Устройство для проведения пространственных измерений с помощью вытяжного тросового датчика

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения пространственного положения объектов с помощью вытяжного тросового датчика.
Известны различные конструкции тросовых датчиков, предназначенных для измерения перемещения (https://rusautomation.ru/promavtomatika/trosovye-datchiki-peremesheniya) движущихся объектов, например положения затворов гидротехнических сооружений (см. патент РФ № 156628, МПК E02B 7/36, G01B 21/06, дата публикации 10.11.2015 и патент РФ № 166504, МПК E02B 7/36, G01B 21/06, дата публикации 27.11.2016).
Существенным недостатком аналогов является тот факт, что трос за пределами датчика должен быть натянут линейно и, как следствие, можно провести измерение только одной координаты.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является разработка устройства для проведения пространственных измерений с расширенными функциональными возможностями.
Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в возможности проведения пространственных измерений при обеспечении их точности, достоверности и сохранении эксплуатационных характеристик вытяжного тросового датчика.
Поставленная задача решается тем, что устройство для проведения пространственных измерений с помощью вытяжного тросового датчика содержит основание, на котором жестко и последовательно закреплены вытяжной тросовый датчик, поперечная и продольная стенки, причем в поперечной стенке выполнено сквозное отверстие для протягивания троса от вытяжного датчика, над которым с возможностью вращения закреплен шкив, и на продольной стенке параллельно ей закреплен шкив, кроме того, трос от вытяжного датчика пропущен через сквозное отверстие поперечной стенки, охватывает по периметру шкив продольной стенки и со стороны поперечной стенки охватывает ее шкив, причем участки троса от вытяжного датчика до шкива продольной стенки и между шкивами ориентированы параллельно друг другу и расположены в общей продольной плоскости.
Сопоставительный анализ признаков заявляемого решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию «новизна».
При этом признаки формулы обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признаки «основание, на котором жестко и последовательно закреплены вытяжной тросовый датчик, поперечная и продольная стенки» позволяют задать фиксированное расстояние между продольной стенкой и вытяжным тросовым датчиком, относительно которого перемещается объект для измерений.
Признаки «в поперечной стенке выполнено сквозное отверстие для протягивания троса от вытяжного датчика» описывают, каким образом поперечная стенка не препятствует протягиванию троса от вытяжного датчика.
Признаки «над сквозным отверстием поперечной стенки закреплен шкив, и на продольной стенке параллельно ей закреплен шкив» позволяют за счет вращения шкивов вытягивать и одновременно изменять направление троса вытяжного датчика.
Признаки «трос от вытяжного датчика пропущен через сквозное отверстие поперечной стенки, охватывает по периметру шкив продольной стенки и со стороны поперечной стенки охватывает ее шкив» описывают фиксированное положение троса в пределах устройства.
Признак «шкив поперечной стенки закреплен с возможностью вращения» позволяет задавать пространственную ориентацию троса без его провисания, скручивания, заламывания и при сохранении точности измерений.
Признаки «участки троса от вытяжного датчика до шкива продольной стенки и между шкивами ориентированы параллельно друг другу и расположены в общей продольной плоскости» обеспечивают линейное натяжение троса на указанных участках независимо от угла поворота шкива поперечной стенки.
На фиг.1 показан общий вид устройства.
На фиг.2 показан продольный разрез устройства в исходном положении.
На фиг.3 показано устройство при выполнении пространственных измерений.
На фиг.4 показан вид устройства со стороны продольной стенки.
На фиг.5 приведены графики распределения среднеквадратичных ошибок калибровки в зависимости от количеств поз робота.
На чертежах показаны основание 1, вытяжной тросовый датчик 2 с тросом 3, поперечная 4 и продольная 5 стенки, сквозное отверстие 6 и шкив 7 поперечной стенки 4, шкив 8 продольной стенки 5, объект 9 для измерений, держатель 10 для троса 3.
Также на чертежах обозначены:
О - начало координат, которое в исходном положении находится в нижней точке шкива 7 поперечной стенки 4;
0
L - фиксированная длина троса 3 от вытяжного тросового датчика 2 до начала координат О;
L - измеряемая длина троса 3 от начала координат О до объекта 9 для измерений;
α - угол поворота шкива 7 поперечной стенки 4 относительно его исходного положения.
На основании 1 жестко и последовательно закреплены вытяжной тросовый датчик 2, поперечная 4 и продольная 5 стенки.
В поперечной стенке 4 выполнено сквозное отверстие 6 для протягивания троса 3 от вытяжного датчика 2, над которым с возможностью вращения закреплен шкив 7.
На продольной стенке 5 параллельно ей закреплен шкив 8.
Трос 3 от вытяжного датчика 2 пропущен через сквозное отверстие 6 поперечной стенки 4, охватывает по периметру шкив 8 продольной стенки 5 и со стороны поперечной стенки 4 охватывает ее шкив 7, закрепленный с возможностью вращения относительно его исходного положения, причем участки троса 3 от вытяжного датчика 2 до шкива 8 продольной стенки 5 и между шкивами 7 и 8 ориентированы параллельно друг другу и расположены в общей продольной плоскости.
Свободный конец троса 3 в исходном положении съемно зафиксирован на держателе 10, а шкивы 7 и 8 расположены в общей продольной плоскости.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Свободный конец троса 3 от вытяжного датчика 2 съемно закрепляют на объекте 9 для измерений.
Включают вытяжной тросовый датчик 2 и осуществляют перемещение относительно него объекта 9 для измерений с закрепленным на нем свободным концом троса 3.
В процессе перемещения объекта 9 осуществляют поворот шкива 7 поперечной стенки 4 на угол α, меняя таким образом направление его свободного конца, закрепленного на объекте 9, и измеряют длину L троса 3 с помощью вытяжного тросового датчика 2, после чего обрабатывают полученные данные по известным методикам.
Пример осуществления.
Авторы изготовили макет, в котором:
- шкивы 7 и 8 имеют одинаковый диаметр 30 мм;
0
- L = 290 мм;
- максимальное значение L = 1700 мм;
- максимальная длина вытяжения троса составляет 2000 мм.
Авторы испытывали изготовленный макет при калибровке робота, который выступал в качестве объекта 9 для измерений, закрепив свободный конец троса 3 на фланце (на чертежах не обозначен).
Роботу с закрепленным тросом 3 посредством управляющей программы дают команду двигаться относительно макета в конкретную точку с известными координатами, причем при перемещении объекта 9 в режиме реального времени для n точек определяют длину L троса 3 с помощью вытяжного тросового датчика 2 и соответствующие ей шесть осевых координат  робота с помощью математической модели самого робота.
На основе полученных данных с помощью оптимизационного алгоритма доверительных областей (Trust-region) определяют геометрические погрешности  робота относительно его математической модели и с учетом положения робота относительно заявляемого устройства (отклонения в длинах звеньев робота, деформация шарниров робота и т.д.).
i
Далее с помощью указанного алгоритма сравнивают измеренную длину L троса 3 и его модельную длину , восстановленную с учетом ранее определенных координат фланца робота, для чего определяют среднеквадратичную ошибку J по формуле:
С помощью изготовленного макета проведено 400 измерений фланца робота в различных позициях в области досягаемости вытяжного тросового датчика, после чего с помощью оптимизационного алгоритма доверительных областей (Trust-region) была проведена верификация математической модели робота.
На основе фиг.5 можно сделать вывод, что полученные данные измерений были точными и достоверными.