УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ ОБЪЕКТОВ

Область техники
Настоящая полезная модель относится к контрольно-измерительной технике, в частности к устройству определения положения и ориентации объектов. Полезная модель может быть использована в системах, где важно знать взаимное положение и ориентацию двух объектов.
Уровень техники
Из уровня техники известно устройство для измерений (US 6226884 В1, B23Q 1/44, G01B 21/00, G01B 7/00, опубл. 05.08.2001). Устройство содержит две треугольнообразные платформы. По меньшей мере одна платформа имеет три сферические опоры, и по меньшей мере одна платформа имеет одну опору. Сферические опоры могут быть выполнены в виде шаровых шарнирных соединений либо гнезд. Платформы соединены между собой шестью стойками, и в каждой опоре закреплены концы двух стоек. Стойки являются пассивными удлиняемыми измерительными штангами, а платформы соответственно соединены с неподвижными и подвижными частями манипулятора таким образом, чтобы движение частей манипулятора вызывало бы относительное перемещение между платформами с изменением длины измерительных стоек (штанг). Фактическое перемещение части манипулятора может быть определено из измерений длин на стойках. Устройство позволяет производить калибровку и обеспечивать проведение измерений. Недостатком устройства является сложность конструкции и ограниченность угловых перемещений сферических шарниров, в которых закреплены концы двух стоек, малая мобильность конструкции.
Также из уровня техники (CN 202836538 U, G01B 21/00, опубл. 27.03.2013) известно измерительное устройство с шестью стойками, с шестью точками опор и обладающее шестью степенями свободы (прототип полезной модели, CN 202836538 U, G01B 21/00, опубл. 27.03.2013).
Устройство содержит подвижную соединительную часть, неподвижную соединительную часть и шесть соединительных подвижных стоек, на которые установлены датчики перемещения. Неподвижная и подвижная части имеют равно установленные по периметру три штифта. Каждая стойка имеет на своих концах крепление со штырем. Каждая точка опоры представляет собой установленную на штифте поперечное локтевое соединение. В локтевом соединении имеются два отверстия для установки двух штырей от стоек. Таким образом, в каждой точке опоры установлено две стойки.
Устройство позволяет удобно проводить измерения и расчет, повышает точность измерений при сравнительно малой стоимости самого устройства. Недостатками устройства являются высокое трение в узлах крепления подвижных измерительных стоек к платформам и наличие положений платформ, в которых изменение длин стоек требует большого механического усилия, а также сложность при транспортировке.
Для решения многих технических задач необходимо контролировать взаимное положение и ориентацию объектов, а также их изменение со временем.
Технической проблемой является необходимость создания устройства для определения положения и ориентации объектов, лишенного недостатков известных устройств аналогичного назначения. Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и измерения, повышение мобильности устройства (например, при транспортировке его на новое место). Заявляемое устройство также расширяет арсенал технических средств-устройств для определения положения и ориентации объектов.
Технический результат достигается за счет устройства для определения взаимоположения и ориентации двух объектов, которое состоит из двух платформ: верхней и нижней, выполненных с возможностью закрепления по одному объекту, шести датчиков измерения расстояния, соединяющих верхнюю и нижнюю платформы, и блока обработки данных, соединенного с датчиками измерения расстояний соединительными проводами; при этом каждый датчик измерения расстояния представляет собой эластичную трубку, заполненную электролитом, при этом внутри трубки вблизи ее концов расположены два электрода; каждая платформа имеет шесть опор для жесткого закрепления в них концов эластичных трубок датчиков измерения расстояния таким образом, чтобы изгибы эластичных трубок не превышали 3° в допустимых пределах взаимных смещений и поворотов платформ; а расположение опор на платформах выбрано таким образом, чтобы эластичные трубки датчиков измерения расстояния не были параллельными.
Платформы могут быть выполнены в форме круга, или эллипса, или квадрата, или шестиугольника, или треугольника.
Верхняя платформа может быть выполнена по площади и размерам больше или меньше, или того же размера и формы, что и нижняя платформа.
Платформы могут быть выполнены с возможностью винтового соединения, или склейки, или сварки, или клепки объектов.
По меньшей мере, на одной из платформ устройства опоры крепления концов эластичных трубок попарно объединены.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен общий вид заявляемого устройства для определения положения и ориентации объектов.
На фиг. 2 схематически изображен датчик измерения расстояний, представляющий собой электролитический датчик с переменной длиной и сечением канала (трубки).
На фиг. 3 и фиг. 4 изображены варианты выполнения заявляемого устройства, когда на обеих (фиг. 3) платформах или на одной (фиг. 4) платформе попарно объединены концы эластичных (резиновых) трубок.
Позициями на чертежах обозначены
1 - верхняя платформа устройства;
2 - нижняя платформа устройства;
3-8 - шесть датчиков измерения расстояний;
9 - блок обработки данных;
10-15 - опоры, расположенные на нижней платформе устройства для закрепления шести концов шести датчиков;
16-21 - опоры, расположенные на верхней платформе устройства для закрепления шести концов шести датчиков;
22 - электроды;
23 - электропроводящая жидкость;
24 - эластичная (резиновая) трубка.
Осуществление полезной модели
Предлагаемое устройство, также как и прототип, является бессиловым, т.е. чисто измерительным аналогом платформы Гью-Стюарта. В заявляемой полезной модели заменены жесткие измерительные штанги (стойки), тем или иным образом подвижно прикрепленные к платформам на датчики расстояния, каждый из которых представляет собой тонкую эластичную (резиновую) трубку, заполненную электролитом, и находящимися внутри трубок электродами; изменение длин резиновых трубок регистрируется в процессе работы устройства.
Устройство определения положения и ориентации объектов (фиг. 1) состоит их двух платформ: верхней 1 и нижней 2, шести датчиков измерителей расстояния: 3, 4, 5, 6, 7, 8 и блока обработки данных 9. Блок обработки данных 9 связан с датчиками измерения расстояний 3-8 соединительными проводами для считывания показаний с этих датчиков. Датчики-измерители 3-8 расстояния выполнены в виде электролитических датчиков. Подробное описание и принцип действия электролитических датчиков широко известен («Справочник по радиоэлектронике», Том 2, Под редакцией А.А. Куликовского, Издательство «Энергия», Москва, 1968, стр. 462-463 [1]).
Действие электролитических датчиков 3-8 (фиг. 2) основано на изменении сопротивления электропроводящей жидкости 23 при взаимном перемещении электродов 22. Электролитический датчик с переменной длиной и сечением представляет собой тонкую эластичную (например резиновую) трубку 24, заполненную электропроводящей жидкостью (электролитом) 23. С изменением длины и сечения тонкой эластичной (резиновой) трубки 24 происходит растяжение трубки 24, вследствие чего сопротивление датчика изменяется за счет движения электродов 22, установленных на концах эластичной трубки 24. Таким образом, величина сопротивления зависит от перемещения (смещения) трубки 24. В качестве электропроводящей жидкости могут быть использованы ртуть и проводящие электролиты.
Концы каждого датчика расстояния 3-8 жестко закреплены в соответствующих опорах 10-21, расположенных на нижней 2 и верхней 1 платформах (т.е. без возможности смещений и поворотов - в определенной точке платформы и под определенными углами к ее поверхности, чтобы таким образом при взаимном положении платформ 1, 2, которое считается исходным и относительно которого отсчитываются их взаимные смещения и повороты, изгибы эластичных (резиновых) трубок 24 не превышали 3° в допустимых пределах взаимных смещений и поворотов платформ 1, 2). Так, например, концы датчика расстояния 3 закреплены в опоре 10 нижней платформы 2 и опоре 16 верхней платформы 1. Крепление датчиков 3-8 к соответствующим опорам 10-21 может быть осуществлено различными способами, например, когда на концах электродов 22 каждого датчика 3-8 выполнены резьбовые соединения для закрепления их гайками сквозь отверстия в платформах 1, 2. Блок обработки данных 9 регистрирует сигналы с датчиков 3-8.
Таким образом, из-за малости (не превышающих 3°) регистрируемых допустимых взаимных смещений и поворотов платформ 1, 2 изгибы эластичных (резиновых) трубок 24 датчиков 3-8 остаются малыми и вносят малый вклад в изменение длин самих эластичных (резиновых) трубок 24, по сравнению с их непосредственным упругим растяжением или сжатием.
Расположение опор 10-15 на нижней платформе 2 и опор 16-21 на верхней платформе 1 выбрано таким образом, чтобы эластичные (резиновые) трубки 24 каждого датчика 3-8 не были параллельными. Это делается для того, чтобы решаемая для определения смещений система уравнений не являлась вырожденной, т.е. система уравнений должна иметь решение.
На выбор расположения опор 10-21 на платформах 1, 2, к которым присоединяются концы эластичных (резиновых) трубок 24, накладываются определенные ограничения. Во-первых, при допустимых перемещениях или поворотах платформ 1, 2 трубки 24 не должны касаться друг друга. Во-вторых, конфигурация трубок 24 выполнена таким образом, чтобы прямая задача кинематики платформы Стюарта в этой конфигурации имела решение. (Математическая прямая задача кинематики платформы Стюарта имеет решение не всегда. Наличие решения связано с конфигурацией измерительных нитей. См.: Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Основы управления манипуляционными роботами: Учебник для вузов. - 2-е изд., исправ. и доп.М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. - 480 с. [2]).
При проведении измерений на каждой из платформ 1, 2 закреплено по одному объекту (на чертежах не показаны). Соединение объекта с платформой должно быть жестким, чтобы платформа и объект перемещались и поворачивались совместно, как единое твердое тело. Соединение может следующим: винтовое, склейка, сварка, клепки и пр.
Платформы 1, 2 могут быть выполнены во взаимно различной форме (круг, эллипс, квадрат, шестиугольник, треугольник). Верхняя платформа 1 может быть выполнена по площади и размерам больше или меньше, или того же размера, что и нижняя платформа 2.
Изменение длины эластичных (резиновых) трубок 24 датчиков 3-8 может осуществляться различными способами: по изменению ее электрического сопротивления, по изменению натяжения эластичной (резиновой) трубки, по изменению частоты свободных колебаний эластичной (резиновой трубки) или по изменению амплитуды вынужденных колебаний эластичной (резиновой) трубки, или иными способами. Способ измерения в данном случае определяется конструкцией использованного датчика и не является предметом настоящей полезной модели.
Для определения положения одной платформы устройства относительно другой (соответственно, одного объекта относительно другого) по известным длинам трубок 24 шести датчиков 3-8 решается математическая задача, называемая прямой задачей кинематики платформы Стюарта. Для этой задачи предложен ряд методов решения ([2]).
Заявляемое устройство позволяет контролировать два объекта, прикрепленных к измерительным платформам 1, 2 устройства. Объекты могут смещаться на расстояние и поворачиваться, при этом и смещение, и углы поворота объектов ограничены. Ограничения углов и смещений связано с тем, что эластичные (резиновые) трубки 24 не должны провисать (всегда оставаться натянутыми) и не должны сильно изгибаться. В качестве объектов, прикрепленных к платформам 1, 2, могут быть использованы: фото/видеокамеры, гироскопы, датчики ориентации, магнитометры, детекторы частиц и пр.
Также возможен вариант выполнения устройства, когда на одной или на обеих платформах точки крепления концов эластичных (резиновых) трубок могут быть попарно объединены, т.е. в одной точке закреплены два конца двух трубок разных датчиков 3-8 (две опоры в одной точке) (фиг 3, 4).
Устройство работает следующим образом.
На каждой из платформ 1, 2 закрепляют по одному объекту (например, гироскоп). Крепление осуществляют посредством завинчивания выступающих частей гироскопа в платформы 1 и 2. Под верхнюю платформу 1 подводится манипулятор (на чертежах не показан), который поднимает верхнюю платформу 1 до натяжения шести эластичных (резиновых) трубок 24 датчиков 3-8 в пределах допустимых взаимных смещений и поворотов платформ 1 и 2. В зависимости от условий эксперимента нижняя платформа 2 либо жестко закреплена, либо под нее подводится другой второй манипулятор (подобный тому который подведен под верхней платформой 1).
Любое смещение и/или поворот объектов, прикрепленных к платформам 1 и 2 соответственно, вызывает изменение длин всех или части натянутых резиновых трубок 24 датчиков 3-8. Изменение длин резиновых трубок 24 датчиков 3-8 приводит к изменению сигналов, считываемых с них блоком обработки данных 9. По каждому набору данных, считанных с датчиков 3-8 (т.е. для каждого набора длин резиновых трубок 24), определяется относительное смещение и поворот объектов путем решения прямой математической задачи кинематики платформы Стюарта. Таким образом, заявленное устройство позволяет определять взаимное положение и ориентацию двух объектов при упрощении конструкции и измерения. Устройство можно также легко транспортировать на новое установочное место.