоростью, пропорциональной скорости работы двигателя, при этом скорость этого одного звена определяет скорость перемещения шнура (т.е. скорость разматывания шнура или скорость сматывания шнура). Другое звено для намотки шнура приводится в движение двигателем через муфту скольжения и муфту одностороннего вращения. На самом деле скорость вращения упомянутого другого звена для намотки шнура определяется скоростью шнура, для чего шнур между двумя звеньями для намотки шнура должен поддерживаться с определенным натяжением. Таким образом, когда шнур перемещается в направлении упомянутого другого звена для намотки шнура, это другое звено приводится в движение со столь высокой скоростью, что муфта скольжения проскальзывает, и шнур подтягивается к звену с определенной силой. Когда шнур перемещается от упомянутого другого звена для намотки шнура, это звено приводится в движение в другом направлении со столь высокой скоростью, что муфта одностороннего вращения обеспечивает пониженную скорость, которая соответствует скорости перемещения шнура.
Когда барабан для намотки шнура (упомянутое первое звено для намотки шнура) приводится в движение двигателем через муфту скольжения и муфту одностороннего вращения, управляющий элемент (упомянутое второе звено для намотки шнура) приводится в движение двигателем со скоростью, пропорциональной скорости двигателя. Скорость управляющего элемента, таким образом, определяет скорость перемещения шнура. Когда шнур сматывается обратно, управляющий элемент перемещает шнур по направлению к барабану, и барабан приводится в движение двигателем через муфту скольжения с относительно большой скоростью, так что муфта скольжения проскальзывает, в то время как шнур наматывается на барабан. Когда двигатель приводит в движение управляющий элемент в другом направлении, управляющий элемент оттягивает шнур с барабана, в ходе чего муфта одностороннего вращения позволяет барабану вращаться требуемым образом. Двигатель соответственно приводит во вращение входную часть муфты одностороннего вращения с относительно высокой скоростью, при этом муфта одностороннего вращения позволяет барабану свободно вращаться с пониженной скоростью.
В предпочтительном варианте осуществления двигатель соединен с управляющим элементом (упомянутым вторым звеном для намотки шнура), создавая тяговое усилие, через муфту скольжения для приведения в движение управляющего элемента в направлении размотки шнура, при этом отношение скорости вращения барабана к скорости вращения муфты скольжения (т.е. входной скорости муфты скольжения) таково, что муфта скольжения всегда осуществляет проскальзывание во время разматывания шнура с барабана. Муфта одностороннего вращения присутствует в соединении между двигателем и управляющим элементом, так что управляющий элемент (следовательно, и шнур) может свободно совершать движение в направлении сматывания с меньшей скоростью, чем скорость движения, задаваемая двигателем.
Во время сматывания шнур может быть заблокирован или по какой-то причине может временно понадобиться сматывать шнур с относительно высоким усилием. Такое повышенное на время тяговое усилие может обеспечиваться барабаном для намотки шнура. Упомянутое повышенное усилие может доставить проблемы, если управляющий элемент шнура является звеном, которое определяет скорость перемещения шнура. Таким образом, предпочтительно, чтобы управляющий элемент для шнура являлся звеном для намотки шнура, которое управляется с помощью муфты скольжения и муфты одностороннего вращения.
Предпочтительно управляющий элемент содержит ведущий шкив для зацепления шнура и вспомогательный шкив свободного вращения для проталкивания шнура на ведущий шкив. Ведущий шкив может иметь кольцевую канавку, так что вспомогательный шкив проталкивает шнур в канавку, чтобы ввести шнур в плотное зацепление без проскальзывания.
Может потребоваться, чтобы ведущий элемент прикладывал определенное усилие к шнуру, когда шнур сматывается назад барабаном. Таким образом, в предпочтительном варианте осуществления присутствует регулируемое средство для поджатия вспомогательного шкива к ведущему шкиву, так чтобы сопротивление управляющего элемента могло изменяться.
В предпочтительном варианте осуществления двигатель приводит в движение барабан для намотки шнура при помощи зубчатой передачи, содержащей, по меньшей мере, три последовательно расположенных зубчатых колеса, при этом двигатель соединен с зубчатым колосом, обладающим самой высокой скоростью вращения, барабан для намотки шнура соединен с зубчатым колесом, обладающим самой низкой скоростью вращения, а управляющий элемент соединен с зубчатым колесом, находящимся между ними. Таким образом, можно получить компактную конструкцию для управления обоими звеньями для намотки шнура при помощи электрического двигателя, как станет ясно из описания варианта осуществления изобретения.
Когда устройство встроено в мобильное устройство, такое как роботизированный пылесос, шнур должен разматываться и сматываться контролируемым образом. Путь передвижения мобильного устройства может измеряться и/или вычисляться, поскольку контролируется движение колес мобильного устройства и/или предметы в окружении устройства просматриваются камерой и т.п. Скорость разматывания или сматывания шнура, таким образом, может контролироваться, поскольку контролируется скорость вращения электрического двигателя. В предпочтительном варианте осуществления изобретения присутствует датчик для измерения скорости разматывания и скорости сматывания шнура, чтобы необходимая скорость перемещения шнура могла сравниваться с мгновенной скоростью перемещения, при этом управление двигателем может осуществляться на основе разности этих двух скоростей.
Датчик может распознавать отметки на шнуре, чтобы определить его скорость перемещения, однако в предпочтительном варианте осуществления датчик содержит колесико для определения скорости, которое поджимается к шнуру. В этом случае никаких специальных отметок на самом шнуре не требуется, ведь такие отметки могут исчезнуть при частом использовании устройства.
Изобретение также касается способа разматывания и сматывания шнура электропитания, при этом шнур разматывается и сматывается с помощью устройства, содержащего электрический двигатель и два ведомых звена для намотки шнура, при этом первое звено представляет собой барабан для намотки шнура, а второе звено является управляющим элементом, зацепляющим шнур на расстоянии от барабана, причем двигатель может управлять одним из двух звеньев для намотки шнура, при этом двигатель управляет другим звеном для намотки шнура посредством муфты скольжения и муфты одностороннего вращения, так что упомянутое другое звено для намотки шнура может приводиться в движение двигателем в одном направлении посредством муфты скольжения, причем упомянутое другое звено для намотки шнура может свободно совершать движение в противоположном направлении со скоростью, меньшей чем приводная скорость, задаваемая двигателем.
В публикации JP 07 171079 A раскрыто устройство для намотки шнура электропитания пылесоса. В публикации JP 07 171079 A описано повреждение токопроводящей жилы вследствие чрезмерного усилия натяжения при вытягивании шнура. Устройство имеет катушку шнура, приводной двигатель и зубчатую передачу, при этом число оборотов контролируется двигателем. Механизм выключения содержит ведущий ролик и ведомый ролик, при этом зубчатое колесо ролика крепится к оси ведущего ролика.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет далее разъяснено подробнее посредством описания варианта осуществления устройства для разматывания и сматывания шнура электропитания, которое содержит барабан для намотки шнура и управляющий элемент, причем оба приводятся в движение одним и тем же электрическим двигателем, при этом управляющий элемент приводится в движение посредством муфты скольжения и муфты одностороннего вращения, со ссылкой на чертежи, содержащие схематичные фигуры, на которых:
на фиг.1 схематично показана работа устройства;
на фиг.2 показан вид в сечении привода ведущего шкива;
на фиг.3 показан вид частей устройства; а также
на фиг.4 показан вид в перспективе этих частей.
На фигурах даны схематичные представления, где показаны только те части, которые способствуют разъяснению описанного варианта осуществления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
На фиг.1 показан барабан 1 для намотки шнура, который приводится в движение электрическим двигателем (не показан) в направлении разматывания шнура (стрелка 2) или в направлении сматывания шнура (стрелка 3), так что шнур 4 электропитания соответственно разматывается или наматывается на барабан. Стрелка 5 и стрелка 6 указывают перемещение шнура 4 в направлении разматывания или направления сматывания шнура соответственно. Представлен управляющий элемент 7, 8 для зацепления шнура 4 на некотором расстоянии от барабана 1. Управляющий элемент содержит ведущий шкив 7 и вспомогательный шкив 8, при этом вспомогательный шкив 8 поджимает шнур 4 к вращающейся поверхности ведущего шкива 7, как показано стрелкой 9, так чтобы не было скольжения между шнуром 4 и ведущим шкивом 7.
Когда электрический двигатель приводит в движение барабан 1 в направлении разматывания (стрелка 2), шнур 4 должен оттягиваться от барабана 1 для намотки шнура с помощью управляющего элемента 7, 8. Чтобы приложить заданное тяговое усилие к шнуру 4, управляющий элемент 7, 8 содержит муфту скольжения (не показана) для управления ведущим шкивом 7. Скорость вращения на входе управляющего элемента 7, 8 в направлении разматывания (стрелка 10), таким образом, выше скорости вращения ведущего шкива 7, обусловленной перемещением шнура 4, так что муфта скольжения проскальзывает при передаче крутящего момента. Передаваемый крутящий момент приводит к созданию тягового усилия, прикладываемого управляющим элементом 7, 8 к шнуру 4.
Когда шнур 4 сматывается назад, электрический двигатель приводит в движение барабан 1 для намотки шнура в направлении сматывания (стрелка 3), в ходе чего шнур 4 должен пройти управляющий элемент 7, 8, не испытывая чрезмерного сопротивления. С этой целью управляющий элемент 7, 8 содержат муфту одностороннего вращения в линии управления от двигателя до ведущего шкива 7, при этом муфта одностороннего вращения обеспечивает свободное вращение ведущего шкива 7 в направлении разматывания (стрелка 10), когда скорость на входе управляющего элемента 7, 8 равна нулю. Когда шнур 5 сматывается назад, однако, скорость на входе управляющего элемента 7, 8 в направлении сматывания (стрелка 11) относительно высока, при этом такая высокая скорость требуется для обеспечения проскальзывания в муфте скольжения в противоположном направлении при разматывании шнура 4. Ведущий шкив 7, таким образом, может свободно вращаться в направлении сматывания с более медленной скоростью в силу относительно высокой скорости на входе управляющего элемента 7, 8 в направлении сматывания. Усилие поджатия вспомогательного шкива 8 (обозначенное стрелкой 9) может варьироваться с целью регулирования степени малости сопротивления, оказываемого управляющим элементом 7, 8.
В альтернативном варианте осуществления устройства управляющий элемент 7, 8 для шнура приводится в движение двигателем без муфты скольжения и муфты одностороннего вращения, так что скорость перемещения шнура 4 определяется скоростью вращения ведущего шкива 7. Барабан 1 для намотки шнура, таким образом, приводится в движение посредством муфты скольжения и муфты одностороннего вращения, так что барабан 1 приводится в движение посредством осуществляющей проскальзывание муфты скольжения в направлении сматывания (стрелка 3), в то время как в направлении разматывания (стрелка 2) барабан 1 может свободно вращаться с меньшей скоростью, чем скорость привода, задаваемая двигателем, в силу наличия муфты одностороннего вращения. В данном альтернативном варианте осуществления скорость привода, передаваемая барабану 1 для намотки шнура двигателем, должна быть достаточно высокой, чтобы, - в случае сматывания шнура 4, - всегда приводить к проскальзыванию муфты скольжения, в частности, когда шнур 4 полностью размотан с барабана 1.
На фиг.2 показан вид в сечении муфты 12 одностороннего вращения и муфты 13 скольжения, предназначенных для управления ведущим шкивом 7 для шнура. Зубчатое колесо 14 приводится в движение электрическим двигателем и опирается на левый конец центрального вала 15, так чтобы свободно вращаться. Зубчатое колесо 14 соединено с валом 15 посредством муфты 12 одностороннего вращения, так что зубчатое колесо 14 может свободно вращаться вокруг вала 15 в первом направлении, но не может вращаться вокруг вала 15 в другом направлении. Муфта 13 скольжения содержит внутреннее кольцо 16 и коаксиальное наружное кольцо 17. Внутреннее кольцо 16 соединено с валом 15, при этом стержень 18, продолжающийся через отверстие в валу 15, исключает поворот внутреннего кольца 16 относительно вала 15. Наружное кольцо 17 муфты 13 скольжения соединено с ведущим шкивом 7 для шнура посредством опорного звена 19, само же опорное звено 19 установлено на валу 15 с возможностью свободного вращения. Опорное звено 19 крепится к наружному кольцу 17, так же как и к ведущему шкиву 7. Муфта 13 скольжения отрегулирована так, что внутреннее кольцо 16 не может вращаться относительно наружного кольца 17 в обоих направлениях при передаче заданного вращательного момента.
Таким образом, при вращении зубчатого колеса 14 в упомянутом первом направлении (направлении сматывания шнура) вал 15 может свободно вращаться в другом направлении и достигать скорости вращения зубчатого колеса 14 в упомянутом первом направлении. До тех пор пока скорость вращения зубчатого колеса 14 в направлении сматывания превышает скорость вращения ведущего шкива 7, на шнур не передается никакого усилия. Таким образом, скорость ведущего шкива 7 определяется скоростью перемещения шнура.
Когда зубчатое колесо 14 вращается в другом направлении (направлении разматывания шнура), при этом скорость вращения зубчатого колеса 14 выше скорости вращения ведущего шкива 7, муфта 13 скольжения будет передавать заданный вращательный момент на ведущий шкив 7, что приведет к приложению тягового усилия к шнуру. Скорость перемещения шнура в этом случае определяется скоростью вращения барабана 1 для намотки шнура.
На фиг.3 и 4 показаны различные виды вышеописанного варианта осуществления изобретения, при этом схематично представлены только релевантные части. Электрический двигатель 20 приводит в движение первое зубчатое колесо 22 понижающей редукторной передачи посредством зубчатого колеса 21. Зубчатое колесо 22 понижающей редукторной передачи содержит два коаксиальных зубчатых колеса отличающихся диаметров и выполнено так, что передаваемая скорость вращения снижается. Колесо 22 понижающей редукторной передачи приводит в движение зубчатое колесо 14 (на фиг.3 не показано) на валу ведущего шкива 7 управляющего элемента 7, 8. Как пояснялось на фиг.2, муфта одностороннего вращения и муфта скольжения присутствуют в линии управления между зубчатым колесом 14 и ведущим шкивом 7. Зубчатое колесо 14 приводит в движение зубчатое колесо 24 понижающей редукторной передачи посредством промежуточного зубчатого колеса, само же зубчатое колесо 24 далее приводит в движение барабан 1 для намотки шнура.
Скорость вращения барабана 1 для намотки шнура пропорциональна скорости вращения двигателя 20. Таким образом, управляя скоростью вращения двигателя 20, можно регулировать скорость перемещения шнура 4. Управление скоростью вращения двигателя 20 выполняется в зависимости от разности между мгновенной скоростью перемещения шнура 4, измеренной датчиком 25, и требуемой скоростью перемещения. Датчик содержит колесико 25 для определения скорости, которое поджимается к шнуру 4, так что его скорость вращения пропорциональна скорости перемещения шнура 4. Требуемая скорость перемещения шнура, например, равна скорости движения роботизированного устройства, в которое встроено данное устройство.
Ведущий шкив 7 для шнура работает совместно со вспомогательным шкивом 8, сам же вспомогательный шкив 8 принудительно подается в направлении ведущего шкива 7 цилиндрической пружиной 26. Шнур 4, таким образом, прочно зацепляется ведущим шкивом 7, а кроме того, давление вызывает некоторое сопротивление при прохождении шнура 4 через управляющий элемент 7, 8 для шнура, в то время как муфта одностороннего вращения позволяет ведущему шкиву 7 свободно вращаться. Это сопротивление обеспечит состояние некоторого натяжения, в котором пребывает шнур между двумя звеньями 7, 8 и 1 для намотки шнура. Уровень давления, оказываемого пружиной 26, может регулироваться.
Зубчатые колеса 21, 22, 14, 23, 24 образуют так называемую зубчатую передачу, в которой зубчатое колесо 21 имеет наибольшую скорость вращения, а зубчатое колесо 24 имеет наименьшую скорость вращения. Использование такой зубчатой передачи дает возможность получить компактную конструкцию для управления обоими звеньями для намотки шнура посредством электрического двигателя.
Итак, раскрыто устройство для разматывания и сматывания шнура 4 электропитания, содержащее два приводных звена для намотки шнура, при этом первое звено представляет собой барабан 1 для намотки шнура, а второе звено является управляющим элементом 7, 8 для зацепления шнура 4 на расстоянии от барабана 1. Электрический двигатель 20 может приводить в движение одно из двух звеньев для намотки шнура в двух направлениях, при этом соединен с другим звеном 7, 8 для намотки шнура, создавая тяговое усилие, через муфту 13 скольжения и муфту 12 одностороннего вращения.
Описанный вариант осуществления изобретения - всего лишь пример; многие другие варианты осуществления возможны в объеме изобретения. Специалисты в данной области техники смогут предложить дополнительные модификации раскрытых вариантов осуществления, изучив чертежи, описание и прилагаемую формулу изобретения, и воплотить их на практике. В формуле изобретения термины «содержащий» или «содержать» не исключают наличия других элементов или этапов, а формы единственного числа не исключают наличия множества элементов. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны толковаться как ограничивающие объем изобретения.