УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ПОЛЕЗНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Назначение и область применения
Заявляемое техническое решение относится к машиностроительной, приборостроительной и транспортной отраслям промышленности, в том числе, к области робототехники, включая средства обеспечения точного позиционирования видеокамер, тепловизионных камер и другой полезной нагрузки, предназначенной для установки на робототехнические системы, в частности,  предназначенных для авионики летательных аппаратов.
Предшествующий уровень техники
Устройство стабилизации нагрузки для различного рода робототехнических систем, как правило, представляют собой поворотную гиростабилизированную платформу, т.е. гироскопическое устройство для пространственной стабилизации каких-либо объектов или приборов, а также для определения углов поворота основания, на котором установлена. Устройства данного типа служат для стабилизации полезной нагрузки и для устранения влияния внешних воздействий, выводящих, платформу, снабженную полезной нагрузкой,  из заданного положения.
Из уровня техники известен навесной приборный контейнер для летательных аппаратов (ж. "Авиация и космонавтика" №10, 2003 г., с.4...7, статья В.Синявского "Из второго поколения - в четвертое. Модернизация вертолета Ми-24"), содержащий снабженный одним или несколькими иллюминаторами полый корпус преимущественно в форме тела вращения, закрепляемый на летательном аппарате с возможностью ограниченного управляемого поворота по крайней мере в одной координатной плоскости, и гиростабилизированную платформу, которая может быть подвешена в полости корпуса на двухрядном сферическом шарикоподшипнике, центр сфер которого расположен вне подшипника и по крайней мере приблизительно совпадает с продольной осью корпуса, снабжена приводом ограниченного прецизионного поворота относительно центра сфер шарикоподшипника по крайней мере в двух координатных плоскостях и несет оптико-электронные приборы, например навигационные, обзорные, дальномерные и т.п. При всех достоинствах этому навесному приборному контейнеру присущи недостатки, состоящие в следующем.
Подвеска гиростабилизированной платформы внутри полого корпуса навесного приборного контейнера, выполненная на основе двухрядного сферического шарикоподшипника, наряду с достоинствами приобретает недостатки, обусловленные этим шарикоподшипником. Так, радиус наибольшей сферической поверхности качения шарикоподшипника, значительно меньший, чем внутренний радиус полого корпуса, вынуждает располагать шарикоподшипник лишь поблизости от центра полости корпуса на специальной дополнительной несущей конструкции, пересекающей эту полость. Это в значительной мере сокращает располагаемое полезное пространство внутри контейнера и соответственно затрудняет компоновку оптико-электронных приборов и прокладку кабелей, вынуждая увеличивать габариты и вес контейнера. Кроме того, такая конструкция существенно сокращает возможности устройства по позиционированию и стабилизации полезной нагрузки, с вязанной с гиростабилизированной данным образом платформой.
При этом, из предшествующего уровня техники не известны сведения о системах, содержащих в своем составе конструкцию стабилизации в виде отдельного устанавливаемого на робототехнические системы модуля, обеспечивающего управление полезной нагрузкой (ПН) и фиксацию ее положения в пространств, что с учетом вышеизложенного, позволяет сделать вывод об отсутствии среди выявленных источников информации аналогов, которые могли бы быть приняты по совокупности существенных признаков за прототип.
Сущность заявленной полезной модели
Техническая задача, решаемая заявленной полезной моделью, заключается в предложении простой, универсальной конструкции устройства стабилизации полезной нагрузки разного назначения.
Техническим результатом заявленной полезной модели является расширение арсенала известных технических средств, за счет создания конструкции стабилизации в виде отдельного устанавливаемого на робототехнические системы модуля, обеспечивающего управление полезной нагрузкой (ПН) и фиксацию ее положения в пространстве.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют устройство стабилизации полезной нагрузки для робототехнических систем, содержащее, по меньшей мере, неподвижный фланец для крепления на робототехнические системы, а также короб крепления полезной нагрузки, соединенные между собой посредством кронштейна, снабженного несущим вклеиваемым элементом и боковыми держателями, и соединенных с ним азимутального и угломестного двигателей управления и стабилизации полезной нагрузки, при этом угломестный двигатель размещен на оси короба оппозитно  с угломестным датчиком, установленными с внешних боковых сторон короба через соосные оси короба проушины боковых держателей кронштейна, а азимутальный двигатель через статор соединен с фланцем, при этом ротор  через вклеиваемый элемент и ось-стойку азимутального двигателя установлен на кронштейн,  причем короб снабжен упором, ограничивающим поворот полезной нагрузки по углу-места, а фланец и кронштейн снабжены сопрягаемыми ограничителями поворота, выполненными с обеспечением возможности зацепления для предотвращения прокрутки.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели, кронштейн снабжен азимутальным грузом, а дно короба снабжено угломестным грузом, обеспечивающими оптимальный режим  развесовки, требуемый для размещения центра масс на оси вращения, и достижения постоянного момента инерции при повороте, с устранением дисбаланса в режиме эксплуатации.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления заявленной полезной модели устройство дополнительно снабжено защитными кожухами-обтекателями, обеспечивающими защиту ПН от внешних факторов (атмосферных осадков, пыли и грязи) и уменьшения аэродинамического сопротивления.
В еще одном, предпочтительном варианте осуществления, конструкция дополнительно содержит азимутально-стабилизационный двигатель с оппозитно  расположенным  азимутально-стабилизационным датчиком, установленными на короб  вдоль вертикально оси, перпендикулярной угломестной оси, образованной угломестными двигателем и датчиком. При этом короб дополнительно снабжен, размещенной с внешней стороны, рамой, предназначенной для крепления двигателей и датчиков угломестной и азимутально-стабилизационной осей, а также установки на них смежных кожухов-обтекателей. При этом, рама через угломестный двигатель и датчик соединена с кронштейном, а в одном из вариантов осуществления полезной модели содержит упор для ограничения поворота по угломестной оси. В еще одном варианте осуществления, передняя крышка кожуха-обтекателя содержит оконный вырез, снабженный защитным стеклом.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления полезной модели, кронштейн, по любому из выше рассмотренных вариантов осуществления  выполнен с купольным несущим сводом, снабженным сверху цилиндрическим выступом с отверстием по верхнему основанию, снабженным осевым кольцом, а также бортом для вклейки закладных элементов и установки кожухов-обтекателей,  где борт снабжен боковыми держателями, с проушинами, образующими направляющие отверстия для установки угломестного двигателя и датчика.
При этом, несущий свод кронштейна может быть выполнен прессованным,  формованным, литым, выполненным, например, из стеклопластика, углепластика, композиционных полимерных материалов. В другом возможном варианте осуществления аналогичным образом выполнены фланец, короб и кожухи-обтекатели.
Краткое описание прилагаемых иллюстративных материалов.
Заявленное решение полезной модели поясняется следующими чертежами и графическими материалами.
фиг. 1 – вид заявленного устройства(сечение)
фиг. 2 – короб, общий вид
фиг. 3 – угломестный датчик, сечение
фиг. 4 – азимутальный двигатель, сечение
фиг. 5  - кронштейн: а) общий вид, б) вид снизу
фиг. 6 – общий вид устройства с защитными кожухами-обтекателями
фиг.7 – вид заявленного устройства. снабженного дополнительно рамой и азимутально-стабилизационным двигателем (сечение)
фиг. 8  - азимутальный двигатель, сечение устройства, снабженного дополнительной рамой и и азимутально-стабилизационным двигателем (сечение)
фиг.9 - визуализация позиционирования угломестного, азимутального и азимитуально-стабилизационного двигателей
фиг. 10 – вид устройства с дополнительной рамой (общий вид снизу, без кожухов)
фиг. 11  - визуализация устройства  с дополнительной рамой
фиг. 12 - вид устройства. снабженного дополнительно рамой и азимутально-стабилизационным двигателем, снабженного защитными кожухами-обтекателями: а) вид сбоку, б) общий вид.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только некоторые  из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и не могут рассматриваться в качестве ограничения содержания полезной модели, которое включает  и другие варианты осуществления.
Осуществимость полезной модели
Как следует из представленных на фиг. 1-5  чертежа в рассматриваемом варианте осуществления заявленное устройство  стабилизации  полезной нагрузки (ПН) для робототехнических систем представляет собой  двухосевую конструкцию, в которой установлены два двигателя – азимутальный для управления поворотом ПН по азимутальной оси и угломестный – для управления поворотом ПН по угломестной оси. В представленном варианте осуществления оба двигателя представляют собой роторные двигатели, состоящие и статора и ротора. При этом, конструкцией заявленного устройства предусмотрена соосная установка угломестного и азимутального датчиков расчета углов поворота и крена по азимутальной и угломестной осям. Датчики устанавливаюся по угломестной и азимутальной осям конструкции и оснащены деталями-осями с вклеивающимися магнитами, поворачивающимися в сторону отклонения по каждой оси. В рассматриваемом варианте осуществления полезной модели, устройство стабилизации ПН содержит в своем составе неподвижный фланец для крепления на робототехнические системы, а также короб для крепления ПН. При этом, фланец 1 соединен с коробом 2 через два двигателя управления и стабилизации полезной нагрузкой, установленных на кронштейн 3 и сам короб 2 . Данные двигатели позволяют осуществлять поворот полезной нагрузки по азимуту и по углу места. Осью короба 2 с одной стороны является угломестный датчик 4 , предусматривающий установку платы контроля угла поворота и угломестный двигатель 5 с другой стороны.
Угломестный двигатель и угломестный датчик устанавливаются на основной несущий элемент – кронштейн 3.
Согласно заявленному решению. кронштейн является несущим элементом всей конструкции. На нем крепятся практически все элементы конструкции. В режиме эксплуатации заявленного устройства основная нагрузка распределяется по  конструкции.  кронштейна.
Для обеспечения наиболее оптимально режима стабилизации положения полезной нагрузки, основной корпусный, несущий элемент кронштейна, предпочтительно выполнен в виде купольного свода, где в верхней части образован цилиндрический выступ, с отверстием сверху. Цилиндрический выступ предназначен для установки, например, вклейкой, оси кронштейна, например, выполненного в виде металлического кольца, охватывающего выступ по внешней и внутренней поверхности. По нижнему краю купольного свода несущей части кронштейна выполнен борт, снабженный ориентированными книзу боковыми держателями с соосно размещенными отверстиями проушин  для установки  и через них угломестных двигателя и датчика. По верхней кромке борт выполнен с формированием кольцевого паза по контуру свода, обеспечивающего возможность размещения в нем закладных элементов и смежных с них кожухов-обтекателей. Купольный свод кронштейна обеспечивает возможность восприятия данной конструкцией больших радиальных и осевых нагрузок, в том числе знакопеременных, по трем осям координат с минимальным моментом сопротивления при более рациональном размещении кронштейна в устройстве.
Угломестный двигатель и угломестный датчик закреплены на короб крепления полезной нагрузки. На короб также крепится упор 7, ограничивающий поворот ПН в коробе по углу-места. Угломестный датчик состоит из оси 8 на конце которого закреплен магнит 9, корпуса датчика 10 и крышки датчика 11, его конструкция в сборе позволяет устанавливать плату измерения угла поворота по угломестной оси 12.
Азимутальный двигатель состоит из азимутального ротора и статора.
Азимутальный ротор состоит из (на фиг. 1-12 не представлены) корпуса, изготовленного из электротехнического металла, методом прессования или механической обработки металла, катушек, изготовленных методом намотки провода и платы двигателя. Пространство между катушками и корпусом двигателя заполняется эпоксидной смолой смешанной с микросферой. При этом, азимутальный статор состоит из (на фиг. 1-12 не представлены) корпуса, изготовленного из электротехнического металла, методом прессования или механической обработки металла, неодимовых  магнитов. Пространство между магнитами и корпусом двигателя заполняется эпоксидной смолой смешанной с микросферой.
Статор и ротор угломестного двигатель аналогичны азимутальному двигателю, с разницей в типоразмерах, количества витков в катушках и размерах магнитов.
Ротор азимутального двигателя 13 через вклеиваемый элемент 14 и ось-стойку азимутального двигателя 15 установлен на кронштейн 3. Также на несущий вклеиваемый осевой элемент кронштейна с помощью винтов установлена стойка статора азимутального двигателя 15. На стойку установлены подшипники  и надевается статор азимутального двигателя 16 . Для фиксации двигателя на оси-стойки статора азимутального двигателя предусмотрено резьбовое кольцо фиксации 17. Также в стойку с креплением в верхней части стакана устанавливается азимутальная ось 18 с магнитом на конце 19, который предназначен для устанавливаемой в стойку платы 20, измеряющей угол поворота по азимуту.
На статор азимутального двигателя 16 устанавливается фланец 1. На фланец для исключения прокрутки  установлен ограничитель поворота 21, который цепляется за ограничитель поворота 22, установленный на кронштейне 3.
Для оптимальной развесовки, для того, чтобы центр масс находился на оси вращения, а также для достижения постоянного момента инерции при повороте и устранения дисбаланса,   используются свинцовые груза. Азимутальный груз 23 устанавливается на кронштейн 3, другой - угломестный груз 24 на дно короба  (в зависимости от массы используемой полезной нагрузки и ее места положения в коробе). Крепление осуществляется, например, на липкую ленту, сверху укладывается стеклоткань пропитанная эпоксидной смолой.
Для защиты ПН от внешних факторов (атмосферных осадков, пыли и грязи) и уменьшения аэродинамического сопротивления заявленное устройство может быть оснащено защитными кожухами-обтекателями. Предпочтительно, в состав конструкции включают: верхнюю крышку 25, обтекатель передний 26, обтекатель задний 27 и боковой 28 обтекатель. Крепление данных конструктивных элементов на короб осуществляется, например, с использованием винтов. Однако, могут быть использования и иные способы крепления, известные в данной области техники.
В рассматриваемом примере осуществления заявленной полезной модели, кронштейн, фланец, короб, а также верхняя крышка, передний, задний и боковой обтекатели кожухов-обтекателей устройства, изготовлены из стеклопластика, например, методом прессования в пресс-формах пропитанного эпоксидной смолой стекловолокна и углеволокна, что обеспечивает существенное снижение веса конструкции, при сохранении высоких прочностных и эксплуатационных характеристик. Данные элементы меньше подвержены коррозии, легки в обслуживании и, в случае выхода из строя какого-либо из конструктивных элементов, могут быть легко заменены без необходимости замены конструкции в целом.
Как представлено на фиг.7-12 заявленное решение полезной модели может дополнительно содержать азимутально-стабилизационный двигатель 44 с оппозитно  расположенным  азимутально-стабилизационным датчиком 43, установленными на короб вдоль вертикальной оси, перпендикулярной угломестной оси, образованной угломестными двигателем и датчиком, реализовав тем самым  возможность осуществления трехосевой конструкции в которой установлены два двигателя – азимутальный для управления поворотом ПН по азимутальной оси, угломестный – для управления поворотом ПН по угломестной оси и азимутальный – стабилизационный. Каждый двигатель стоит из статора и ротора.  Конструкцией предусмотрена установка угломестного, азимутального и угломестного-стабилизационного  датчиков расчета углов поворота и крена по азимутальной и угломестной осям. Датчики устанавливаются по угломестной, азимутальной и азимутальной стабилизационной осям конструкции и оснащены деталями-осями с вклеивающимися магнитами, поворачивающимися в сторону отклонения по каждой оси. Управление, в данном случае, заключается в двух функциях – управлению поворотом по двум осям и стабилизации (устранение кренов, возникающих в ходе движения робототехнической системы)  Управление осуществляется по азимутальной (на 360 градусов) и угломестной осям.
Наличие азимутально-стабилизационного двигателя позволяет удерживать ПН с большей точностью, обеспечив при этом и более высокую степень стабилизации ПН. Для более оптимального размещения азимутально-стабилизационного двигателя, в предпочтительном варианте осуществления данного решения конструкция короба дополнительно снабжена  рамой, на которой установлены два двигателя - угломестный и азимутально-стабилизационный двигатель. Крепление защитных кожухов-обтекателей также, осуществляется на раму, что обеспечивает наилучшие рабочие характеристики конструкции, повышает ее управляемость.
Для обеспечения наиболее оптимально режима стабилизации положения полезной нагрузки, кронштейн снабжен дополнительным 45 азимутальным грузом к ранее рассмотренными угломестным грузом, устанавливаемом на коробе, раме, и азимутальным грузом, устанавливаемым на кронштейне. Дополнительный груз, может быть выполнен съемным, с возможностью управления балансировки.
Как следует из чертежей, представленных на фиг. 7-12 рама 42 представляет собой три сборных элемента (собираются по кондуктору) основной элемент 29, верхняя планка 30 и нижняя планка 31. Верхняя планка 30 и нижняя планка 31  предназначены для крепления на них стеклопластиковых защитных кожухов-обтекателей.
Рама 42, в свою очередь, крепится на кронштейн 3 через угломестный двигатель 5 и угломестный датчик 4, являющимися угломестной осью.
На раму также крепится упор 7 для ограничения угла поворота по угломестной оси и исключения проворачиваемости на 360 градусов.
На короб 2 устанавливаются передняя крышка 32 (с отверстием для объектива видеокамеры)  и задняя крышка 33, крепление осуществляется через алюминиевый брусок 34 с уголком 35. В верхней крышке  защитного кожуха-обтекателя предусмотрен вырез для установки разъема 36.  При этом, в передней крышке предусмотрена установка защитного стекла 37, которое фиксируется рамкой 38 на винтах. На фланце устанавливаются втулки 39 для крепления конструкции устройства. Крепление крышек осуществляется на короб с использованием винтов, крепление кожуха осуществляется на кронштейн с помощью винтов.
Для управления устройством устанавливаются в конструкцию четыре платы 40.
Угломестный и стабилизационный датчики изготовлены и собираются по одному принципу и отличаются передними и задними крышками для крепления к соответствующими деталям.
Датчики состоят из оси 8 на конце которого закреплен магнит 9, корпуса датчика 10 и крышки датчика 11, его конструкция в сборе позволяет устанавливать плату измерения угла поворота по угломестной оси 12 (фиг.3). Ось вращается на подшипниках 41, установленных в корпусе датчика(фиг.8).
Азимутальный датчик  находится в верхней части конструкции устройства. Корпусом датчика является ось-стойка 15 азимутального двигателя 6 (фиг.4). Ось-стойка 15 крепится к кронштейну винтами. Азимутальный датчик состоит из оси-стойки 15 оси 18 с закрепленным на конце магнитом 19, подшипником 41, азимутальной платы измерения азимутального угла поворота 20  и фиксируется в верхней части стакана винтами (фиг.8).
Заявленная конструкция устройства стабилизации ПН  предусматривает возможность  установки как видеокамеры с оптическим 36-и кратным увеличением, так и совместную уставному  тепловизора и видеокамеры (типа «пин хол») одновременно.
Изготовление деталей конструкции может осуществляться промышленным способом, например,  с использованием следующих технологий:
• формовки стеклопластиковых несущих деталей в пресс-формах (материал-стеклоткань, углеткань);
• штамповки электротехнического металла для изготовления корпусов двигателей;
• токарно-фрезерной обработки металлов для изготовления деталей (материал-алюминий, латунь);
• намотка катушек двигателей;
• литье свинца в пресс-форму;
• химическое покрытие деталей изделий, выполненных из различных металлов;
• покраска защитных кожухов-обтекателей.
Сборка конструкции из деталей осуществляется, например, слесарно-механическим способом по технологическим процессам и чертежам.
Управление полезной нагрузкой заключается в повороте ПН, установленной в коробе, по азимутальной и угломестной осям с помощью азимутального и угломестного двигателей. В режиме стабилизации - режим предназначен для удерживания и компенсации изменений положения ПН, возникающих в результате  внешних воздействий. Режим управления – в этом случае изменение положения осуществляется по командам, поступающим на электродвигатели, в результате чего изменяется положение ПН по азимутальной и угломестной осям.
В режиме стабилизации положения ПН реализована система с обратной связью. Установлено положение камеры в пространстве – при  изменении положения конструкции на двигатели поступает управляющее воздействие, обозначающее их поворот, двигатели поворачиваются на заданный угол, датчики обратной связи измеряют угол поворота и дают информацию об истинном угле поворота, при необходимости, управляющее воздействие повторяется и ПН разворачивается в заданном направлении, положении.
В режиме управления происходит поворот ПН на  необходимый угол по угломестной и азимутальной осям.
Таким заявленное решение полезной модели расширяет арсенал известных технических средств, за счет предложения конструкции стабилизации в виде отдельного устанавливаемого на робототехнические системы модуля, обеспечивающего управление полезной нагрузкой (ПН) и фиксацию ее положения в пространстве, в том числе, обеспечивающими оптимальный режим  развесовки, требуемый для размещения центра масс на оси вращения, и достижения постоянного момента инерции при повороте, с устранением дисбаланса в режиме эксплуатации, с повышением точности позиционирования ПН, предотвращение ее прокрутки в режиме эксплуатации, возможность осуществления эксплуатации под воздействием существенных внешних неблагоприятных воздействий.